EP4388603A1 - Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte - Google Patents

Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte

Info

Publication number
EP4388603A1
EP4388603A1 EP22746952.5A EP22746952A EP4388603A1 EP 4388603 A1 EP4388603 A1 EP 4388603A1 EP 22746952 A EP22746952 A EP 22746952A EP 4388603 A1 EP4388603 A1 EP 4388603A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
media
bipolar plate
plates
sheets
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22746952.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Zwahr
Thomas Sponsel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4388603A1 publication Critical patent/EP4388603A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell made up of two embossed half sheets. Furthermore, the invention relates to a method for producing a bipolar plate.
  • bipolar plates for fuel cells are known, for example, from the documents DE 10 2017 130 489 A1 and WO 2018/141319 A1.
  • the known bipolar plates comprise a first corrugated plate with a hole pattern and a second plate which is sealingly arranged on the corrugated plate.
  • the hole pattern of the first plate is intended for the passage of a gas essentially transverse to the corrugation.
  • the bipolar plates thus provided are optimized in particular with regard to flow distribution.
  • bipolar plate for an electrochemical system is known, for example, from DE 20 2016 107 302 U1.
  • the well-known bipolar plate is made up of half sheets, which are referred to as separator plates.
  • the separator plates have through-openings for the passage of a medium.
  • a distribution or collection area of the separator plates is provided with a plurality of lands forming channels which are in fluid communication with the through-opening.
  • the separator plates form a flow field that is in fluid communication with the through-opening via the distribution or collection area and has conducting structures for conducting a medium through the flow field.
  • there is a continuous, depressed transition area that is located between the distribution or collection area and the flow field.
  • DE 10 2017 118 319 A1 discloses a coating for a bipolar plate that can be used in a fuel cell or in an electrolyzer.
  • the proposed coating is a homogeneous or heterogeneous solid metallic solution containing a noble metal and a non-metallic chemical element.
  • the invention is based on the object of further developing bipolar plates for fuel cells in relation to the stated prior art from the point of view of flow technology and production technology.
  • this object is achieved by a bipolar plate having the features of claim 1 .
  • the object is also achieved by a method for producing a bipolar plate according to claim 7.
  • Embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the production method also apply to the device, ie the bipolar plate, and vice versa.
  • the bipolar plate is made up of two embossed half-sheets lying one on top of the other with a rectangular, elongated basic shape, with coolant ports and media ports placed on the long sides of the half-sheets being formed by the half-sheets.
  • coolant ports and media ports placed on the long sides of the half-sheets being formed by the half-sheets.
  • distributor fields which are also formed by the half-plates and are intended for coolant and media distribution, as well as active fields arranged on both sides of the bipolar plate.
  • Embossings of the half-sheets are formed within the distributor fields in such a way that increasing free flow cross-sections for the media, which flow from the relevant port in the direction of the opposite longitudinal side of the bipolar plate ordered, flow provided for the passage of another medium of the fuel cell port, are given. Due to the targeted widening of flow cross-sections that this gives, a particularly uniform flow of media through the fuel cell, that is to say an oxygen-containing gas, in particular air, and another gas containing hydrogen, can be achieved.
  • the increasing flow cross-sections are realized in particular by a height of coolant channels formed between the half-plates that decreases in the transverse direction of the half-plates.
  • the flow cross sections can be varied by different base areas of embossed elements that direct the flow. If there are different embossing depths, the height of a peripheral channel that is fluidically connected to a media port and that is furthest away is, for example, at least 15% greater than the height of the closest media channel that is arranged in the distribution panel and is supplied by the named port.
  • the edge channel there is a fluid connection between the edge channel and a bypass running parallel next to the active field.
  • the bypass does not contribute to the generation of electrical power.
  • the flow through the bypass which is favored by the cross-sectional enlargement of the edge channel, is nevertheless accepted, since the particularly low-resistance supply of the edge channel with flowing medium is advantageous in terms of uniform utilization of the active field.
  • the patch panel does not necessarily have the same structure over its entire area.
  • the distributor panel includes a transverse distributor area connected to the ports and a longitudinal distributor area arranged between this area and the active panel.
  • transverse distribution area and longitudinal distribution area are intended to express that the medium, that is typically gas, is distributed in the relevant areas mainly in the transverse direction or in the longitudinal direction of the overall elongated bipolar plate.
  • the cross-distributor area can, for example, be in the form of a nub field and can thus be characterized by a particularly good mixing effect.
  • the knob field can be designed in such a way that it can be flowed through with particularly low resistance in the transverse direction of the half sheets and thus the entire bipolar plate.
  • the transverse direction can accordingly represent the preferred direction of at least one section of the patch panel.
  • the longitudinal distribution area describes, for example, a grooved structure with essentially straight grooves running in the longitudinal direction of the bipolar plate and optionally fanning out toward the active field, through which individual channels are formed.
  • the bipolar plate can be produced by embossing two half-sheets in such a way that each half-sheet has non-uniform embossing depths over its width and the two half-sheets are connected lying one on top of the other to form a bipolar plate which has coolant channels of non-uniform height between the half-sheets.
