WO2024094242A2 - Bipolarplatte, zellenstapel und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte - Google Patents

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Sebastian Zwahr
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Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a cell stack which is made up of a large number of electrochemical cells and comprises numerous bipolar plates.
  • the invention also relates to a method for producing a bipolar plate for electrochemical cells, in particular fuel cells.
  • a generic bipolar plate made up of two half-sheets is known, for example, from DE 10 2016 212 785 A1, whereby the term separators is used for the half-sheets in this case.
  • Each of the two half-sheets is structured three-dimensionally, whereby various coolant channels of the arrangement described in DE 10 2016 212 785 A1 are formed in some cases by one of the two half-sheets and in other cases by both half-sheets.
  • the half-sheets provide cooling surfaces that cool the operating media that flow on the outside of the bipolar plate.
  • gas diffusion layers are arranged, among other things, through which the operating medium of the electrochemical cell, namely the fuel cell, can flow.
  • DE 10 2016 107 906 A1 discloses a bipolar plate which has reactant gas channels with variable cross-sectional areas. In this case, cross-sectional areas change in the flow direction of the reactant gas, i.e. the operating medium of the fuel cell.
  • Flow cross-sections varying in the flow direction are also present in a fuel cell described in US 2009/0208803 A1. While flow cross-sections formed between adjacent bipolar plates have a longitudinal direction of the bipolar plates, i.e. in the flow direction of the reactants, have a widely varying shape, coolant channels are formed within each bipolar plate, the cross-sectional shape and areas of which differ from one another to a much lesser extent. In particular, the coolant channels can have hexagonal cross-sections.
  • the bipolar plate described in US 2009/0208803 A1 has a rectangular, elongated basic shape, with inlets and outlets for coolant and operating media arranged on the narrow sides of the bipolar plate.
  • a coolant inlet or outlet represents one of the two side ports, whereas the middle and the other side port are each provided for the passage of an operating medium.
  • An arrangement of ports of a bipolar plate comparable to US 2009/0208803 A1 is also present in the case of US 10,374,237 B2.
  • a distribution area is formed in which, among other things, anode channels and cathode channels overlap. Overlaps between different channels are also present in a bipolar plate described in DE 10 2013210 542 A1, which is intended in particular for use in a motor vehicle.
  • a fuel cell described in JP 5 139 753 B2 comprises metallic separator plates between which channels are formed, wherein a buffer storage for coolant is additionally formed.
  • bipolar plate for fuel cells as described in CN 212 648 288 U, special provisions are made for the drainage of water.
  • the bipolar plate is composed of a cathode plate and an anode plate.
  • DE 20 2015 104 300 U1 shows various possibilities for designing intersecting channels for fluids in electrochemical systems.
  • individual plates of a separator plate are profiled in the form of webs and depressions. Sections of the channels can run parallel to each other or in a fan shape.
  • DE 10 2021 115 089 A1 discloses a device that can be used to produce components for fuel cells. In this case, material processing in a continuous process is provided.
  • the invention is based on the object of achieving progress in the production and use of bipolar plates compared to the aforementioned prior art, taking into account manufacturing technology as well as flow technology aspects.
  • a bipolar plate for electrochemical cells in particular fuel cells, with the features of claim 1.
  • the bipolar plate is suitable for use in a cell stack, that is to say a stack of electrochemical cells, according to claim 7.
  • the object is achieved by a method for producing a bipolar plate according to claim 9.
  • the embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the production method also apply mutatis mutandis to the devices, that is to say the bipolar plate and the cell stack, and vice versa.
  • the bipolar plate is constructed in a known basic concept from two half-sheets, each with an embossed structure, touching each other in a central plane and has an active field which is arranged between a first group of three ports and a second group of three ports, whereby the middle port of each group of three ports is provided for the passage of coolant and is connected to coolant channels formed between the half-sheets by their embossed structures. is connected, whereas the two outer ports are used for the passage of operating media. In the finished cell stack, the operating media flow, in contrast to the coolant, on the outside of the half-sheets.
  • the depth of the coolant channels increases with increasing distance from a central coolant channel.
  • designs can be implemented in which two coolant channels lying next to one another in the middle region of the bipolar plate have the same, minimum depth.
  • the channel depth increases towards the edges of the bipolar plate, with an odd number of coolant channels arranged next to one another typically running through the bipolar plate in its longitudinal direction in the first case, while in the second case the number of coolant channels is typically even.
  • the variation of the depth of the coolant channels both across the width and the length of the bipolar plate has a desired effect on the pressure losses that occur during operation of the cell stack, in particular the stack of fuel cells. If the cross-section of the coolant channels running parallel to one another were uniform across the entire width of the bipolar plate, this would lead to an increased flow in the middle area of the bipolar plate, since the coolant ports are also arranged in the middle of a group of three ports, while the edge areas of the bipolar plate would be supplied with coolant relatively weakly. Such an uneven supply of coolant is efficiently counteracted in the bipolar plate according to the application by the reduced cross-section of the coolant channels in the middle of the plate. The effect of at least approximately uniform cooling across the entire active area of the bipolar plate is achieved by the uneven depth. fe of the coolant channels in their longitudinal direction, i.e. in the flow direction of the coolant.
  • the active field has a rectangular basic shape, with the depth of the coolant channels increasing from a central region of the active field towards its corners.
  • the channel depth given at the coolant inlet of a central channel can correspond to the channel depth given in the middle, where the term "middle” here refers to the longitudinal direction of the channel, of the two outermost coolant channels.
  • This geometric feature can also be met in bipolar plates that form surfaces of active fields with an elongated octagonal basic shape, with three ports in each case bordering four corners of the octagonal active field, typically with interposition of distribution fields.
  • each channel can change continuously in its longitudinal direction, so that the channel describes the shape of a concave-concave lens in longitudinal section.
  • the channel depth at the channel entrance can be the same as the channel depth at the end of the channel.
  • Channel shapes are also possible in which there are different depths at the channel entrance and exit.
  • In the width direction for example, all coolant channels, including the two edge channels at the channel entrance and at the end, have the same width.
  • this lens-shaped structure forms, for example, a surface with a polygonal or an approximately elliptical, non-circular basic shape, with the major semi-axis of the ellipse extending in the longitudinal direction of the bipolar plate and thus in the main flow direction of the coolant.
  • the center of the polygonal or elliptical surface typically coincides with the center of the active field.
  • the semi-axis can intersect two diametrically opposed ports that conduct the same medium of the electrochemical system, whereby the flow-conducting properties can be optimized with regard to the transport of this medium.
  • the embossed structure of the half-sheets inevitably affects not only the cross-sections of the coolant channels, but also the shape of the flow fields on the two outer sides of the bipolar plate. Enlarged cross-sections of the coolant channels in the edge areas of the bipolar plate are accompanied by a reduction in the cross-sections available for the media flows outside the bipolar plate.
  • a distribution field can be formed in a manner known per se, in which a distribution of material flows or a collection of material flows takes place. Due to the inhomogeneous embossed structure of the bipolar plate according to the application, which contributes to a largely homogeneous flow of coolant, the distribution field can be kept particularly narrow compared to conventional concepts, whereby the term narrow refers to the extension of the distribution field in the main flow direction of the operating media flowing through the electrochemical cells and the coolant flowing through the bipolar plate. As a rule, this direction coincides with the longitudinal direction of the rectangular, not square bipolar plate. In short, a distribution field that is short in the flow direction These geometric features of the bipolar plate including the distribution field contribute significantly to a high volumetric power density of the electrochemical cells, especially fuel cells.
