DE102013206789A1

DE102013206789A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102013206789A1
Application number: DE201310206789
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend – eine erste Platte (12), die zumindest in einem Teilbereich (40) eine in einer Querschnittsrichtung der Platte (12) profilierte Gestalt aufweist derart, dass auf beiden Seiten (26, 28) des Teilbereichs (40) eine Vielzahl von Rinnen (30) ausgebildet wird, die von Erhebungen (32) seitlich begrenzt werden, sowie – eine auf einer Fügeseite (26) der ersten Platte (12) angeordnete, zweite Platte (14), die zumindest in einem Teilbereich (40) eine Vielzahl von Aussparungen (34) aufweist, welche eine Vielzahl von seitlich zwischen den Aussparungen (34) verlaufenden Lamellen (36) definieren, wobei die Lamellen (36) dichtend auf oder in zumindest einem Teil der Rinnen (30) der Fügeseite (26) der ersten Platte (12) derart angeordnet sind, dass zwischen der ersten Platte (12) und den Lamellen (36) der zweiten Platte (14) geschlossene Kanäle (20) ausgebildet werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte sowie eine Brennstoffzelle, welche eine solche Bipolarplatte aufweist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer inonenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e^– werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2H⁺ + O^2– → H₂O). Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt u. a. aufgrund der gegenüber von Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits offene Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten aufweist sowie geschlossene Kühlkanäle zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.
Bipolarplatten sind in unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Grundsätzliche Ziele bei dem Design von Bipolarplatten stellen die Gewichtsreduzierung, die Bauraumreduzierung, die Kostenreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
US 2005/0058864 A1 ( US 6,974,648 B2 ) und US 2006/0029840 A1 ( US 7,601,452 B2 ) beschreiben Bipolarplatten für Brennstoffzellen, die aus zwei gewellten und ineinander verschachtelten Platten aufgebaut sind. Jede der Platten weist eine Mäandergestalt auf, so dass auf beiden Seiten jeweils Rinnen ausgebildet werden, die von wallartigen Erhebungen begrenzt werden. Dabei weisen die beiden Platten unterschiedliche Breiten der ausgebildeten Rinnen beziehungsweise Erhebungen auf. In dem verschachtelten Gefüge der Platten werden geschlossene Kanäle ausgebildet, welche als Kühlkanäle dienen. Die zu beiden Seiten des Gefüges vorhandenen offenen Kanäle (Rinnen) sind im zusammengebauten Brennstoffzellenstapel auf der einen Seite der Anode und auf der anderen Seite der Kathode der benachbarten MEAs zugewandt und dienen ihrer Versorgung mit Luft/Sauerstoff beziehungsweise Brennstoff/Wasserstoff.
Aus DE 10 2004 058 117 A1 ist eine Bipolarplatte bekannt, die aus drei mäanderförmigen, ineinander verschachtelten Platten besteht. Dabei weisen die beiden äußeren Platten eine geringere Tiefe der Rinnen auf als die mittlere Platte. Die kathodenseitige äußere Platte ist zudem mit Öffnungen versehen, welche die kathodenseitigen Rinnen mit einem, zwischen der kathodenseitigen und der mittleren Platte ausgebildeten Zudosierkanal verbindet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zur Verfügung zu stellen, die gegenüber Bipolarplatten des Standes der Technik, insbesondere in der vorstehend beschriebenen Plattenbauweise, bei gleichem Bauraum ein reduziertes Gewicht sowie eine verbesserte Leistungsdichte aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte, eine entsprechende Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zu Herstellung der Bipolarplatte mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße, für den Einsatz in Brennstoffzellen ausgelegte Bipolarplatte umfasst:

– eine erste Platte, die zumindest in einem Teilbereich eine in einer Querschnittsrichtung der Platte profilierte (insbesondere) mäanderförmige Gestalt aufweist derart, dass auf beiden Seiten des Teilbereichs eine Vielzahl von Rinnen ausgebildet wird, die von Erhebungen seitlich begrenzt werden, sowie
– eine auf einer Fügeseite der ersten Platte angeordnete, zweite Platte, die zumindest in einem Teilbereich eine Vielzahl von Aussparungen aufweist, welche eine Vielzahl von zwischen den Aussparungen verlaufenden Lamellen definieren, wobei die Lamellen dichtend auf oder in zumindest einem Teil der Rinnen der Fügeseite der ersten Platte derart angeordnet sind, dass zwischen der ersten Platte und den Lamellen der zweiten Platte geschlossene Kanäle ausgebildet werden.

Gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik, beispielsweise gemäß US 2005/0058864 A1 , zeichnet sich die erfindungsgemäße Bipolarplatte dadurch aus, dass die zweite Platte, insbesondere die anodenseitige Platte, über einen Teil der Rinnen der ersten Platte Aussparungen aufweist. Auf diese Weise wird die im genannten Stand der Technik bestehende doppelwandige Ausführung der Anodenkanäle zumindest teilweise vermieden. Vielmehr sind die offenen Kanäle (Rinnen) der erfindungsgemäßen, nicht verschachtelten Bipolarplatte weitestgehend einwandig ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich – insbesondere im Hinblick auf die Vielzahl von in einem Brennstoffzellenstapel vorhandenen Bipolarplatten – eine deutliche Gewichtsreduzierung des Brennstoffzellenstapels. Gleichzeitig wird durch die Vermeidung der doppelwandigen Ausbildung der Strömungsquerschnitt zumindest einiger Rinnen vergrößert. Werden diese Rinnen im zusammengefügten Brennstoffzellenstapel somit als Strömungskanäle für das Anodenprozessgas (insbesondere Wasserstoff) eingesetzt, so wird hierdurch der Kanalquerschnitt der Anodenkanäle vergrößert, wodurch sich der Druckverlust reduziert. Dies wirkt sich insbesondere positiv auf die Funktion einer Pumpe aus, welche üblicherweise zur Rezirkulation nicht verbrauchten Wasserstoffs und Rückführung desselben zu den Anodenräumen der Brennstoffzelle eingesetzt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Fügeseite der ersten Platte“ stets diejenige der zwei Hauptseiten der ersten Platte verstanden, welche der zweiten Platte zugewandt ist.
Bei dem „Teilbereich“, in welchem die erste Platte die profilierte Querschnittsgestalt aufweist und in welchem die zweite Platte die Aussparungen und Lamellen aufweist, handelt es sich bevorzugt um einen aktiven Bereich der Bipolarplatte, der im verbauten Zustand an eine Membran-Elektroden-Einheit anschließt. Es versteht sich, dass die Bipolarplatte neben diesen aktiven Bereichen weitere Bereiche, beispielsweise Randbereiche aufweisen kann, in denen die beiden Platten keine profilierte oder mäanderförmige Querschnittsgestalt beziehungsweise Aussparungen und Lamellen aufweisen müssen. Vorzugsweise entsprechen die Teilbereiche der ersten und der zweiten Platte bezüglich ihrer Anordnung im Wesentlichen einander.
Unter „Aussparungen“ werden Durchgangsöffnungen innerhalb der zweiten Platte verstanden. Die Aussparungen weisen eine längliche Gestalt auf und erstrecken sich vorzugsweise über den gesamten Teilbereich der Platte, welcher der aktiven Fläche Bipolarplatte entspricht. Die Aussparungen können einen geradlinigen oder nicht-geradlinigen Verlauf aufweisen.
Unter „Lamellen“ werden – gemäß einer Aufsicht auf eine der beiden Hauptflächen der zweiten Platte – streifenförmige Gebilde beliebiger Kontur verstanden. Diese sind mit einem oder vorzugsweise beiden Enden einstückig mit der Platte verbunden. Die streifenförmigen Gebilde können eine im Querschnitt ebene oder profilierte Gestalt aufweisen. In den 2 und 9 sind Beispiele für diese beiden Varianten gezeigt.
Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugte Bipolarplatte umfasst:

– eine erste Platte, die zumindest in einem Teilbereich eine in einer Querschnittsrichtung der Platte profilierte, insbesondere mäanderförmige Gestalt aufweist derart, dass auf beiden Seiten des Teilbereichs eine Vielzahl von Rinnen ausgebildet wird, die von Erhebungen seitlich begrenzt werden, sowie
– eine auf einer Fügeseite der ersten Platte angeordnete, zweite Platte, die zumindest in einem Teilbereich eine Vielzahl von Aussparungen aufweist, welche eine Vielzahl von zwischen den Aussparungen verlaufenden Lamellen definieren, wobei die Aussparungen – bezüglich einer Aufsicht auf die Platte – in ihrer Gestalt und in ihrer Position im Wesentlichen einer ersten Teilanzahl der Rinnen der Fügeseite der ersten Platte entsprechen und wobei die Lamellen dichtend in oder auf einer zweiten Teilanzahl der Rinnen der ersten Platte derart angeordnet sind, dass diese Rinnen geschlossene Kanäle ausbilden.

In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführung weist die zweite Platte eine im Wesentlichen ebene Gestalt auf. Dies gilt insbesondere auch für die Lamellen der zweiten Platte. Hierdurch ergeben sich Vereinfachungen im Herstellungsverfahren. Dabei wird mit dem Begriff „im Wesentlichen ebene Gestalt“ eine Abgrenzung gegenüber der im Querschnitt profilierten Gestalt der ersten Platte verstanden. Es versteht sich jedoch, dass in Randbereichen der zweiten Platte und/oder in Randbereichen ihrer Lamellen geringfügige Abweichungen von einer ebenen Struktur sowie Abwinklungen vorhanden sein können.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung dieser Ausführung sind die Lamellen der zweiten Platte in oder auf jeder zweiten Rinne der Fügeseite der ersten Platte angeordnet. Auf diese Weise wird jede zweite Rinne der ersten Platte derart durch jeweils eine Lamelle verschlossen, dass die Hälfte der auf der Fügeseite vorhandenen Rinnen geschlossene Kanäle ausbilden, die im verbauten Zustand der Bipolarplatte als Kühlkanäle ausgebildet sind. Die andere Hälfte der Rinnen der ersten Platte auf ihrer Fügeseite befindet sich hingegen unterhalb jeweils einer Aussparung, so dass diese Rinnen offene Kanäle in Richtung einer benachbarten Membran-Elektroden-Einheit ausbilden. Insbesondere sind die unterhalb einer Aussparung liegenden Rinnen der ersten Platte der Anodenseite der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit zugewandt. Denkbar ist jedoch auch ein abweichendes Verhältnis von durch Lamellen verschlossenen Rinnen zu offenen Rinnen. Beispielsweise können jeweils jede zweite und dritte Rinne durch Lamellen der zweiten Platte geschlossen sein und nur jede dritte Rinne aufgrund einer entsprechenden Aussparung in der zweiten Platte offen sein und umgekehrt.