  • the main flow direction of the coolant during operation of the bipolar plate corresponds to the longitudinal direction of the half-sheets, with the two outer surfaces of the half-sheets facing away from the coolant channels delimiting media channels, which also have a non-uniform height corresponding to the non-uniform embossing depth of the half-sheets and are used to conduct media both in the main flow direction and are also formed in the transverse direction.
  • a media flow cross section expands continuously or discontinuously in the transverse direction, starting from a port which is formed by openings made in the half-plates.
  • the two half-sheets which are typically not completely mirror-symmetrical to one another, are placed one on top of the other in such a way that a flow channel for a first medium flowing with a flow component, i.e. movement component, in the first transverse direction is formed on an outer surface of the first half-sheet
  • a flow channel for a second medium flowing with a flow component, in particular the main flow direction, in the opposite transverse direction is formed on the opposite outer surface of the second half-sheet and the flow channels running opposite to one another channels have a height which increases towards the beginning of the other flow channel.
  • Fig. 1 a detail of a bipolar plate of a fuel cell in plan view
  • FIG. 2 shows a detail of the bipolar plate according to FIG. 1 and further fuel cell components in a sectional view
  • a bipolar plate identified overall by the reference number 1 is part of a fuel cell stack 10, also referred to as a stack, which comprises a multiplicity of fuel cells 11 of the same type.
  • each bipolar plate 1 is to be attributed to two fuel cells 11 .
  • the basic function of the fuel cell stack 10 reference is made to the prior art cited at the outset.
  • the bipolar plate 1 is made up of two half-sheets 2, 3, each of which has an embossed structure 4. Overall, the bipolar plate 1 has the shape of an elongated rectangle, the longitudinal direction of which is indicated by LR and the transverse direction by QR. A central plane, on which the two half-sheets 2, 3 lie one on top of the other, is denoted by ME. In typical applications in the bipolar plate 1 aligned vertically.
  • the bipolar plate 1 has various ports 5, 6, 7, namely coolant ports 5 and media ports 6, 7, in a basic concept known per se. In the present cases, the coolant port 5 borders on a narrow side of the bipolar plate 1, whereas the media ports 6, 7 arranged next to the coolant port 5, through which substances that are required to operate the stack 10, i.e.
  • the ports 5, 6, 7 visible in FIG. 1 serve to introduce cooling water or media. In addition, there are three more ports for discharging the cooling water or the media. In the present case, one speaks of gaseous media, even if some liquid substances flow through the ports 6, 7.
  • the various ports 5, 6, 7 are adjoined by a distributor field 8, which merges into an active field 9 in the direction of flow SR of the media, in which the desired electrochemical reactions take place.
  • a membrane arrangement in the active field 9 which is denoted overall by 12 and which comprises a catalytically coated membrane 13 (CCM) and a gas diffusion layer 14 .
  • the membrane arrangement 12 is also associated with a frame 15, which is also referred to as a subgasket.
  • a seal which seals the frame 15 against the bipolar plate 1 is denoted by 16 .
  • the embossing structures 4 of the half-sheets 2, 3 are largely mirror images of each other and include embossing elements 19 with a normal embossing depth Tn, as well as embossing elements 18 with a reduced embossing depth T r and embossing elements 19 with an increased embossing depth Th.
  • embossing elements 17, 18, 19 of the first half-sheet 2 and The embossing elements 17, 18, 19 of the second sheet metal half 3 coolant channels 21 are formed.
  • flow channels 22, 23 for the flow of the various media, in particular oxygen and hydrogen are formed on the outer sides of the half-plates 2, 3, ie on the surfaces of the half-plates 2, 3 facing away from the coolant channels 21.
  • the different embossing depths Tr, Tn, Th have a direct effect on the channel heights Kn, Kh of the media channels 22, 23, where Kn stands for a normal channel height and Kh for a channel height that is increased in comparison thereto.
  • the channel heights Kn, Kh that can be used during operation of the fuel cell 11 also depend on the geometry of the membrane arrangement 12, with a minimum thickness of the membrane arrangement 12 being denoted by Dmin and a maximum thickness of the membrane arrangement 12 being denoted by Dmax in FIG is.
  • the distributor field 8 is composed of two differently structured areas 25, 26, namely a transverse distribution area 25 and a longitudinal distribution area 26.
  • the gas flow generally designated GS has a substantial or main movement component in the transverse direction QR, whereas in the longitudinal distribution area 26 the gas flows essentially in the longitudinal direction LR.
  • the embossed structure 4 in the transverse distribution area 25 is in the form of a nub embossing 20 .
  • the embossed structure 4 has a groove shape, with the grooves formed by the embossed structure 4 expanding in a fan shape in the direction of the active field 9 .
  • the embossed structure 4 in the distributor field 8 is designed in all exemplary embodiments in such a way that gas flows GS from one media port 6, 7 to the opposite media port 7, 6, i.e. mainly in the transverse direction QR, are facilitated in a targeted manner in comparison to conventional structured plates of electrochemical systems.