  • the coolant channels provided by the bipolar plate can have a straight shape with a uniform cross-section over the entire length or a large part of the length.
  • the coolant channels describe a double trapezoidal shape in cross-section, whereby the width of all coolant channels can be the same.
  • straight, parallel channels can have a rounded cross-sectional shape.
  • the maximum channel depth given for the two outermost coolant channels is, for example, at least 1.05 times and a maximum of 1.7 times the minimum channel depth given for the middle coolant channel.
  • AZTI (hir-him) / (0.5 nZ) ⁇ 30%
  • AZT2 (h 2 r - h 2 m) / (0.5 nZ) ⁇ 30%,
  • AZT-I, AZT2 denotes the difference in the drawing depth of the first or second half-sheet from one channel to the next channel.
  • nZ indicates the total number of coolant channels arranged next to one another and formed by the embossed structures of the two half-sheets. h and him indicate the embossing depths at the edge and in the middle of the first half-sheet, respectively.
  • h 2r and h 2m refer to the extreme embossing depths of the second half-sheet.
  • the depth of the coolant channels increases monotonically from the center towards the two edges, typically the long sides, of the bipolar plate, but does not necessarily increase strictly monotonically.
  • designs with other active surface structures can also be implemented, for example with wave- or drop-shaped structures, whereby in these cases too, cross-sectional areas available for the coolant flow increase from a central area extending from the first coolant port to the second coolant port in the direction of the edge areas of the bipolar plate.
  • the two half-sheets can be completely or partially mirror-symmetrical to one another.
  • the half-sheets can be provided with a coating, in particular with a catalytic effect, in a manner known in principle.
  • the materials used to produce the half-sheets include steel or a light metal alloy, particularly titanium-based. Continuous and discontinuous processes are suitable for producing the embossed structures.
  • the cell stack according to the application in particular fuel cell stack, generally has a plurality of electrochemical cells each made up of two half-cells, wherein half-cells of adjacent electrochemical cells are each separated from one another by a bipolar plate according to claim 1. Furthermore, the cell stack comprises gas diffusion layers arranged in the cells and intended for the flow through of the reaction media.
  • the cell stack has a rectangular, not square, floor plan in accordance with the shape of the bipolar plates.
  • the gas diffusion layers can each have a thickness that decreases towards the opposite long sides of the bipolar plates.
  • the thickness of the gas diffusion layers which decreases on average towards the edges, corresponds to the channel depth of the coolant channels, which increases steadily towards the edges.
  • thickness fluctuations of the gas diffusion layers can develop across the width of the bipolar plate because the gas diffusion layers, which are compressed during assembly of the cell stack, particularly in the edge areas of the stack, are pushed more or less far into free, typically straight, channel-shaped flow cross-sections, which are formed by the pre- structures formed on the outer surfaces of each bipolar plate. This intended effect contributes to a homogenization of the media flow.
  • the method for producing a bipolar plate is based on the provision of sheets, either in individual form or as a strip unwound from a coil, which are to be provided with the desired embossed structures.
  • sheets either in individual form or as a strip unwound from a coil, which are to be provided with the desired embossed structures.
  • at least parts of the embossed structures are present as groove-shaped depressions running parallel to one another, with the embossing depth of the grooves running in the longitudinal direction of the embossed sheets, i.e. half sheets, increasing from a central region of each half sheet in the direction of the two longitudinal edges of the half sheet in question.
  • the half-sheets which already have their final, structured shape, are joined in such a way that two groove-shaped depressions complement each other to form a coolant channel.
  • Material-bonded processes such as soldering or welding are particularly suitable for permanently joining the half-sheets.
  • the half-sheets of a cell stack may not be firmly connected to one another, but rather positioned on top of one another during the stacking process and fixed in position by stack bracing, i.e. bracing the stack.
  • Fig. 1 a bipolar plate in plan view
  • Fig. 2 shows a section through a cell stack comprising several bipolar plates according to Figure 1
  • Fig. 3 geometric features of the bipolar plate according to Figure 1 in a perspective, idealized view
  • Fig. 4 shows a simplified longitudinal section through an outer coolant channel of the bipolar plate
  • Fig. 5 shows a longitudinal section through a central coolant channel of the bipolar plate in a representation analogous to Fig. 4.
  • a bipolar plate 1 is intended for use in a cell stack 2, which comprises a plurality of electrochemical cells 3, namely fuel cells.
  • the cell stack 2 which is also referred to as a stack for short, represents the core component of a fuel cell system, with regard to the basic function of which reference is made to the prior art cited at the beginning.
  • the bipolar plate 1 has a rectangular basic shape, with an arrangement of three ports 4, 5, 6 and 7, 8, 9 for the passage of various substances near the two shorter sides of the rectangle. Reaction media flow through ports 4, 6, 7, 9, while ports 5, 8 are intended for the passage of coolant.
  • the main flow direction of the various substances corresponds to the z-direction of the coordinate system shown in Figures 1 and 2.
  • the x-direction corresponds to the transverse direction of the bipolar plate 1.
  • the cell stack 2 is constructed in the y-direction.
  • the area of the bipolar plate 1 which delimits an active zone of the cells 3 is referred to as the active area 10.
  • the active area 10 like the entire bipolar plate 1, has a rectangular, not square basic shape, with an active area 10 on each side of the bipolar plate 1.
  • the length of the active field 10 measured in the longitudinal direction of the bipolar plate 1 is designated LK.
  • the bipolar plate 1 is constructed from two half-sheets 11, 12. Each half-sheet 11, 12 provides an active surface 10. Between the ports 4, 5, 6 and the active surface 10 there is a distribution field
  • the port 5 for coolant is located between the two ports 4, 6 for the reaction media of the fuel cell 3.
  • the port 8 for coolant which is also placed as the middle port of a three-arrangement of ports 7, 8, 9.
  • the two half-sheets 11, 12 are tangent to one another at a center plane ME and delimit a half-cell 14 of the first electrochemical cell 3 from a half-cell 15 of an adjacent electrochemical cell 3.
  • a membrane 13 which is a PEM membrane.
  • gas diffusion layers 16 are arranged in the individual electrochemical cells 3. The gas diffusion layers 16 lie on embossed structures of the half-sheets 11, 12, generally designated 17.
  • the embossed structures 17 provide numerous parallel coolant channels
  • embossing depth him h2m is minimal in the middle coolant channel 20.
  • drawing depth is also used. If a If the drawing depth hi or h2 is spoken of, the position of the corresponding coolant channel 19 within the bipolar plate 1 is left open.
  • the channel depth (hi + h2) increases from each coolant channel 19 to the adjacent coolant channel 19.
  • the half-sheets 11, 12 have maximum embossing depths hi r , h2 r , so that a channel depth (hi r + h2r) is given.
  • the average increase in the drawing depth from channel 19 to channel 19 is easily calculated as a quotient, which is formed from the difference between the maximum embossing depth hi r , h2r and the minimum embossing depth him, h2m as the numerator and half the number of channels as the denominator.