Bevorzugt sind die Lamellen der zweiten Platte (ebenso wie die Aussparungen) in gleichmäßigen Abständen, also äquidistant, sowie im Wesentlichen parallel (gleichlaufend) zueinander angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein besonders gleichmäßiges Flussfeld über die aktive Fläche der Bipolarplatte.
Die auf beiden Seiten der ersten Platte ausgebildeten Rinnen und die dazwischen liegenden Erhebungen können bezüglich der Aufsicht auf die Hauptflächen der ersten Platte, also auf die der zweiten Platte zugewandten Fügeseite und die von dieser abgewandten Seite, beliebige Gestaltungen aufweisen. Beispielsweise können die Rinnen und Erhebungen jeweils einen geraden Verlauf aufweisen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Rinnen sowie die dazwischen liegenden Erhebungen der ersten Platte in Aufsicht auf ihre Fügeseite sowie der dieser gegenüberliegenden Seite einen mäanderförmigen Verlauf auf. Durch die sich hiermit ergebenden ständigen Umlenkungen der in diesen Rinnen geführten Prozessgase ergibt sich eine verbesserte Durchmischung und Homogenisierung derselben.
Wie bereits ausgeführt wurde, sind die Lamellen der zweiten Platte in Abdeckung auf einer Teilanzahl der Rinnen der ersten Platte angeordnet, um geschlossene Kanäle (Kühlkanäle) auszubilden. Zu diesem Zweck sind in bevorzugter Ausführung der Erfindung die Lamellen der zweiten Platte mit der ersten Platte, insbesondere mit denjenigen Erhebungen, welche diese Rinnen seitlich begrenzen, durch Dichtnähte dichtend miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Lamellen der ersten Platte mit den Erhebungen der zweiten Platte durch Schweißnähte verbunden, die in besonders bevorzugter Ausgestaltung als Laserschweißnähte oder Kondensatorentladungsschweißnähte ausgebildet sind. Alternativ können die dichtenden Verbindungsnähte auch als Lötnähte oder Klebstoffnähte ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß weist die erste Platte zumindest bereichsweise eine in Querschnittsrichtung der Platte profilierte, insbesondere mäanderförmige Gestalt auf. Dabei wird unter dem Begriff „mäanderförmige Gestalt“ eine regelmäßige Wiederholung von Strukturelementen verstanden, die auf beiden Seiten der Platte zur Ausbildung von länglichen Vertiefungen (Rinnen) sowie dazwischen liegenden Erhebungen führen. Dabei entspricht eine Vertiefung/Rinne auf der einen Seite der Platte eine Erhebung auf der anderen Seite der Platte. Die Querschnittsgestalt der sich wiederholenden Strukturelemente kann in unterschiedlichen Formen ausgebildet sein, insbesondere sigmoidal (wellenförmig), trapezförmig, dreieckförmig (zick-zack-förmig) oder rechteckförmig. Dabei können die drei zuletzt genannten Formen auch in abgerundeter Weise ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist eine abgerundete trapezförmige Querschnittsgestalt der ersten Platte.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte wird bevorzugt mit einem Verfahren hergestellt, welches die Schritte umfasst:

– Bereitstellen einer ersten Platte die zumindest in einem Teilbereich eine in einer Querschnittsrichtung profilierte, insbesondere mäanderförmige Gestalt aufweist derart, dass auf beiden Seiten des Teilbereichs eine Vielzahl von Rinnen ausgebildet wird, die von Erhebungen seitlich begrenzt werden,
– Ausschneiden einer Vielzahl von Aussparungen zumindest in einem Teilbereich einer zweiten Platte, wobei die Aussparungen eine Vielzahl von zwischen diesen verlaufenden Lamellen definieren und wobei die Aussparungen und/oder Lamellen (bezüglich einer Aufsicht auf die Platte) in ihrer Gestalt und in ihrer Position im Wesentlichen zumindest einem Teil der Rinnen der ersten Platte entsprechen, und
– Fügen der ersten Platte und der zweiten Platte miteinander, wobei die Lamellen der zweiten Platte auf oder in zumindest einem Teil der Rinnen der ersten Platte der Fügeseite angeordnet werden, so dass zwischen der ersten Platte und den Lamellen der zweiten Platte geschlossene Kanäle ausgebildet werden.

Das Bereitstellen der ersten Platte umfasst insbesondere ihre Herstellung beispielsweise durch Prägen oder Tiefziehen einer im Wesentlichen ebenen Platte, um die profilierte, insbesondere mäanderförmige Gestalt zu erzeugen. Es versteht sich, dass das Bereitstellen der ersten Platte sowie das Ausschneiden der Aussparungen der zweiten Platte in beliebiger Reihenfolge erfolgen kann. Zudem kann das Ausschneiden der Aussparungen vor oder nach dem Fügen erfolgen.