  • the gas flows mainly from left to right.
  • the channel heights Kn, Kh increase significantly from left to right, ie in the flow direction SR, up to close to the seal 16.
  • an edge channel 27 is formed, which runs close to the media port 6 and is therefore particularly far away from the media port 7, into which the flowing medium is introduced.
  • edge channel 27 From the edge channel 27 there is an open connection to a bypass 24 which bypasses the active field 9 .
  • the gas flowing through the bypass 24 does not contribute to the generation of electrical energy. This is accepted in all cases.
  • the main advantage of the facilitated gas flow through the edge channel 27 lies in the optimized media supply in the edge areas of the active field 9.
  • FIG. Thin arrows represent a gas flow GS with a high flow resistance and thicker arrows a gas flow GS with a low flow resistance.
  • FIG. The expanded flow cross section of the edge channel 27, which is in the area of the thickest arrow in FIG. As a result, the gas flow through the active field 9 is made more uniform over its entire width.
  • the flow resistance in the edge channel 27, which adjoins the sub-field 28 and at the same time runs parallel to an edge of the media port 7, is reduced again.
  • gas with a low pressure drop from the media port 6 reaches that edge of the active field 9 which is furthest away from the media port 6 .
  • the sub-fields 29, 30, 31 are designed by means of the embossed structure 4 in such a way that there is an increasing flow resistance in the order mentioned, ie from the sub-field 29 to the sub-field 31. Continuous transitions between the sub-fields 29, 30, 31 are also possible.
  • the highest pressure loss, based on the length to be flowed through, is in the area of sub-field 31.
  • the patch panel 8 has a structure made up of various embossed elements 17, 18, 19, which is not shown in detail here.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Eine Bipolarplatte (1 ) umfasst zwei aufeinander liegende geprägte Halbbleche (2, 3) mit rechteckiger, länglicher Grundform, wobei durch die Halbbleche (2, 3) Kühlmittelports (5) sowie an den Längsseiten der Halbbleche (2, 3) platzierte Medienports (6, 7), neben den Ports (5, 6, 7) angeordnete, zur Kühlmittel- und Medienverteilung vorgesehene Verteilerfelder (8), sowie Aktivfelder (9) gebildet sind, und wobei Prägestrukturen (4) innerhalb der Verteilerfelder (8) derart ausgebildet sind, dass zunehmende freie Strömungsquerschnitte für die Medien, welche vom betreffenden Port (6, 7) in Richtung zum an der gegenüberliegenden Längsseite angeordneten Port (7, 6) strömen, gegeben sind.

Description

Bipolarplatte und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
Die Erfindung betrifft eine aus zwei geprägten Halbblechen aufgebaute Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte.
Verschiedene Bipolarplatten für Brennstoffzellen sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 10 2017 130 489 A1 und WO 2018/141319 A1 bekannt. Die bekannten Bipolarplatten umfassen eine erste, gewellte Platte mit einem Lochmuster sowie eine zweite Platte, die an der gewellten Platte abdichtend angeordnet ist. Das Lochmuster der ersten Platte ist zur Durchführung eines Gases im Wesentlichen quer zur Wellenform vorgesehen. Die damit bereitgestellten Bipolarplatten sind insbesondere hinsichtlich Strömungsverteilung optimiert.
Eine weitere Bipolarplatte für ein elektrochemisches System ist beispielsweise aus der DE 20 2016 107 302 U1 bekannt. Die bekannte Bipolarplatte ist aus Halbblechen aufgebaut, welche als Separatorplatten bezeichnet werden. Die Separatorplatten weisen Durchgangsöffnungen zum Durchleiten eines Mediums auf. Ein Verteil- oder Sammelbereich der Separatorplatten ist mit einer Vielzahl von Stegen versehen, durch die Kanäle gebildet sind, welche in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung sind. Ferner ist durch die Separatorplatten ein Strömungsfeld gebildet, dass über den Verteiloder Sammelbereich in Fluidverbindung mit der Durchgangsöffnung ist und Leitstrukturen zum Leiten eines Mediums durch das Strömungsfeld aufweist. Darüber hinaus existiert ein zusammenhängender, abgesenkter Übergangsbereich, der zwischen dem Verteil- oder Sammelbereich und dem Strömungsfeld angeordnet ist. Strömungsleitende Strukturen innerhalb des Übergangsbereiches weisen bei der Vorrichtung nach der DE 20 2016 107 302 U1 eine Höhe auf, die geringer als die Höhe von Strukturen im Strömungsfeld ist, wobei die Höhe jeweils senkrecht zur Planflächenebene der Separatorplatte zu messen ist. Aus der EP 3 529 842 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Im Rahmen dieses Verfahrens wird eine Matenalmischung verwendet, die Kohlenstoffpulver als Hauptbestandteil und zusätzlich verschiedene Kunststoffbestandteile enthält.