  • the maximum channel depth (hi r + hz r ) is approximately 1.05 to 1.7 times the minimum channel depth (him + h2m). This results in a lower flow resistance for the coolant flowing near the edges of the bipolar plate 1 compared to the coolant partial flow which flows - on a shorter, straight path - through the middle of the bipolar plate 1 between the port 5 and the port 8. Ultimately, this achieves a very uniform cooling of the active surfaces 10.
  • 23 designates the channel inlet of each channel 19, 20, 21.
  • T generally designates the channel depth, i.e. the sum of the embossed depths formed in the two half-sheets 11, 12 which together define the channel cross-section.
  • the capital letter T is indexed with two further capital letters which have the following meaning:
  • the first index indicates the position of the cutting plane under consideration in the longitudinal direction of the channel 19, 20, 21.
  • E stands for the inlet, M for the middle and A for the outlet of the relevant channel 19, 20, 21.
  • the second index indicates the position of the relevant channel 19, 2021 in the transverse direction of the bipolar plate 1, i.e. in the x-direction.
  • M stands for the middle channel 20 and R for one of the two edge channels 21.
  • the channel geometry at the channel outlet does not necessarily correspond to the channel geometry at the inlet 23. This also applies to the middle channel 20.
  • trapezoidal free flow areas 22 are formed by the embossed structures 17 between the outer surfaces of the bipolar plate 1 and the gas diffusion layers 16.
  • the gas diffusion layers 16 can partially penetrate into the free flow areas 22 due to their flexibility. Otherwise, as can be seen from Figure 2, the gas diffusion layers 16 have a space between the half-sheets 11, 12 and the membrane 13, which becomes narrower from the center to the edges of the bipolar plate 1, resulting in the lens shape of the gas diffusion layers 16 visible in Figure 2. This means that the gas diffusion layers 16 are more compressed at their edges, close to the long sides of the bipolar plate 1, than in the middle area of the bipolar plate 1.
  • AZT-I AZT2 Difference in drawing depth from channel to channel hu Embossing depth, first half sheet, edge area hzr Embossing depth, second half sheet, edge area him Embossing depth, first half sheet, middle area hzm Embossing depth, second half sheet, middle area
  • TMR channel depth channel center (longitudinal direction of the channel), edge channel 21

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Abstract

Eine Bipolarplatte (1 ) ist aus zwei jeweils eine Prägestruktur (17) aufweisenden, sich in einer Mittelebene (ME) berührenden Halbblechen (11, 12) aufgebaut. Ein Aktivfeld (10) ist zwischen einer ersten Dreiergruppe an Ports (4, 5, 6) und einer zweiten Dreiergruppe an Ports (7, 8, 9) der Bipolarplatte (1) angeordnet, wobei jeweils der mittlere Port (5, 8) jeder Dreiergruppe zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehen und mit zwischen den Halbblechen (11, 12) durch deren Prägestrukturen (17) gebildeten Kühlmittelkanälen (19, 20, 21) verbunden ist. Die in Normalrichtung der Mittelebene (ME) zu messende Tiefe (him + h2m; hu + h2r; TAM; TAR; TEM; TER; TMM; TMR) der Kühl¬ mittelkanäle (19, 20, 21) nimmt mit zunehmendem Abstand von einem mittleren Kühlmittelkanal (20) zu. Zugleich liegt eine Variation der Kanaltiefe in Längsrichtung der Kühlmittelkanäle (19, 20, 21 ) dergestalt vor, dass in der Kanalmitte, bezogen auf die Längsrichtung des Kanals (19, 20, 21), die minimale Tiefe (TMM; TMR) des betreffenden Kanals (19, 20, 21) gegeben ist.

Description

Bipolarplatte, Zellenstapel und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Ebenso betrifft die Erfindung einen Zellenstapel, welcher aus einer Vielzahl an elektrochemischen Zellen aufgebaut ist und zahlreiche Bipolarplatten umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen.
Eine gattungsgemäße, aus zwei Halbblechen aufgebaute Bipolarplatte ist beispielsweise aus der DE 10 2016 212 785 A1 bekannt, wobei für die Halbbleche in diesem Fall die Bezeichnung Separatoren verwendet wird. Jedes der beiden Halbbleche ist dreidimensional strukturiert, wobei verschiedene Kühlmittelkanäle der in der DE 10 2016 212 785 A1 beschriebenen Anordnung in einigen Fällen durch eines der beiden Halbbleche und in anderen Fällen durch beide Halbbleche gebildet sind. In jedem Fall werden durch die Halbbleche Kühlflächen bereitgestellt, die Betriebsmedien, welche auf den Außenseiten der Bipolarplatte strömen, kühlen. Zwischen parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten sind unter anderem Gasdiffusionslagen angeordnet, welche vom Betriebsmedium der elektrochemischen Zelle, nämlich Brennstoffzelle, durchströmbar sind.
Die DE 10 2016 107 906 A1 offenbart eine Bipolarplatte, welche Reaktantengaskanäle mit variablen Querschnittsflächen aufweist. Hierbei ändern sich Querschnittsflächen in Strömungsrichtung des Reaktantengases, das heißt Betriebsmediums der Brennstoffzelle.
In Strömungsrichtung variierende Strömungsquerschnitte sind auch bei einer in der US 2009/0208803 A1 beschriebenen Brennstoffzelle gegeben. Während Strömungsquerschnitte, die zwischen benachbarten Bipolarplatten gebildet sind, hierbei eine in Längsrichtung der Bipolarplatten, das heißt in Strömungsrichtung der Reaktanten, stark variierende Gestalt aufweisen, sind innerhalb einer jeden Bipolarplatte Kühlmittelkanäle gebildet, deren Querschnittsform und -flächen wesentlich weniger stark voneinander abweichen. Insbesondere können die Kühlmittelkanäle sechseckige Querschnitte aufweisen. Die in der US 2009/0208803 A1 beschriebene Bipolarplatte weist eine rechteckige längliche Grundform auf, wobei Ein- und Auslässe für Kühlmittel und Betriebsmedien an den Schmalseiten der Bipolarplatte angeordnet sind. Hierbei sind an jeder Seite jeweils drei Ein- oder Auslässe, welche allgemein als Ports bezeichnet werden, nebeneinander angeordnet. In jeder Dreieranordnung an Ports stellt im Falls der US 2009/0208803 A1 ein Kühlmittelein- oder Auslass einen der beiden seitlichen Ports dar, wogegen der mittlere sowie der weitere seitliche Port zur Durchleitung jeweils eines Betriebsmediums vorgesehen ist.
Eine mit der US 2009/0208803 A1 vergleichbare Anordnung an Ports einer Bipolarplatte ist auch im Fall der US 10,374,237 B2 gegeben. In einem Abschnitt der Bipolarplatte zwischen den Ports und einem aktiven Bereich, das heißt Aktivfeld, ist hierbei ein Verteilerbereich ausgebildet, in welchem sich unter anderem Anodenkanäle und Kathodenkanäle überschneiden. Überschneidungen zwischen verschiedenen Kanälen sind auch bei einer in der DE 10 2013210 542 A1 beschriebenen Bipolarplatte, welche insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, gegeben.
Eine in der JP 5 139 753 B2 beschriebene Brennstoffzelle umfasst metallische Separatorplatten, zwischen welchen Kanäle gebildet sind, wobei zusätzlich ein Pufferspeicher für Kühlmittel gebildet ist.