Vor, während oder nach dem Fügen der ersten und der zweiten Platte miteinander erfolgt in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Abdichten der zwischen den Lamellen der zweiten Platte und den entsprechenden Rinnen der ersten Platte ausgebildeten geschlossenen Kanäle, indem die Lamellen der zweiten Platte mit der ersten Platte durch Dichtnähte dichtend miteinander verbundenen werden. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Abdichtung gleichzeitig mit dem Fügen der beiden Platten. Das heißt, die Abdichtnähte zwischen den Lamellen der zweiten Platte und der ersten Platte, insbesondere den korrespondierenden Erhebungen der ersten Platte, stellen gleichzeitig die Verbindungsstellen der beiden Platten dar. Vorzugsweise erfolgt das Fügen der beiden Platten miteinander und/oder das Abdichten der von den Lamellen abgedeckten Rinnen, das heißt das Verbinden der Lamellen der zweiten Platte mit der ersten Platte, insbesondere mit den entsprechenden Erhebungen oder Rinnen, durch Dichtnähte. Letztere können insbesondere durch Verschweißen, insbesondere Laser- oder Kondensatorentladungsschweißen, durch Verlöten oder durch Verkleben erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl gestapelter Membran-Elektroden-Einheiten umfasst sowie eine Mehrzahl von Bipolarplatten gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei jeweils eine Bipolarplatte zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Bipolarplatten dabei so ausgerichtet, dass jeweils Ihre erste Platte an die Kathodenseite einer benachbarten Membran-Elektroden-Einheit anschließt und ihre zweite Platte an die Anodenseite der anderen benachbarten Membran-Elektroden-Einheit.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzelle gemäß Stand der Technik,
2 eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
3–6 Schnittansichten von Bipolarplatten gemäß weiterer Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung,
7 einen Ausschnitt einer perspektivischen Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte,
8 ein Kondensatorentladungswerkzeug zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte und
9 eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen Ausschnitt einer Brennstoffzelle 100', genauer gesagt eines Brennstoffzellenstapels, gemäß Stand der Technik, wie er etwa im US 2005/0058864 A1 beschrieben ist. Der dargestellte Ausschnitt umfasst lediglich zwei Bipolarplatten 10', die zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Einheiten 16' angeordnet sind.
Jede Membran-Elektroden-Einheit 16' umfasst eine Polymerelektrolytmembran, die sandwichartig zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode geschichtet ist (Einzelkomponenten nicht dargestellt). In der dargestellten Orientierung sind die Kathoden der Membran-Elektroden-Einheiten 16' jeweils oben liegend und die Anoden jeweils unten liegend bezüglich der Membran angeordnet. Die Polymerelektrolytmembran kann ein an sich leitfähiges Polymer sein, beispielsweise das unter der Handelsbezeichnung Nafion bekannte Polymer, oder ein Polymer, das durch Dotierung mit einem Elektrolyten seine Protonenleitfähigkeit erhält. Ein Beispiel für die letztgenannte Ausführung stellt mit Phosphorsäure dotiertes Polybenzimidazol (PBI) dar. Die Elektroden umfassen üblicherweise ein auf Partikeln geträgertes katalytisch aktives Edelmetall. Seitlich an die Elektroden schließt jeweils eine Diffusionsschicht 18' an, welche ein poröses, gasdurchlässiges und elektrisch leitfähiges Medium ist. Die katalytischen Schichten der Elektroden können entweder direkt auf die Polymerelektrolytmembran aufgebracht sein oder auf die Gasdiffusionsschicht 18'.