Die DE 10 2017 118 319 A1 offenbart eine Beschichtung für eine Bipolarplatte, welche in einer Brennstoffzelle oder in einem Elektrolyseur zum Einsatz kommen kann. Bei der vorgeschlagenen Beschichtung handelt es sich um eine homogene oder heterogene feste metallische Lösung, welche ein Edelmetall sowie ein nichtmetallisches chemisches Element enthält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bipolarplatten für Brennstoffzellen gegenüber dem genannten Stand der Technik unter strömungstechnischen sowie fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Bipolarplatte, und umgekehrt.
Die Bipolarplatte ist aus zwei aufeinander liegenden geprägten Halbblechen mit rechteckiger, länglicher Grundform aufgebaut, wobei durch die Halbbleche Kühlmittel- sowie an den Längsseiten der Halbbleche platzierte Medienports gebildet sind. Neben den Ports befinden sich ebenfalls durch die Halbbleche gebildete, zur Kühlmittel- und Medienverteilung vorgesehene Verteilerfelder, sowie auf beiden Seiten der Bipolarplatte angeordnete Aktivfelder.
Innerhalb der Verteilerfelder sind Prägungen der Halbbleche derart ausgebildet, dass zunehmende freie Strömungsquerschnitte für die Medien, welche vom betreffenden Port in Richtung zum an der gegenüberliegenden Längsseite der Bipolarplatte ange- ordneten, für die Durchleitung eines anderes Mediums der Brennstoffzelle vorgesehenen Port strömen, gegeben sind. Durch die damit gegebene gezielte Aufweitung von Strömungsquerschnitte ist eine besonders gleichmäßige Durchströmung der Brennstoffzelle mit Medien, das heißt einem sauerstoffhaltigen Gas, insbesondere Luft, und einem weiteren, Wasserstoff enthaltenden Gas erzielbar.
Die zunehmenden Strömungsquerschnitte sind insbesondere durch eine in Querrichtung der Halbbleche abnehmende Höhe von zwischen den Halbblechen gebildeten Kühlmittelkanälen realisiert. Ergänzend oder alternativ ist die Variation der Strömungsquerschnitte durch unterschiedliche Grundflächen von Prägeelementen, welche Strömung leiten, erreichbar. Sofern unterschiedliche Prägetiefen gegeben sind, ist die Höhe eines mit einem Medienport fluidtechnisch verbundenen, am weitesten entfernten Randkanals beispielsweise mindestens 15% größer als die Höhe des nächstgelegenen, im Verteilerfeld angeordneten, vom genannten Port versorgten Medienkanals.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen ist eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Randkanal und einem parallel neben dem Aktivfeld verlaufenden Bypass gegeben. Der Bypass trägt nicht zur Erzeugung elektrischer Leistung bei. Die Strömung durch den Bypass, welche durch die Querschnittsvergrößerung des Randkanals begünstigt ist, wird dennoch in Kauf genommen, da die besonders widerstandsarme Versorgung des Randkanals mit strömendem Medium im Sinne einer gleichförmigen Ausnutzung des Aktivfeldes von Vorteil ist.
Das Verteilerfeld weist nicht notwendigerweise eine über seine gesamte Fläche gleichartige Strukturierung auf. Beispielsweise umfasst das Verteilerfeld einen an die Ports anschließenden Querverteilerbereich und einen zwischen diesem Bereich und dem Aktivfeld angeordneten Längsverteilerbereich. Die Begriffe Querverteilerbereich und Längsverteilerbereich sollen ausdrücken, dass das Medium, das heißt typischerweise Gas, in den betreffenden Bereichen hauptsächlich in Querrichtung beziehungsweise in Längsrichtung der insgesamt länglichen Bipolarplatte verteilt wird. Der Querverteilerbereich kann beispielsweise als Noppenfeld ausgebildet sein und sich damit durch einen besonders guten Durchmischungseffekt auszeichnen. Zudem ist das Noppenfeld derart gestaltbar, dass dieses besonders widerstandsarm in Querrichtung der Halbbleche und damit der gesamten Bipolarplatte durchströmbar ist. Die Querrichtung kann demnach die Vorzugsrichtung zumindest eines Abschnitts des Verteilerfeldes darstellen. Der Längsverteilerbereich beschreibt dagegen zum Beispiel eine Rillenstruktur mit im Wesentlichen geraden, in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufenden, sich optional zum Aktivfeld hin auffächernden Rillen, durch welche einzelne Kanäle gebildet sind.
Die Bipolarplatte ist herstellbar, indem zwei Halbbleche derart geprägt werden, dass jedes Halbblech über seine Breite uneinheitliche Prägetiefen aufweist und die beiden Halbbleche aufeinander liegend zu einer Bipolarplatte verbunden werden, welche Kühlmittelkanäle uneinheitlicher Höhe zwischen den Halbblechen aufweist. Hierbei entspricht die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels beim Betrieb der Bipolarplatte der Längsrichtung der Halbbleche, wobei die beiden äußeren, den Kühlmittelkanälen abgewandten Oberflächen der Halbbleche Medienkanäle begrenzen, welche entsprechend der uneinheitlichen Prägetiefe der Halbbleche ebenfalls eine uneinheitliche Höhe aufweisen und zur Leitung von Medien sowohl in Hauptströmungsrichtung als auch in Querrichtung ausgebildet sind. Hierbei weitet sich ein Medien-Strömungsquerschnitt in Querrichtung, ausgehend von einem Port, welcher durch in die Halbbleche eingebrachte Öffnungen gebildet wird, kontinuierlich oder diskontinuierlich auf.