Bei einer in der CN 212 648 288 U beschriebenen Bipolarplatte für Brennstoffzellen sind spezielle Vorkehrungen für die Ausleitung von Wasser getroffen. Die Bipolarplatte ist auch in diesem Fall aus einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte zusammengesetzt. Die DE 20 2015 104 300 U1 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung sich kreuzender Kanäle für Fluide in elektrochemischen Systemen. Hierbei sind Einzelplatten einer Separatorplatte in Form von Stegen und Absenkungen profiliert. Abschnitte der Kanäle können parallel zueinander oder fächerförmig verlaufen.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle ist beispielsweise in der DE 10 2021 115 089 A1 beschrieben. Die DE 10 2021 105 063 A1 offenbart eine zur Herstellung von Komponenten für Brennstoffzellen nutzbare Vorrichtung. In diesem Fall ist eine Materialbearbeitung in einem Durchlaufverfahren vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der Herstellung und dem Einsatz von Bipolarplatten gegenüber dem genannten Stand der Technik zu erzielen, wobei fertigungstechnischen ebenso wie strömungstechnischen Aspekten Rechnung zu tragen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Bipolarplatte ist zur Verwendung in einem Zellenstapel, das heißt Stapel elektrochemischer Zellen, nach Anspruch 7 geeignet. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Bipolarplatte sowie den Zellenstapel, und umgekehrt.
Die Bipolarplatte ist in an sich bekannter Grundkonzeption aus zwei jeweils eine Prägestruktur aufweisenden, sich in einer Mittelebene berührenden Halbblechen aufgebaut und weist ein Aktivfeld auf, welches zwischen einer ersten Dreiergruppe an Ports und einer zweiten Dreiergruppe an Ports angeordnet ist, wobei jeweils der mittlere Port jeder Dreiergruppe an Ports zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehen und mit zwischen den Halbblechen durch deren Prägestrukturen gebildeten Kühlmittelkanälen verbunden ist, wogegen die beiden äußeren Ports jeweils der Durchleitung von Betriebsmedien dienen. Die Betriebsmedien fließen in dem fertiggestellten Zellenstapel im Gegensatz zum Kühlmittel auf den Außenseiten der Halbbleche.
Gemäß Anspruch 1 nimmt die in Normalrichtung der Mittelebene zu messende Tiefe der Kühlmittelkanäle mit zunehmendem Abstand von einem mittleren Kühlmittelkanal zu. Hierbei kann ein einziger, sich in Längsrichtung der Bipolarplatte erstreckender Kühlmittelkanal existieren, welche die minimale Tiefe aufweist. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, in welchen zwei im mittleren Bereich der Bipolarplatte nebeneinander liegende Kühlmittelkanäle die gleiche, minimale Tiefe aufweisen. In beiden Fällen nimmt die Kanaltiefe zu den Rändern der Bipolarplatte hin zu, wobei im ersten Fall typischerweise eine ungerade Zahl an nebeneinander angeordneten Kühlmittelkanälen die Bipolarplatte in deren Längsrichtung durchzieht, während im zweiten Fall die Anzahl an Kühlmittelkanälen typischerweise gerade ist. Darüber hinaus existiert eine Variation der Kanaltiefe in Längsrichtung der Kühlmittelkanäle. Hierbei ist in der Kanalmitte, bezogen auf die Längsrichtung des Kanals die minimale Tiefe des betreffenden Kanals gegeben.
Die Variation der Tiefe der Kühlmittelkanäle sowohl über die Breite als auch über die Länge der Bipolarplatte hat einen gewünschten Effekt auf die Druckverluste, welche beim Betrieb des Zellenstapels, insbesondere Stapels an Brennstoffzellen, auftreten. Wäre der Querschnitt der parallel nebeneinander verlaufenden Kühlmittelkanäle über die gesamte Breite der Bipolarplatte einheitlich, so führte dies zu einer verstärkten Strömung im mittleren Bereich der Bipolarplatte, da auch die Kühlmittelports jeweils in der Mitte einer Dreiergruppe an Ports angeordnet sind, während die Randbereiche der Bipolarplatte relativ schwach mit Kühlmittel versorgt werden würden. Einer solchen ungleichmäßigen Versorgung mit Kühlmittel wird bei der anmeldungsgemäßen Bipolarplatte durch den verringerten Querschnitt der Kühlmittelkanäle in Plattenmitte effizient entgegengewirkt. Der Effekt einer über die gesamte aktive Fläche der Bipolarplatte zumindest annähernd gleichmäßigen Kühlung wird durch die uneinheitliche Tie- fe der Kühlmittelkanäle in deren Längsrichtung, das heißt in Strömungsrichtung des Kühlmittels, unterstützt.
Gemäß verschiedener möglicher geometrischer Gestaltungen der Bipolarplatte hat das Aktivfeld eine rechteckige Grundform, wobei die Tiefe der Kühlmittelkanäle von einem mittleren Bereich des Aktivfeldes aus in Richtung zu dessen Ecken zunimmt. Hierbei kann die am Kühlmitteleinlass eines mittleren Kanals gegebene Kanaltiefe der in der Mitte, wobei sich der Begriff „Mitte“ hier auf die Kanallängsrichtung bezieht, der beiden äußersten Kühlmittelkanäle gegebene Kanaltiefe entsprechen. Dieses geometrische Merkmal kann auch bei Bipolarplatten erfüllt sein, die Oberflächen von Aktivfel- dern mit einer langgestreckten achteckigen Grundform bilden, wobei in einem solchen Fall jeweils drei Ports an vier Ecken des achteckigen Aktivfeldes, typischerweise unter Zwischenschaltung von Verteilerfeldern, grenzen.
In allen Fällen kann sich die Tiefe eines jeden Kanals in dessen Längsrichtung kontinuierlich ändern, so dass der Kanal im Längsschnitt die Form einer konkav-konkaven Linse beschreibt. Hierbei kann die Kanaltiefe am Kanaleingang mit der Kanaltiefe am Ende des Kanals übereinstimmen. Ebenso sind Kanalformen möglich, bei der am Kanaleingang und -ausgang verschiedene Tiefen gegeben sind. In beiden Fällen liegt eine in Kanallängsrichtung kontinuierliche Tiefenänderung vor. In Breitenrichtung haben beispielsweise sämtliche Kühlmittelkanäle einschließlich der beiden Randkanäle am Kanaleingang und am -ende dieselbe Weite.
Als Gegenstück zur konkav-konkaven Linse, welche durch jede Bipolarplatte eines Platenstapels beschrieben wird, kann zwischen zwei Bipolarplatten eine Anordnung an Zellkomponenten platziert sein, welche die Grundform einer konvexen Linse hat. In der Draufsicht ist durch dieses linsenförmige Gebilde beispielsweise eine Fläche mit einer polygonförmigen oder einer annähernd elliptischen, nicht kreisrunden Grundform gebildet, wobei sich die große Halbachse der Ellipse in Längsrichtung der Bipolarplatte und damit in Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels erstreckt. Der Mittelpunkt der polygonförmigen oder elliptischen Fläche fällt typischerweise mit dem Mittelpunkt des Aktivfeldes zusammen.