Die Bipolarplatten 10' gemäß Stand der Technik weisen jeweils zwei im Querschnitt mäanderförmige Unterplatten auf, nämlich eine erste, kathodenseitige Platte 12' und eine zweite, anodenseitige Platte 14'. Jede der Platten 12' und 14' weist eine Vielzahl regelmäßig sich wiederholender Erhebungen (Wellenberge) und Vertiefungen (Wellentäler) auf, die auf beiden Seiten der Platten 12’, 14’ regelmäßige Vertiefungen (Rinnen) ausbilden, welche seitlich durch dazwischen liegende Erhebungen begrenzt werden. Durch die Verschachtelung der beiden Platten 12' und 14' miteinander werden geschlossene Kanäle 20 ausgebildet, welche in der Brennstoffzelle 100’ als Kühlmittelkanäle dienen. Hingegen sind die kathodenseitigen Rinnen der ersten Platte 12' (im unverbauten Zustand der Bipolarplatte 10’) offen ausgebildet und dienen in der Brennstoffzelle 100’ als Kanäle 22’ zur Versorgung der Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 16' mit Sauerstoff. Auch die auf der zweiten Platte 14' anodenseitig vorhandenen Rinnen 24’ sind offen ausgebildet und dienen im zusammengebauten Zustand der Anodengasversorgung der Anode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 16' mit Brennstoff.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 100' wird ein Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ über einen entsprechenden Anschluss an die Bipolarplatten 10' durch die auf der Anodenseite der zweiten Platte 14' ausgebildeten Brennstoffkanäle 24' geleitet. Der Wasserstoff diffundiert durch die Diffusionsschicht 18' und gelangt somit an die Anode, wo der Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert wird. Die Protonen H⁺ werden über die Membran der Membran-Elektroden-Einheit 16' auf die Kathodenseite derselben geleitet. Gleichzeitig wird der Kathode über die auf der Kathodenseite der ersten Platte 12' ausgebildeten Kanäle 22' Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, insbesondere Luft, zugeführt. Der Sauerstoff reagiert mit dem über die Membran zugeführten Protonen unter Aufnahme der über eine externe elektrische Anbindung zugeführten Elektronen zu Wasser, welches über die Kanäle 22' abgeführt wird. Die geschlossenen Kanäle 24', welche zwischen den beiden mäanderförmigen Platten 12' und 14' ausgebildet werden, dienen als Kühlmittelkanäle, um mittels eines hierin geführten Kühlmittels, insbesondere Wasser, die durch die Brennstoffzellenreaktion freigesetzte Wärme abzuführen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 100, wobei auch hier lediglich ein, zwei Bipolarplatten 10 sowie zwei Membran-Elektroden-Einheiten 16 umfassender Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels dargestellt ist. Selbstverständlich kann die Brennstoffzelle 100 eine wesentlich größere Anzahl an Membran-Elektroden-Einheiten 16 und Bipolarplatten 10 umfassen. Übereinstimmende Elemente sind mit korrespondierenden Bezugszeichen wie in 1 (unter Weglassung des Apostrophs) bezeichnet. Sofern nicht anders angegeben, entspricht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 100 der gemäß 1.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 weist eine erste Platte 12 auf, die zumindest in dem dargestellten Teilbereich der Bipolarplatte 10 eine im Querschnitt dieser Ansicht mäanderförmige Gestalt aufweist. Diese ist so ausgeführt, dass auf beiden Seiten der ersten Platte 12, nämlich ihrer Fügeseite 26 sowie der von der Fügeseite abgewandten Seite 28, Rinnen (Vertiefungen) 30 sowie diese seitlich begrenzende wallartige Erhebungen 32 ausgebildet werden. Aus 2 ist ersichtlich, dass jede Rinne 30 auf der Fügeseite 26 der ersten Platte 12 zu einer korrespondierenden Erhebung 32 auf der von der Fügeseite abgewandten Seite 28 führt und umgekehrt.
Auf der Fügeseite 26 der ersten Platte 12 ist eine zweite, im Wesentlichen ebene Platte 14 angeordnet, die in dem dargestellten Teilbereich eine Vielzahl von Aussparungen 34 aufweist, welche eine Vielzahl von seitlich zwischen den Aussparungen 34 verlaufenden Lamellen 36 definieren. Dabei entsprechen die Aussparungen 34 in ihrer Gestalt – bezüglich einer Draufsicht auf die Hauptfläche der zweiten Platte 14 – im Wesentlichen den Rinnen 30 auf der Fügeseite 26 der ersten Platte 12. Zudem sind die Aussparungen 34 der zweiten Platte 14 so angeordnet, dass sie im Gefüge mit der ersten Platte 12 einen Teil ihrer Rinnen 30 abdecken. Entsprechendes gilt für die Lamellen 36 der zweiten Platte 14, welche dichtend auf dem anderen Teil der Rinnen 30 der Fügeseite 26 der ersten Platte 12 angeordnet sind. Insbesondere sind die Lamellen 36 derart auf diesem Teil der Rinnen 30 angeordnet, dass diese Rinnen geschlossene Kanäle 20 ausbilden. Zu diesem Zweck sind die Lamellen 36 der zweiten Platte 14 mit den, die entsprechenden Rinnen 30 begrenzenden Erhebungen 32 der ersten Platte 12 dichtend verbunden, wobei mit 38 Dichtnähte angedeutet sind. Die Dichtnähte 38 verlaufen seitlich entlang der geschlossenen Kanäle 20. Diejenigen Rinnen 30 der Fügeseite 26 der ersten Platte 12, welche nicht von den Lamellen 36 der zweiten Platte 14 abgedeckt sind, bleiben im unverbauten Zustand der Bipolarplatte 10 weiterhin als offene Kanäle 24 erhalten. Im dargestellten Beispiel ist jede zweite fügeseitige Rinne 30 der ersten Platte 12 durch eine Lamelle 36 der zweiten Platte 14 verschlossen, so dass diese Rinnen geschlossene Kanäle 20 ausbilden. Diese dienen als Kühlmittelkanäle der Brennstoffzelle 100. Dementsprechend ist die andere Hälfte der Rinnen 30 aufgrund der darüber liegenden Aussparungen 34 als offene Kanäle 24 ausgebildet. Es versteht sich jedoch, dass in Abweichung zu dieser Darstellung auch ein anderes Verhältnis der offenen Kanäle 24 zu den geschlossenen Kanäle 20 realisiert sein kann, zum Beispiel 1:2 oder 2:1.
Hingegen sind sämtliche Rinnen 30 der ersten Platte 12, welche auf der von der Fügeseite 26 abgewandten Seite 28 ausgebildet werden, als offene Kanäle 22 gestaltet.