Im Rahmen einer möglichen Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens werden die beiden, typischerweise nicht komplett spiegelsymmetrisch zueinander gestalteten Halbbleche derart aufeinandergelegt, dass an einer äußeren Oberfläche des ersten Halbblechs ein Strömungskanal für ein erstes, mit einer Strömungskomponente, das heißt Bewegungskomponente, in erster Querrichtung strömendes Medium gebildet wird, wobei zugleich an der gegenüberliegenden äußeren Oberfläche des zweiten Halbblechs ein Strömungskanal für ein zweites, mit einer Strömungskomponente, insbesondere Hauptströmungsrichtung, in entgegengesetzter Querrichtung strömendes Medium gebildet wird und die entgegengesetzt zueinander verlaufenden Strömungs- kanäle eine Höhe aufweisen, welche in Richtung zum Anfang des jeweils anderen Strömungskanals zunimmt.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 ausschnittsweise eine Bipolarplatte einer Brennstofzelle in Draufsicht,
Fig. 2 ein Detail der Bipolarplatte nach Figur 1 sowie weiterer Brennstoffzellenkomponenten in einer Schnittdarstellung,
Fig. 3 und 4 Einzelheiten weiterer Bipolarplatten in schematischer Darstellung.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte ist Teil eines auch als Stack bezeichneten Brennstoffzellenstapels 10, welcher eine Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen 11 umfasst. Hierbei ist jede Bipolarplatte 1 zwei Brennstoffzellen 11 zuzurechnen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellenstapels 10 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Die Bipolarplatte 1 ist aus zwei Halbblechen 2, 3 aufgebaut, welche jeweils eine Prägestruktur 4 aufweisen. Insgesamt hat die Bipolarplatte 1 die Form eines langgestreckten Rechtecks, dessen Längsrichtung mit LR und dessen Querrichtung mit QR angegeben ist. Eine Mittelebene, an welcher die beiden Halbbleche 2, 3 aufeinanderliegen, ist mit ME bezeichnet. In typischen Anwendungsfällen in die Bipolarplatte 1 vertikal ausgerichtet. Die Bipolarplatte 1 weist in an sich bekannter Grundkonzeption verschiedene Ports 5, 6, 7, nämlich Kühlmittelports 5 und Medienports 6, 7, auf. In den vorliegenden Fällen grenzt der Kühlmittelport 5 an eine Schmalseite der Bipolarplatte 1 , wogegen die neben dem Kühlmittelport 5 angeordneten Medienports 6, 7, durch welche Stoffe, die zum Betrieb des Stacks 10, das heißt zur Gewinnung elektrischer Energie, benötigt werden, fließen, an die Längsseiten der Bipolarplatte 1 grenzen. Die in Figur 1 sichtbaren Ports 5, 6, 7 dienen der Einleitung von Kühlwasser beziehungsweise Medien. Zusätzlich existieren drei weitere Ports zur Ausleitung des Kühlwassers beziehungsweise der Medien. Im vorliegenden Fall wird von gasförmigen Medien gesprochen, auch wenn durch die Ports 6, 7 teilweise flüssige Stoffe strömen.
An die verschiedenen Ports 5, 6, 7 schließt sich ein Verteilerfeld 8 an, welches in Strömungsrichtung SR der Medien in ein Aktivfeld 9 übergeht, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck befindet sich im Aktivfeld 9 eine insgesamt mit 12 bezeichnete Membran-Anordnung, welche eine katalytisch beschichtete Membran 13 (CCM) und einen Gasdiffusionslayer 14 umfasst. Der Membran-Anordnung 12 ist ferner ein Rahmen 15 zuzurechnen, welcher auch als Subgasket bezeichnet wird. Eine Dichtung, welche den Rahmen 15 gegenüber der Bipolarplatte 1 abdichtet, ist mit 16 bezeichnet.