Abweichend von der beschriebenen Längsausrichtung der genannten Fläche kommt auch eine Schrägstellung der großen Halbachse gegenüber der Längsrichtung der Bipolarplatte in Betracht. In dieser Ausgestaltung kann die Halbachse zwei einander diametral gegenüberliegende, dasselbe Medium des elektrochemischen Systems leitende Ports schneiden, womit die strömungsleitenden Eigenschaften hinsichtlich des Transports dieses Mediums optimierbar sind.
Zwangsläufig wirkt sich die Prägestruktur der Halbbleche nicht nur auf die Querschnitte der Kühlmittelkanäle, sondern auch auf die Gestalt von Strömungsfeldern auf den beiden Außenseiten der Bipolarplatte aus. Vergrößerte Querschnitte der Kühlmittelkanäle in den Randbereichen der Bipolarplatte gehen mit einer Verringerung von Querschnitten, die für die Medienströmungen außerhalb der Bipolarplatte zur Verfügung stehen, einher. Durch eine Überkreuzführung der anodenseitigen Strömung einerseits und der kathodenseitigen Strömung andererseits ist trotz der ungleichförmig ausgebildeten Prägestrukturen insgesamt eine annähernd gleichförmige Durchströmung des Aktivfeldes, dessen Größe durch die Bipolarplatte vorgegeben ist, erzielbar.
Zwischen jeder Dreiergruppe an Ports und dem Aktivfeld kann in an sich bekannter Weise ein Verteilerfeld ausgebildet sein, in welchem eine Verteilung von Stoffströmen beziehungsweise eine Sammlung von Stoffströmen erfolgt. Aufgrund der bei der anmeldungsgemäßen Bipolarplatte gegebenen inhomogenen Prägestruktur, welche zu einer weitgehend homogenen Durchströmung mit Kühlmittel beiträgt, kann das Verteilerfeld im Vergleich mit herkömmlichen Konzepten besonders schmal gehalten werden, wobei sich der Begriff schmal auf die Erstreckung des Verteilerfeldes in Hauptströmungsrichtung der durch die elektrochemischen Zellen strömenden Betriebsmedien sowie des die Bipolarplatte durchströmenden Kühlmittels bezieht. In der Regel fällt diese Richtung mit der Längsrichtung der rechteckigen, nicht quadratischen Bipolarplatte zusammen. Kurz gesagt, liegt ein in Strömungsrichtung kurzes Verteilerfeld vor. Diese geometrischen Merkmale der Bipolarplatte einschließlich des Verteilerfeldes tragen signifikant zu einer hohen volumetrischen Leistungsdichte der elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, bei.
Die durch die Bipolarplatte bereitgestellten Kühlmittelkanäle können gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen eine gerade Form mit einem über die gesamte Länge oder einen Großteil der Länge einheitlichen Querschnitt haben. Beispielsweise beschreiben die Kühlmittelkanäle im Querschnitt eine doppelte Trapezform, wobei die Breite sämtlicher Kühlmittelkanäle gleich sein kann. Ebenso können gerade, zueinander parallele Kanäle eine abgerundete Querschnittsform aufweisen. Unabhängig von der Querschnittsgestaltung beträgt die bei den beiden äußersten Kühlmittelkanälen gegebene maximale Kanaltiefe zum Beispiel mindestens das 1 ,05-fache und maximal das 1 ,7-fache der beim mittleren Kühlmittelkanal gegebenen minimalen Kanaltiefe.
Hierbei ist nicht gefordert, dass die Kanaltiefe von Kanal zu Kanal stets um denselben Betrag zunimmt. Abweichungen von einer gleichförmigen Zunahme der Kanaltiefe in Querrichtung der Halbbleche und damit der gesamten Bipolarplatte können zum Beispiel in folgenden Formeln ausgedrückt werden:
AZTI = (hir- him) / (0,5 nZ) ± 30%,
AZT2 = (h2r - h2m) / (0,5 nZ) ± 30%,
Hierbei bezeichnet AZT-I , AZT2 die Differenz der Ziehtiefe des ersten beziehungsweise zweiten Halbblechs von einem Kanal zum nächsten Kanal. nZ gibt die Gesamtzahl der nebeneinander angeordneten, durch die Prägestrukturen der beiden Halbbleche gebildeten Kühlmittelkanäle an. Mit h und him sind die Prägetiefen am Rand beziehungsweise in der Mitte des ersten Halbblechs angegeben. In analoger Weise beziehen sich h2r und h2m auf die extremen Prägetiefen des zweiten Halbblechs. Allgemein ist die Tiefe der Kühlmittelkanäle von der Mitte in Richtung zu den beiden Rändern, typischerweise Längsseiten, der Bipolarplatte monoton steigend, nicht notwendigerweise streng monoton steigend. Dies impliziert, dass es Fälle geben kann, in denen mehrere nebeneinander liegende Kühlmittelkanäle gleich tief sind. In einem solchen Fall kann etwa eine sprungartige Höhenänderung nach jeweils fünf Kanälen gegeben sein, so dass eine deutlich ausgeprägte Stufung der Kanaltiefen in Breitenrichtung der Bipolarplatte vorliegt. Ebenso sind zum Beispiel Ausführungsformen realisierbar, bei welchen die Zunahme der Ziehtiefe zum Rand der Halbbleche hin von Kanal zu Kanal größer wird. In solchen Fällen beschreibt die Gesamtheit der Kanäle eine bogenförmige Höhenänderung.
Was die Abhängigkeit der Querschnittsgestaltung der Kühlmittelkanäle von der Lage der Schnittebene in Längsrichtung der Kanäle betrifft, existieren ebenfalls zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Beispielsweise ändert sich die Tiefe eines jeden Kanals ausgehend von der Mitte des Kanals in Richtung zum Anfang und Ende des betreffenden Kanals, so dass die Höhenverteilung des in den Kanälen geführten Kühlmittels insgesamt ein Wannenprofil darstellt. Durch die uneinheitliche Höhe der Kühlmittelkanäle sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung der Kanäle stehen auch unterschiedlich große Volumenbereiche für die außerhalb der Bipolarplatte fließenden und reagierenden Betriebsmedien zur Verfügung. Hierbei ist bei der beschriebenen Ausgestaltung in den Ecken der Bipolarplatte, das heißt nahe der Ports, der Raum für den Durchtritt der Betriebsmedien am engsten. Andererseits treten in der Nähe der Ports im Vergleich zur Mitte des Aktivfeldes relativ hohe Druckdifferenzen auf. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass im gesamten Aktivfeld elektrochemische Reaktionen ablaufen, sind damit weitgehend homogene Reaktionen und somit auch näherungsweise einheitliche flächenbezogene Raten an Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie innerhalb des Aktivfeldes erzielbar, was insgesamt einen kompakten, thermisch gut beherrschbaren Aufbau des Zellenstapels begünstigt.
Abweichend von Ausführungsformen mit gerade verlaufenden Kühlmittelkanälen und entsprechend strukturierten Ström ungsfeldern für die anoden- und kathodenseitigen Medien sind auch Ausgestaltungen mit sonstigen Aktivflächenstrukturen realisierbar, beispielsweise mit wellen- oder tropfenförmigen Strukturen, wobei auch in diesen Fällen Querschnittsflächen, die für die Kühlmittelströmung zur Verfügung stehen, von einem mittleren, sich vom ersten Kühlmittelport zum zweiten Kühlmittelport erstreckenden Bereich in Richtung zu den Randbereichen der Bipolarplatte zunehmen. In allen Fällen kann eine komplette oder teilweise Spiegelsymmetrie der beiden Halbbleche zueinander gegeben sein. Die Halbbleche können in prinzipiell bekannter Weise mit einer Beschichtung, insbesondere mit katalytischer Wirkung, versehen sein.