Die Platten 12 und 14 der Bipolarplatte 10 sind aus einem elektrisch leitfähigen, möglichst korrosionsbeständigem Material gefertigt, insbesondere aus einem Metall, vorzugsweise einem Edelstahl.
Aus dem Vergleich der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 gemäß 2 mit der Bipolarplatte 10' aus 1 gemäß Stand der Technik ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 sich im Wesentlichen durch das Fehlen der doppelwandigen Ausführung der offenen Kanäle 24' auszeichnet. Hierdurch wird einerseits eine signifikante Gewichtsreduzierung der Bipolarplatte 10 und somit der Brennstoffzelle 100 erzielt. Die Gewichtsreduzierung ist insbesondere insofern beachtlich, als die Bipolarplatte 10 aufgrund ihres Materials in der Regel das Hauptgewicht der Brennstoffzelle 100 ausmacht.
Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Ausführung der zweiten Platte 14 und dem Fehlen der doppelwandigen Gestaltung der Kanäle 24 eine deutliche Vergrößerung der durch die offenen Rinnen ausgebildeten Strömungskanäle 24 erzielt, welche in der Brennstoffzelle vorzugsweise als Anodenkanäle zur Zuleitung des Brennstoffs dienen.
Die Mäanderform der ersten Platte 12 der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 kann unterschiedlichste Ausführungen aufweisen. Die 3 bis 6 zeigen Beispiele für erfindungsgemäße Bipolarplatten 10, die sich in der Ausgestaltung der ersten Platte 12 unterscheiden. So weist die Platte 12 gemäß 3 eine im Wesentlichen sigmoidalförmig (wellenförmig) verlaufende Querschnittsgestalt auf. Die erste Platte 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 4 weist in ihrem aktiven Teilabschnitt hingegen einen trapezförmigen Querschnittsverlauf auf. Die Querschnittsgestaltungen der in den 5 und 6 gezeigten ersten Platten 12 der jeweiligen Bipolarplatten 10 entsprechen hingegen einem Dreiecksverlauf beziehungsweise einem Rechtecksverlauf. Die trapezförmige, dreiecksförmige und rechtecksförmige Gestalt gemäß den 4 bis 6 kann auch in abgerundeter Form realisiert sein. Beispielsweise entspricht die bevorzugte Ausführung gemäß 2 einer abgerundeten Trapezform.
Abweichend von den in den 2 bis 6 gezeigten Gestaltungen der ersten Platte 12 können die Rinnen und Erhebungen auch voneinander abweichende Breiten aufweisen. Beispielsweise können die auf der von der Fügeseite 26 abgewandten Seite 28 der ersten Platte 12 vorhandenen Vertiefungen 30 eine größere Breite als die Erhebungen 32 dieser Seite aufwiesen beziehungsweise eine größere Breite als die Vertiefungen 30 auf der Fügeseite 26 oder umgekehrt. In diesem Fall resultieren offene Kanäle 22, welche eine größere Breite als die offenen Kanäle 24 aufweisen, oder umgekehrt.
7 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 und zwar auf die zweite Platte 14. Insbesondere in dem vergrößerten Ausschnitt ist zu erkennen, dass die zweite Platte 14 in dem aktiven Teilbereich 40 eine Vielzahl von Aussparungen 34 aufweist, welche die zwischen den Aussparungen 34 verlaufenden Lamellen 36 definieren und begrenzen. Von der ersten Platte 12 sind hier lediglich die unterhalb der Aussparungen 34 liegenden offenen Kanäle 24 zu sehen, welche durch entsprechende Rinnen 30 der ersten Platte 12 ausgebildet werden. Die von den Lamellen 36 verschlossenen Kanäle 20 sind hier naturgemäß nicht sichtbar.
In dem in 7 dargestellten Beispiel weisen sowohl die Rinnen 30 der ersten Platte 12 als auch die Aussparungen 34 und Lamellen 36 der zweiten Platte 14 jeweils einen mäandernden oder wellenförmigen Längsverlauf auf. Hierdurch wird eine verbesserte Homogenisierung der durchströmenden Prozessgase bewirkt.
Der aktive Teilbereich 40 der Bipolarplatte 10, in welchem die erste Platte 12 eine mäanderförmige Gestalt aufweist und in welcher die zweite Platte 14 die Aussparungen 34 und Lamellen 36 aufweist, ist von einem nicht aktiven Randbereich 42 umgeben. In dem in 7 oben dargestellten Randbereich 42 weist die Bipolarplatte 10 Aussparungen 44 auf, welche in an sich bekannter Weise den gemeinsamen Versorgungsanschlüssen für die Anoden und Kathodenprozessgase beziehungsweise das Kühlmittel dienen, ehe diese in die entsprechenden Kanäle 24, 22 beziehungsweise 20 geführt werden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 wird vorzugsweise nach folgendem Herstellungsverfahren hergestellt.
Zunächst werden die erste Platte 12 sowie die zweite Platte 14 getrennt voneinander hergestellt. Hierfür werden entsprechende ebene Metallplatten zugeschnitten und mit den Versorgungsaussparungen 44 versehen.