Die Prägestrukturen 4 der Halbbleche 2, 3 sind in weiten Teilen spiegelbildlich zueinander ausgebildet und umfassen Prägeelemente 19 normaler Prägetiefe Tn, sowie Prägeelemente 18 reduzierter Prägetiefe Tr und Prägeelemente 19 erhöhter Prägetiefe Th. Zwischen den Prägeelementen 17, 18, 19 des ersten Halbblechs 2 und den Prägeelementen 17, 18, 19 des zweiten Halbblechs 3 sind Kühlmittelkanäle 21 ausgebildet. Gleichzeitig sind an den Außenseiten der Halbbleche 2, 3, das heißt an den den Kühlmittelkanälen 21 abgewandten Oberflächen der Halbbleche 2, 3, Strömungskanäle 22, 23 für die Strömung der verschiedenen Medien, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff, ausgebildet. Die unterschiedlichen Prägetiefen Tr, Tn, Th haben unmittelbare Auswirkung auf Kanalhöhen Kn, Kh der Medienkanäle 22, 23, wobei Kn für eine normale Kanalhöhe und Kh für eine im Vergleich hierzu erhöhte Kanalhöhe steht. Die beim Betrieb der Brennstoffzelle 11 nutzbaren Kanalhöhen Kn, Kh sind darüber hinaus von der Geometrie der Membran-Anordnung 12 abhängig, wobei in Figur 2 eine minimale Dicke der Membran-Anordnung 12 mit Dmin und eine maximale Dicke der Membran-Anordnung 12 mit Dmax bezeichnet ist.
Das Verteilerfeld 8 setzt sich, wie aus Figur 1 hervorgeht, aus zwei verschieden strukturierten Bereichen 25, 26, nämlich einem Querverteilbereich 25 und einem Längsver- teilbereich 26, zusammen. Die allgemein mit GS bezeichnete Gasströmung hat im Querverteilbereich 25 eine wesentliche oder hauptsächliche Bewegungskomponente in Querrichtung QR, wogegen im Längsverteilbereich 26 das Gas im Wesentlichen in Längsrichtung LR strömt. Im in Figur 1 skizzierten Fall ist die Prägestruktur 4 im Quer- verteilbereich 25 als Noppenprägung 20 ausgebildet. Im Längsverteilbereich 26 hat die Prägestruktur 4 eine Rillenform, wobei sich die durch die Prägestruktur 4 gebildeten Rillen in Richtung zum Aktivfeld 9 fächerförmig aufweiten.
Die Prägestruktur 4 im Verteilerfeld 8 ist in allen Ausführungsbeispielen derart gestaltet, dass Gasströmungen GS von einem Medienport 6, 7 zum gegenüberliegenden Medienport 7, 6, das heißt hauptsächlich in Querrichtung QR, im Vergleich zu herkömmlichen strukturierten Platten von elektrochemischen Anlagen gezielt erleichtert werden. Sowohl im Fall von Figur 2 als auch im Fall von Figur 3 strömt das Gas hauptsächlich von links nach rechts. Wie aus Figur 2 hervorgeht, nehmen Kanalhöhen Kn, Kh von links nach rechts, das heißt in Strömungsrichtung SR, bis nahe an die Dichtung 16 signifikant zu. Auf diese Weise ist ein Randkanal 27 ausgebildet, der nahe am Medienport 6 entlang verläuft und damit vom Medienport 7, in welchen das strömende Medium eingeleitet wird, besonders weit entfernt ist. Vom Randkanal 27 aus existiert eine offene Verbindung zu einem Bypass 24, der das Aktivfeld 9 umgeht. Das durch den Bypass 24 strömende Gas trägt nicht zur Erzeugung elektrischen Energie bei. Dies wird in allen vorliegenden Fällen in Kauf genommen. Der wesentliche Vorteil des erleichterten Gasflusses durch den Randkanal 27 liegt in der optimierten Medienversorgung in den Randbereichen des Aktivfeldes 9. Was die verbesserte Medienversorgung in den Randbereichen des Aktivfeldes 9 betrifft, wird ergänzend auf die Figur 3 verwiesen, die die Aufteilung des Gasstroms GS innerhalb des Verteilerfeldes 8 schematisch zeigt. Hierbei stellen dünne Pfeile eine Gasströmung GS mit hohem Strömungswiderstand und dickere Pfeile eine Gasströmung GS mit niedrigem Strömungswiderstand dar. Wie aus Figur 3 hervorgeht, strömt das Gas umso leichter, je weiter der Weg vom Medienport 7 zum Aktivfeld 9 ist. Hierzu trägt maßgeblich der erweiterte Strömungsquerschnitt des Randkanals 27 bei, welcher in Figur 3 im Bereich des dicksten Pfeils liegt, das heißt innerhalb des Verteilerfeldes 8 im rechten Bereich. Im Ergebnis wird eine Vergleichmäßigung des Gasflusses durch das Aktivfeld 9 über dessen gesamte Breite erreicht.
Dies gilt auch für die Variante nach Figur 4, in welcher das Gas im Gegensatz zu Figur 3 von rechts nach links strömt, das heißt zunächst in den rechts liegenden Medienport 6 eingeleitet wird. Im Fall von Figur 4 sind innerhalb des Verteilerfeldes 8 verschiedene Sub-Felder 28, 29, 30, 31 vorhanden, welches sich hinsichtlich der Durch- strömbarkeit, das heißt des beim Betrieb der Brennstoffzelle 11 auftretenden Druckverlustes, voneinander unterscheiden. Ein geringer Druckverlust ist hierbei innerhalb des Sub-Feldes 28 gegeben, welches sich nahezu über die gesamte Breite des Verteilerfeldes 8 erstreckt und besonders für den Durchfluss in Querrichtung QR ausgelegt ist.