Als Material zur Herstellung der Halbbleche kommt unter anderem Stahl oder eine Leichtmetalllegierung, insbesondere auf Titanbasis, in Betracht. Zur Herstellung der Prägestrukturen sind kontinuierliche Verfahren ebenso wie diskontinuierliche Verfahren geeignet.
Der anmeldungsgemäße Zellenstapel, insbesondere Brennstoffzellenstapel, weist allgemein eine Mehrzahl an jeweils aus zwei Halbzellen aufgebauten elektrochemischen Zellen auf, wobei Halbzellen benachbarter elektrochemischer Zellen jeweils durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1 voneinander getrennt sind. Weiterhin umfasst der Zellenstapel in den Zellen angeordnete, zur Durchströmung mit den Reaktionsmedien vorgesehene Gasdiffusionslagen.
Der Zellenstapel hat entsprechend der Form der Bipolarplatten insbesondere einen rechteckigen, nicht quadratischen Grundriss. Die Gasdiffusionslagen können hierbei jeweils eine zu einander gegenüberliegenden Längsseiten der Bipolarplatten hin abnehmende Dicke aufweisen. Die zu den Rändern hin im Mittel abnehmende Dicke der Gasdiffusionslagen korrespondiert mit der zu den Rändern hin stetig zunehmenden Kanaltiefe der Kühlmittelkanäle. Zusätzlich können sich Dickenschwankungen der Gasdiffusionslagen über die Breite der Bipolarplatte dadurch ausbilden, dass die Gasdiffusionslagen, welche im Zuge des Zusammenbaus des Zellenstapels besonders in den Randbereichen des Stapels komprimiert werden, mehr oder weniger weit in freie, typischerweise gerade, rinnenförmige Strömungsquerschnitte, welche durch die Prä- gestrukturen auf den Außenoberflächen jeder Bipolarplatte gebildet sind, eintauchen. Dieser beabsichtigte Effekt trägt zu einer Homogenisierung der Medienströmung bei.
Das Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte geht von der Bereitstellung von Blechen, sei es in bereits vereinzelter Form oder als von einem Coil abgewickeltes Band, aus, welche mit den gewünschten Prägestrukturen zu versehen sind. In jedem Fall liegen nach Abschluss des Präge-, das heißt Umformvorgangs, zumindest Teile der Prägestrukturen als rinnenförmige, parallel zueinander verlaufende Vertiefungen vor, wobei die Prägetiefe der in Längsrichtung der geprägten Bleche, das heißt Halbbleche, verlaufenden Rinnen von einem mittleren Bereich eines jeden Halbblechs in Richtung zu den beiden längsseitigen Rändern des betreffenden Halbblechs zunimmt.
Die bereits die endgültige, strukturierte Form aufweisenden Halbbleche werden derart gefügt, dass sich jeweils zwei rinnenförmige Vertiefungen zu einem Kühlmittelkanal ergänzen. Zum dauerhaften Verbinden der Halbbleche sind insbesondere stoffschlüssige Verfahren wie Löten oder Schweißen geeignet. Alternativ können die Halbbleche eines Zellenstapels nicht fest miteinander verbunden sein, sondern erst durch den Stapelprozess übereinander positioniert und durch die Stackverspannung, das heißt Verspannung des Stapels, in ihrer Lage fixiert werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Bipolarplatte in Draufsicht,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Zellenstapel, welcher mehrere Bipolarplatten nach Figur 1 umfasst, Fig. 3 geometrische Merkmale der Bipolarplatte nach Figur 1 in perspektivischer, idealisierter Ansicht,
Fig. 4 in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt durch einen äußeren Kühlmittelkanal der Bipolarplatte,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen mittleren Kühlmittelkanal der Bipolarplatte in einer Darstellung analog Fig. 4.
Eine Bipolarplatte 1 ist zur Verwendung in einem Zellenstapel 2 vorgesehen, welcher eine Vielzahl elektrochemischer Zellen 3, nämlich Brennstoffzellen, umfasst. Der Zellenstapel 2, welcher kurz auch als Stack bezeichnet wird, stellt die Kernkomponente eines Brennstoffzellensystems dar, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
Die Bipolarplatte 1 weist, wie aus Figur 1 hervorgeht, eine rechteckige Grundform auf, wobei sich nahe der beiden kürzeren Seiten des Rechtecks jeweils eine Dreier- Anordnung an Ports 4, 5, 6 beziehungsweise 7, 8, 9 zur Durchleitung verschiedener Stoffe befindet. Hierbei fließen durch die Ports 4, 6, 7, 9 Reaktionsmedien, während die Ports 5, 8 zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehen sind. Die Hauptströmungsrichtung der verschiedenen Stoffe entspricht der z-Richtung des in den Figuren 1 und 2 eingezeichneten Koordinatensystems. Die x-Richtung entspricht der Querrichtung der Bipolarplatte 1 . Der Zellenstapel 2 ist in y-Richtung aufgebaut.
Der Bereich der Bipolarplatte 1 , welcher eine aktive Zone der Zellen 3 begrenzt, wird als Aktivfläche 10 bezeichnet. Die Aktivfläche 10 hat, ebenso wie die gesamte Bipolarplatte 1 , eine rechteckige, nicht quadratische Grundform, wobei sich jeweils eine Aktivfläche 10 auf jeder Seite der Bipolarplatte 1 befindet. Die in Längsrichtung der Bipolarplatte 1 zu messende Länge des Aktivfeldes 10 ist mit LK bezeichnet. In grundsätzlich bekannter Weise ist die Bipolarplatte 1 aus zwei Halbblechen 11 , 12 aufgebaut. Hierbei wird durch jedes Halbblech 11 , 12 eine Aktivfläche 10 bereitgestellt. Zwischen den Ports 4, 5, 6 und der Aktivfläche 10 befindet sich ein Verteilerfeld
18, in welchem die zwischen den Halbblechen 11 , 12 beziehungsweise an den Außenoberflächen der Bipolarplatte 1 strömenden Stoffe verteilt werden. In der ersten Dreier-Anordnung an Ports 4, 5, 6 befindet sich der Port 5 für Kühlmittel zwischen den beiden Ports 4, 6 für die Reaktionsmedien der Brennstoffzelle 3. Entsprechendes gilt für den Port 8 für Kühlmittel, der ebenfalls als mittlerer Port einer Dreier-Anordnung an Ports 7, 8, 9 platziert ist.
Die beiden Halbbleche 11 , 12 tangieren sich an einer Mittelebene ME und grenzen eine Halbzelle 14 ersten elektrochemischen Zelle 3 von einer Halbzelle 15 einer benachbarten elektrochemischen Zelle 3 ab. Innerhalb einer jeden elektrochemischen Zelle 3 befindet sich eine Membran 13, bei welcher es sich um eine PEM-Membran handelt. Ferner sind Gasdiffusionslagen 16 in den einzelnen elektrochemischen Zellen 3 angeordnet. Die Gasdiffusionslagen 16 liegen auf allgemein mit 17 bezeichneten Prägestrukturen der Halbbleche 11 , 12 auf.