Zur Herstellung der ersten Platte 12, wird die zugeschnittene Platte einem geeigneten Prozess zur Erzeugung der Vertiefungen 30 und Erhebungen 32 unterzogen. Dies kann beispielsweise durch ein Präge- oder Tiefziehverfahren erfolgen.
Zur Herstellung der zweiten Platte 14 wird die zugeschnittene Platte einem geeigneten Prozess unterzogen, um die Aussparungen 34 zu erzeugen. Dies kann etwa durch Ausschneiden der Aussparungen 34 mittels eines Lasers erfolgen oder durch Ausstanzen mittels eines geeigneten Stanzwerkzeugs.
Anschließend werden die erste Platte 12 und die zweite Platte 14 miteinander verfügt. Hierzu werden die Platten gemäß ihrem im Wesentlichen deckungsgleichen Zuschnitts aufeinander gelegt, wobei die Lamellen 36 der zweiten Platte 14 auf denjenigen Rinnen 30 der Fügeseite 26 der ersten Platte 12 angeordnet werden, welche später die geschlossenen Kühlmittelkanäle 20 ausbilden sollen. Anschließend erfolgt das Verbinden der beiden Platten 12 und 14 miteinander, wobei die Lamellen 36 der zweiten Platte 14 mit den entsprechenden Erhebungen 32 auf der Fügeseite 26 der ersten Platte 12 abdichtend durch Dichtnähte 38 miteinander verbunden werden. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der entsprechenden Dichtnähte 38 durch ein geeignetes Schweißverfahren. Beispielsweise kann hier Laserschweißen eingesetzt werden, bei dem ein geeigneter Laser das Bauteil entlang der zu verschweißenden Linie abfährt und das Metall der beiden Platten 12 und 14 lokal aufschmilzt. Alternativ kann die Verbindung der beiden Platten 12 und 14 und insbesondere die Verbindung der Lamellen 36 mit den Erhebungen 32 durch ein Widerstandsschweißverfahren erfolgen, vorzugsweise mit einem Kondensatorentladungsschweißverfahren. Dieses wird schematisch anhand von 8 erläutert.
8 zeigt ein Ausschnitt eines Werkzeugs 46 zum Kondensatorentladungsschweißen. Das Werkzeug 46 weist eine Vielzahl von oberen und unteren Kondensatorplatten 48 auf, welche eine Form entsprechend dem Längsverlauf der zu erzeugenden Dichtnähte (Schweißnähte) 38 aufweisen. Die oberen und unteren Kondensatorplatten 48 werden dann mit einander entgegengesetzter Ladung aufgeladen. Sobald der Kontakt zwischen den Kondensatorplatten 48 über die zu verschweißenden Platten 12 und 14 hergestellt ist, kommt es zu einer schlagartigen Entladung entlang der durch die Platten 48 definierten Linien und einer lokalen Aufschmelzung der Platten 12 und 14. Nach Abkühlung und Erstarrung bildet sich auf diese Weise eine Schweißnaht (Dichtnaht 38). Das Kondensatorentladungsschweißen hat den Vorteil, dass die Gesamtheit aller Schweißnähte 38 gleichzeitig und somit sehr schnell erzeugt werden kann.
9 zeigt eine Brennstoffzelle 100 mit einer Bipolarplatte 10 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wobei für korrespondierende Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in den übrigen Figuren verwendet werden. Nachfolgend werden nur die relevanten Unterschiede zu den vorstehend beschriebenen Ausführungen erläutert. Darüber hinaus gelten die für die vorstehenden Ausgestaltungen gemachten Erläuterungen.
Gemäß der in 9 dargestellten Ausgestaltung der Bipolarplatte 10 sind die Lamellen 36 der zweiten Platte 14 nicht eben ausgebildet, sondern weisen im Querschnitt ein Profil ähnlich den Erhebungen 32 der ersten Platte 12 auf. In dieser Ausgestaltung sind die Lamellen 36 der zweiten Platte 14 innerhalb zumindest eines Teils der Rinnen 30 auf der Fügeseite 26 der ersten Platte so angeordnet, dass zwischen den Lamellen 36 und den korrespondierenden Rinnen 30 geschlossene Kanäle 20 (Kühlmittelkanäle) ausgebildet werden. Dementsprechend sind hier die Lamellen 36 vorzugsweise nicht mit den Erhebungen 32 der ersten Platte 12, sondern mit den Rinnen 30, insbesondere mit ihren Böden, über die Dichtnähte 38 verbunden. Insbesondere ist in sämtlichen fügeseitigen Rinnen 30 der ersten Platte 12 jeweils eine Lamelle 36 der zweiten Platte 14 angeordnet. Wie dargestellt weist in dieser Ausgestaltung die erste Platte 12 vorzugsweise eine Profilierung auf, bei der die Rinnen 30, in welchen die Lamellen 36 der zweiten Platte angeordnet sind, breiter sind als die Erhebungen 32 auf ihrer Fügeseite 26.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzelle
10: Bipolarplatte
12: erste Platte
14: zweite Platte
16: Membran-Elektroden-Einheit
18: Diffusionsschicht
20: geschlossener Kanal (Kühlmittelkanal)
22: Rinne (offener Kathodenkanal)
24: Rinne (offener Anodenkanal)
26: Fügeseite
28: von Fügeseite abgewandte Seite
30: Rinne
32: Erhebung
34: Aussparung
36: Lamelle
38: Dichtnaht / Schweißnaht
40: aktiver Teilbereich
42: Randbereich
44: Aussparungen
46: Werkzeug zum Kondensatorentladungsschweißen