Durch die Prägestrukturen 17 sind zahlreiche zueinander parallele Kühlmittelkanäle
19, 20, 21 gebildet, welche in Längsrichtung der Bipolarplatte 1 , das heißt in z- Richtung, verlaufen. Im Bereich eines mittleren Kühlmittelkanals 20 liegt eine Prägetiefe him des ersten Halbblechs 11 und eine Prägetiefe h2m des zweiten Halbblechs 12 vor, sodass die Tiefe des Kühlmittelkanals 20 (him + h2m) beträgt. Im vorliegenden Fall sind die Prägetiefen him, h2m identisch. Im Übrigen liegt keine komplette Spiegelsymmetrie zur Mittelebene ME vor. Ist ein Kühlmittelkanal mit 19 bezeichnet, so ist dessen Lage nicht spezifiziert.
Die Prägetiefe him = h2m ist im mittleren Kühlmittelkanal 20 minimal. Statt des Begriffs Prägetiefe wird gleichbedeutend auch der Begriff Ziehtiefe verwendet. Wird von einer Ziehtiefe hi oder h2 gesprochen, so ist die Lage des betreffenden Kühlmittelkanals 19 innerhalb der Bipolarplatte 1 offen gelassen.
Zu den beiden die Längsseiten der Bipolarplatte 1 darstellenden Rändern der Halbbleche 11 , 12 hin nimmt die Kanaltiefe (hi + h2) von jedem Kühlmittelkanal 19 zum benachbarten Kühlmittelkanal 19 zu. Bei den beiden äußersten, mit 21 bezeichneten Kühlmittelkanälen weisen die Halbbleche 11 , 12 maximale Prägetiefen hir, h2r auf, sodass eine Kanaltiefe (hir + h2r) gegeben ist. Die durchschnittliche Zunahme der Ziehtiefe von Kanal 19 zu Kanal 19 ist als Quotient, welcher aus der Differenz zwischen der maximalen Prägetiefe hir, h2r und der minimalen Prägetiefe him, h2m als Zähler und der halben Kanalzahl als Nenner gebildet ist, einfach berechenbar. Von dieser durchschnittlichen Zunahme der Ziehtiefe weicht die von Kanal 19 zu Kanal 19 tatsächlich gegebene, nicht notwendigerweise einheitliche, mit AZT-I , AZT2 im Fall des ersten Halbblechs 11 beziehungsweise des zweiten Halbblechs 12 bezeichnete Prägetiefendifferenz um nicht mehr als 30% nach unten oder nach oben ab. Insgesamt werden die Kanäle 19, 20, 21 von der Mitte zu den Rändern der Bipolarplatte 1 hin quasi kontinuierlich tiefer.
Im vorliegenden Fall beträgt die maximale Kanaltiefe (hir + hzr) etwa das 1 ,05- bis 1 ,7- fache der minimalen Kanaltiefe (him + h2m). Hieraus resultiert ein geringerer Strömungswiderstand für das in der Nähe der Ränder der Bipolarplatte 1 strömende Kühlmittel im Vergleich zum Kühlmittelteilstrom, welcher - auf einem kürzeren, geraden Weg - mittig durch die Bipolarplatte 1 zwischen dem Port 5 und dem Port 8 fließt. Letztlich wird damit eine sehr gleichmäßige Kühlung der Aktivflächen 10 erreicht.
Die anhand Fig. 2 erläuterten Zusammenhänge zwischen der Kanaltiefe (him + hzm) des mittleren Kanals 20 und den Kanaltiefen (hir + h2r), welche bei den beiden äußersten Kanälen 21 vorliegen, gelten für Schnitte quer zur Längsrichtung der beiden Halbbleche 11 , 12 und damit der gesamten Bipolarplatte 1 . Zusätzlich zur Variation der Tiefe der Kühlmittelkanäle 19, 20, 21 in deren Querrichtung ist auch eine aus den Figuren 3 bis 5 hervorgehende Variation der Tiefe der Kühlmittelkanäle 19, 20, 21 in deren Längsrichtung gegeben. Analog zur Tiefenvariation in Querrichtung ist die Kanaltiefe am Beginn und Ende eines jeden Kanals 19, 20, 21 maximal. Insgesamt liegt damit ein in definierter Weise strukturiertes Kühlmittelvolumen vor, das in seiner Gesamtheit, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, ein wannenartiges Gebilde in der Art einer beidseitig konkaven Linse beschreibt. Hierbei sind einhüllende Flächen sichtbar, die auf die Halbbleche 11 , 12 gelegt sind.
In den Figuren 3 bis 5 ist mit 23 der Kanaleinlass eines jeden Kanals 19, 20, 21 bezeichnet. T bezeichnet allgemein die Kanaltiefe, das heißt die Summe der in den beiden Halbblechen 11 , 12 ausgebildeten, zusammen den Kanalquerschnitt definierenden Prägetiefen. Der Großbuchstabe T ist indiziert mit zwei weiteren Großbuchstaben, die folgende Bedeutung haben: Der erste Index zeigt die Lage der betrachteten Schnittebene in Längsrichtung des Kanals 19, 20 21 an Hierbei steht E für den Einlass, M für die Mitte und A für den Auslass des betreffenden Kanals 19, 20 21 . Der zweite Index zeigt die Lage des betrachteten Kanals 19, 2021 in Querrichtung der Bipolarplatte 1 , das heißt in x-Richtung, an. Hierbei steht M für den mittleren Kanal 20 und R für einen der beiden Randkanäle 21 . Wie beispielhaft in Fig. 5 angedeutet ist, stimmt die Kanalgeometrie am Kanalauslass nicht notwendigerweise mit der Kanalgeometrie am Einlass 23 überein. Dies gilt auch für den mittleren Kanal 20.
Auf den Außenseiten der Halbbleche 11 , 12 sind durch die Prägestrukturen 17 trapezförmige freie Strömungsbereiche 22 zwischen den Außenoberflächen der Bipolarplatte 1 und den Gasdiffusionslagen 16 gebildet. Die Gasdiffusionslagen 16 können aufgrund ihrer Nachgiebigkeit teilweise in die freien Strömungsbereiche 22 eindringen. Ansonsten steht den Gasdiffusionslagen 16, wie aus Figur 2 hervorgeht, ein Raum zwischen den Halbblechen 11 , 12 und der Membran 13 zur Verfügung, welcher von der Mitte zu den Rändern der Bipolarplatte 1 hin schmaler wird, sodass sich die in Figur 2 sichtbare Linsenform der Gasdiffusionslagen 16 ergibt. Dies bedeutet, dass die Gasdiffusionslagen 16 an ihren Rändern, nahe der Längsseiten der Bipolarplatte 1 , stärker komprimiert sind als im mittleren Bereich der Bipolarplatte 1 . Dank der diagonalen Führung der Reaktionsmedien zwischen den Ports 4, 9 beziehungsweise zwischen den Ports 6, 7 stellt sich trotz der ungleichförmigen Kom- pression der Gasdiffusionslagen 16 eine weitgehend gleichförmige Strömung der Reaktionsmedien über die gesamte Aktivfläche 10 ein. Insgesamt stellen sich Druckverhältnisse der Reaktionsmedien sowie des Kühlmittels ein, die eine sehr schmale Gestaltung der Verteilerfelder 18 und damit eine großzügige Dimensionierung der Aktivfläche 10 bei vorgegebenen Außenabmessungen der Bipolarplatte 1 zulassen.
Bezuqszeichenliste
1 Bipolarplatte
2 Zellenstapel
3 Elektrochemische Zelle
4 Port für Reaktionsmedium
5 Port für Kühlmittel
6 Port für Reaktionsmedium
7 Port für Reaktionsmedium
8 Port für Kühlmittel
9 Port für Reaktionsmedium
10 Aktivfeld
11 Halbblech
12 Halbblech
13 Membran
14 Halbzelle
15 Halbzelle
16 Gasdiffusionslage
17 Prägestruktur
18 Verteilerfeld
19 Kühlmittelkanal, allgemein
20 mittlerer Kühlmittelkanal
21 äußerer Kühlmittelkanal
22 freier Strömungsbereich
23 Kanaleinlass
AZT-I , AZT2 Differenz der Ziehtiefe von Kanal zu Kanal hu Prägetiefe, erstes Halbblech, Randbereich hzr Prägetiefe, zweites Halbblech, Randbereich him Prägetiefe, erstes Halbblech, Mittelbereich hzm Prägetiefe, zweites Halbblech, Mittelbereich
LK Kanallänge ME Mittelebene nK Anzahl der Kühlmittelkanäle
TAM Kanaltiefe, Auslass, Mittenkanal 20
TAR Kanaltiefe, Auslass, Randkanal 21
TEM Kanaltiefe, Einlass, Mittenkanal 20
TER Kanaltiefe, Einlass, Randkanal 21
TMM Kanaltiefe, Kanalmitte (in Längsrichtung des Kanals), Mittenkanal 20
TMR Kanaltiefe, Kanalmitte (in Längsrichtung des Kanals), Randkanal 21

Claims

Patentansprüche
1 . Bipolarplatte (1 ), aufgebaut aus zwei jeweils eine Prägestruktur (17) aufweisenden, sich in einer Mittelebene (ME) berührenden Halbblechen (11 , 12), mit einem Aktivfeld (10), welches zwischen einer ersten Dreiergruppe an Ports (4, 5, 6) und einer zweiten Dreiergruppe an Ports (7, 8, 9) angeordnet ist, wobei jeweils der mittlere Port (5, 8) jeder Dreiergruppe zur Durchleitung von Kühlmittel vorgesehen und mit zwischen den Halbblechen (11 , 12) durch deren Prägestrukturen (17) gebildeten Kühlmittelkanälen (19, 20, 21) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in Normalrichtung der Mittelebene (ME) zu messende Tiefe (him + h2m; hir + h2r; TAM; TAR; TEM; TER; TMM; TMR) der Kühlmittelkanäle (19, 20, 21 ) mit zunehmendem Abstand von einem mittleren Kühlmittelkanal (20) zunimmt, wobei zugleich eine Variation der Kanaltiefe in Längsrichtung der Kühlmittelkanäle (19, 20, 21) dergestalt vorliegt, dass in der Kanalmitte, bezogen auf die Längsrichtung des Kanals (19, 20, 21), die minimale Tiefe (TMM; TMR) des betreffenden Kanals (19, 20, 21 ) gegeben ist.
2. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivfeld (10) eine rechteckige Grundform hat und die Tiefe (him + h2m; hir + h2r; TAM; TAR; TEM; TER; TMM; TMR) der Kühlmittelkanäle (19, 20, 21 ) von einem mittleren Bereich des Aktivfeldes (10) aus in Richtung zu den Ecken des Aktivfeldes (10) hin zunimmt, wobei die am Einlass (23) eines mittleren Kühlmittelkanals (20) gegebene Kanaltiefe (TEM) der in der Mitte - jeweils in Kanallängsrichtung zu betrachten - der beiden Randkanäle (21 ) gegebene Kanaltiefe (TMR) entspricht.
3. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Prägestrukturen (17) Kühlmittelkanäle (19, 20, 21) ausgebildet sind, welche im Querschnitt eine doppelte Trapezform beschreiben, wobei die Prägestrukturen (17) der beiden Halbbleche (11 , 12) zumindest näherungsweise spiegelbildlich zueinander ausgebildet sind.
4. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe der Prägestrukturen (17), welche jeweils eine Hälfte der Querschnittsfläche eines Kühlmittelkanals (19, 20, 21) bilden, ausgehend von der Mitte eines Halbblechs (11 , 12), nach der folgenden Formel zu den Rändern der Halbbleche (11 , 12) hin ändert:
AZTI = (hir - him) / (0,5 nZ) ± 30%,
AZT2 = (h2r - h2m) / (0,5 nZ) ± 30%, wobei AZT-I , AZT2 die Differenz der Ziehtiefe (hi , h2) von einem Kanal zum nächsten Kanal beim ersten Halbblech (11 ) beziehungsweise beim zweiten Halbblech (12) und nZ die Gesamtzahl der nebeneinander angeordneten, durch die Prägestrukturen (17) beider Halbbleche (11 , 12) gebildeten Kühlmittelkanäle (19, 20, 21 ) bezeichnet. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Kühlmittelkanäle (19, 20, 21 ), zumindest innerhalb des Aktivfeldes (10), gleich breit sind. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei den beiden äußersten Kühlmittelkanälen (21 ) gegebene maximale Kanaltiefe (hir, + h2r) mindestens das 1 ,05-fache und maximal das 1 ,7-fache der beim mittleren Kühlmittelkanal (20) gegebenen minimalen Kanaltiefe (him + h2m) beträgt. Zellenstapel (2), mit einer Mehrzahl an jeweils aus zwei Halbzellen (14, 15) aufgebauten elektrochemischen Zellen (3), sowie einer Mehrzahl an jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeten, zwischen zwei Halbzellen (14, 15) benachbarter elektrochemischer Zellen (3) angeordneten Bipolarplatten (1 ), sowie flächigen, in den elektrochemischen Zellen (3) angeordneten, zur Durchströmung mit Reaktionsmedien vorgesehenen Gasdiffusionslagen (16). Zellenstapel (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (1 ) jeweils eine rechteckige Grundform aufweisen und die Gasdiffusionslagen (16) eine zu einander gegenüberliegenden Längsseiten der Bipolarplatten (1 ) hin abnehmende Dicke aufweisen. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit folgenden Schritten: - Erzeugung von Prägestrukturen (17) zweier Halbbleche (11 , 12), wobei durch die Prägestrukturen (17) rinnenförmige, parallel zueinander verlaufende Vertiefungen gebildet sind, deren Prägetiefe (him, h2m, hir, h2r) von einem mittleren Bereich eines jeden Halbblechs (11 , 12) in Richtung zu ei- nander gegenüberliegenden Rändern des betreffenden Halbblechs (11 , 12) zunimmt,
- Fügen der Halbbleche (11 , 12) derart, dass sich jeweils zwei rinnenförmige Vertiefungen zu einem Kühlmittelkanal (19, 20, 21 ) ergänzen. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halb- bleche (11 , 12) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.,
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