48: Kondensatorplatten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0058864 A1 [0005, 0010, 0033]
US 6974648 B2 [0005]
US 2006/0029840 A1 [0005]
US 7601452 B2 [0005]
DE 102004058117 A1 [0006]

Claims

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend – eine erste Platte (12), die zumindest in einem Teilbereich (40) eine in einer Querschnittsrichtung der Platte (12) profilierte Gestalt aufweist derart, dass auf beiden Seiten (26, 28) des Teilbereichs (40) eine Vielzahl von Rinnen (30) ausgebildet wird und die Rinnen (30) von Erhebungen (32) seitlich begrenzt werden, sowie – eine auf einer Fügeseite (26) der ersten Platte (12) angeordnete, zweite Platte (14), die zumindest in einem Teilbereich (40) eine Vielzahl von Aussparungen (34) aufweist, welche eine Vielzahl von seitlich zwischen den Aussparungen (34) verlaufenden Lamellen (36) definieren, wobei die Lamellen (36) dichtend auf oder in zumindest einem Teil der Rinnen (30) der Fügeseite (26) der ersten Platte (12) derart angeordnet sind, dass zwischen der ersten Platte (12) und den Lamellen (36) der zweiten Platte (14) geschlossene Kanäle (20) ausgebildet werden.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, wobei die Aussparungen (34) der zweiten Platte (14) bezüglich einer Aufsicht auf die Platte in ihrer Gestalt und in ihrer Position im Wesentlichen einer ersten Teilanzahl der Rinnen (30) der Fügeseite (26) der ersten Platte (12) entsprechen und wobei die Lamellen (36) dichtend in oder auf einer zweiten Teilanzahl der Rinnen (30) der ersten Platte (12) derart angeordnet sind, dass diese Rinnen (30) geschlossene Kanäle (20) ausbilden.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 2, wobei die Lamellen (36) der zweiten Platte (14) in oder auf jeder zweiten Rinne (30) der ersten Platte (12) angeordnet sind.
Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die zweite Platte (14) eine im Wesentlichen ebene Gestalt aufweist.
Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (36) der zweiten Platte (14) in gleichmäßigen Abständen und parallel zueinander angeordnet sind.
Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rinnen (30) der ersten Platte (12) in Aufsicht auf ihre Fügeseite (26) sowie die Lamellen (36) der zweiten Platte (14) jeweils eine mäanderförmige Gestalt aufweisen.
Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (36) der zweiten Platte (14) mit der ersten Platte (12), insbesondere mit Erhebungen (32) von dieser, durch Dichtnähte (38), durch Lötnähte oder durch Klebstoffnähte, dichtend miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: – Bereitstellen einer ersten Platte (12) die zumindest in einem Teilbereich (40) eine in einer Querschnittsrichtung profilierte Gestalt aufweist derart, dass auf beiden Seiten (26, 28) des Teilbereichs (40) eine Vielzahl von Rinnen (30) ausgebildet wird und die Rinnen (30) von Erhebungen (32) seitlich begrenzt werden, – Ausschneiden einer Vielzahl von Aussparungen (34) zumindest in einem Teilbereich (40) einer zweiten Platte (14), wobei die Aussparungen (34) eine Vielzahl von zwischen diesen verlaufenden Lamellen (36) definieren und wobei die Aussparungen (34) und/oder Lamellen (36) in ihrer Gestalt und in ihrer Position im Wesentlichen zumindest einem Teil der Rinnen (30) der ersten Platte (12) entsprechen, und – Fügen der ersten Platte (12) und der zweiten Platte (14) miteinander, wobei die Lamellen (36) der zweiten Platte (14) auf oder in zumindest einem Teil der Rinnen (30) der Fügeseite (26) der ersten Platte (12) angeordnet werden, so dass zwischen der ersten Platte (12) und den Lamellen (36) der zweiten Platte (14) geschlossene Kanäle (20) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor oder nach dem Fügen der ersten und der zweiten Platte (12, 14) miteinander oder im selben Schritt die Lamellen (36) der zweiten Platte (14) mit der ersten Platte (12) durch Dichtnähte (38) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Fügen der ersten und der zweiten Platte (12, 14) miteinander und/oder das Verbinden der Lamellen (36) mit der ersten Platte (12) durch Schweißen, insbesondere Laser- oder Kondensatorentladungsschweißen, durch Löten oder durch Kleben erfolgt.
Brennstoffzelle (100) umfassend – eine Mehrzahl gestapelter Membran-Elektroden-Einheiten (16) und – eine Mehrzahl von Bipolarplatten (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweils eine Bipolarplatte (10) zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten (16) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 11, wobei die Bipolarplatten (10) jeweils mit ihrer ersten Platte (12) an die Kathodenseite der Membran-Elektroden-Einheiten (16) anschließen und mit ihrer zweiten Platte (14) an die Anodenseite.