Im Vergleich zum Sub-Feld 28 nochmals verringert ist der Strömungswiderstand im Randkanal 27, der an das Sub-Feld 28 anschließt und gleichzeitig parallel zu einem Rand des Medienports 7 verläuft. Auf diese Weise gelangt Gas mit geringem Druckverlust vom Medienport 6 aus zu demjenigen Rand des Aktivfeldes 9, welcher vom Medienport 6 am weitesten entfernt ist. Die Sub-Felder 29, 30, 31 sind mittels der Prägestruktur 4 derart gestaltet, dass ein zunehmender Strömungswiderstand in der genannten Reihenfolge, das heißt vom Sub-Feld 29 bis zum Sub-Feld 31 , gegeben ist. Auch kontinuierliche Übergänge zwischen den Sub-Feldern 29, 30, 31 sind möglich. In jedem Fall ist der höchste Druckverlust, bezogen auf die zu durchströmende Länge, im Bereich des Sub-Feldes 31 gegeben. Damit wird erreicht, dass Gas nicht in übermäßiger Menge vom Medienport 6 aus in die am nächsten liegenden Bereiche des Aktivfeldes 9 gelangt. Auch in den Fällen von Figur 3 und 4 weist das Verteilerfeld 8 eine hier nicht im Detail dargestellte Struktur aus verschiedenen Prägeelementen 17, 18, 19 auf.
Bezuqszeichenliste
Bipolarplatte
Halbblech
Halbblech
Prägestruktur
Kühlmittelport
Medienport
Medienport
Verteilerfeld
Aktivfeld
Brennstoffzellenstapel, Stack
Brennstoffzelle
Membran-Anordnung
CCM, katalytisch beschichtete Membran
Gasdiffusionslayer
Rahmen, Subgasket
Dichtung
Prägeelement normaler Tiefe
Prägeelement reduzierter Tiefe
Prägeelement erhöhter Tiefe
Noppenprägung
Kühlmittelkanal
Medienkanal, Strömungskanal
Medienkanal, Strömungskanal
Bypass
Querverteilbereich
Längsverteilbereich
Randkanal
Sub-Feld
Sub-Feld
Sub-Feld
Sub-Feld Dmax maximale Dicke der Membran-Anordnung
Dmin minimale Dicke der Membran-Anordnung
Ds Subgasket-Dicke
GS Gasströmung
Kn normale Kanalhöhe eines Medienkanals
Kh erhöhte Kanalhöhe eines Medienkanals
LR Längsrichtung
ME Mittelebene
QR Querrichtung
SR Strömungsrichtung
Th erhöhte Prägetiefe
Tn normale Prägetiefe
Tr reduzierte Prägetiefe

Claims

Patentansprüche Bipolarplatte (1 ), mit zwei aufeinander liegenden geprägten Halbblechen (2, 3) mit rechteckiger, länglicher Grundform, wobei durch die Halbbleche (2, 3) Kühlmittelports (5) sowie an den Längsseiten der Halbbleche (2, 3) platzierte Medienports (6, 7), neben den Ports (5, 6, 7) angeordnete, zur Kühlmittel- und Medienverteilung vorgesehene Verteilerfelder (8), sowie Aktivfelder (9) gebildet sind, und wobei Prägestrukturen (4) innerhalb der Verteilerfelder (8) derart ausgebildet sind, dass zunehmende freie Strömungsquerschnitte für die Medien, welche vom betreffenden Port (6, 7) in Richtung zum an der gegenüberliegenden Längsseite angeordneten Port (7, 6) strömen, gegeben sind. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zunehmenden Strömungsquerschnitte durch eine in Querrichtung der Halbbleche (2, 3) abnehmende Höhe von zwischen den Halbblechen (2, 3) gebildeten Kühlmittelkanälen (21 ) realisiert sind. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe eines vom zugehörigen Port (6, 7) am weitesten entfernten Randkanals (27) mindestens 15% größer als die Höhe des nächsten, im Verteilerfeld liegenden, vom selben Port (6, 7) versorgten Medienkanals (22, 23) ist. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randkanal (27) in einen das Aktivfeld (9) flankierenden Bypass (24) übergeht. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerfeld (8) einen an die Ports (5, 6, 7) anschließenden Querverteilerbereich (25) und einen zwischen diesem Bereich (25) und dem Aktivfeld (9) angeordneten Längsverteilerbereich (26) umfasst. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querverteilerbereich (25) als Noppenfeld ausgebildet ist. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1 ), wobei zwei Halbbleche (2, 3) derart geprägt werden, dass jedes Halbblech (2, 3) über seine Breite uneinheitliche Prägetiefen aufweist und die beiden Halbbleche (2, 3) aufeinander liegend zu einer Bipolarplatte (1 ) verbunden werden, welche Kühlmittelkanäle (21 ) un- einheitlicher Höhe zwischen den Halbblechen (2, 3) aufweist, wobei die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels der Längsrichtung der Halbbleche (2, 3) entspricht, und wobei die äußeren, den Kühlmittelkanälen (21 ) abgewandten Oberflächen der Halbbleche (2, 3) Medienkanäle (22, 23) begrenzen, welche entsprechend der uneinheitlichen Prägetiefe der Halbbleche (2, 3) ebenfalls eine uneinheitliche Höhe aufweisen und zur Leitung von Medien sowohl in Hauptströmungsrichtung als auch in Querrichtung ausgebildet sind, wobei sich ein Medien-Strömungsquerschnitt in Querrichtung, ausgehend von einem Port (6, 7), welcher durch in die Halbbleche (2, 3) eingebrachte Öffnungen gebildet wird, aufweitet. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbleche (2, 3) derart aufeinandergelegt werden, dass an einer äußeren Oberfläche des ersten Halbblechs (2) ein Strömungskanal (22) für ein erstes, mit einer Strömungskomponente in erster Querrichtung strömendes Medium gebildet wird, wobei zugleich an der gegenüberliegenden äußeren Oberfläche des zweiten Halbblechs (3) ein Strömungskanal (23) für ein zweites, mit einer Strömungskomponente in entgegengesetzter Querrichtung strömendes Medium gebildet wird und die entgegengesetzt zueinander verlaufenden Strömungskanäle (22, 23) eine Höhe aufweisen, welche in Richtung zum Anfang des jeweils anderen Strömungskanals (23, 22) zunimmt.
EP22746952.5A 2021-08-18 2022-07-11 Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte Pending EP4388603A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021121404.1A DE102021121404A1 (de) 2021-08-18 2021-08-18 Bipolarplatte und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
PCT/DE2022/100493 WO2023020647A1 (de) 2021-08-18 2022-07-11 Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4388603A1 true EP4388603A1 (de) 2024-06-26

Family

ID=82694140

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22746952.5A Pending EP4388603A1 (de) 2021-08-18 2022-07-11 Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4388603A1 (de)
CN (1) CN117546321A (de)
DE (1) DE102021121404A1 (de)
WO (1) WO2023020647A1 (de)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5227680B2 (ja) * 2007-08-07 2013-07-03 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP5139753B2 (ja) * 2007-08-30 2013-02-06 本田技研工業株式会社 燃料電池
EP2348567B1 (de) * 2009-09-16 2013-11-13 Panasonic Corporation Festpolymer-brennstoffzelle
DE102016107906A1 (de) * 2016-04-28 2017-11-02 Volkswagen Aktiengesellschaft Bipolarplatte aufweisend Reaktantengaskanäle mit variablen Querschnittsflächen, Brennstoffzellenstapel sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DK179150B1 (en) 2016-10-19 2017-12-11 Serenergy As A fuel cell stack and its method of production, a separator plate in particular a bipolar plate, for a fuel cell and its production
DE202016107302U1 (de) 2016-12-22 2018-03-27 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System
DE102017130489A1 (de) 2017-01-31 2018-08-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
DE102017118319A1 (de) 2017-08-11 2019-02-14 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Beschichtung und Schichtsystem, sowie Bipolarplatte, Brennstoffzelle und Elektrolyseur

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023020647A1 (de) 2023-02-23
DE102021121404A1 (de) 2023-02-23
CN117546321A (zh) 2024-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2205294C3 (de) Vorrichtung für die Zuführung bzw. für die Ableitung einer Flüssigkeit entlang eines Randes einer dünnen Platte eines diese Flüssigkeit verarbeitenden Gerätes
EP2297808B1 (de) Bipolarplatte für eine brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur anordnung, zwischen zwei benachbarten membran-elektroden-anordnungen
DE112008002991B4 (de) Brennstoffzelle und Gasseparataor für Brennstoffzelle
DE102012209851A1 (de) Durchlässiger Separator für eine Brennstoffzelle
DE112006003413T5 (de) Separator für Brennstoffzellen
DE102014206335A1 (de) Bipolarplatte und Brennstoffzelle mit einer solchen
DE112008002984T5 (de) Separator für Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
DE102008033210A1 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
DE102015214517A1 (de) Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit für eine in einem Brennstoffzellenstapel angeordnete Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
EP1634346A2 (de) Elektrochemische anordnung mit elastischer verteilungsstruktur
WO2019185350A1 (de) Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle
DE102020114399A1 (de) Strömungselement, Verwendung eines Strömungselementes, Bipolarplatte und Verfahren zum Herstellen eines Strömungselementes
WO2023020647A1 (de) Bipolarplatte und verfahren zur herstellung einer bipolarplatte
WO2022262894A1 (de) Elektrodenplatte für eine elektrolyse-anlage
EP4047696A1 (de) Soc-stack-interkonnektor sowie soc-stack-anordnung
DE102022112931A1 (de) Bipolarplatte und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
WO2022122080A1 (de) Elektrodenblech für eine redox-flow-zelle und redox-flow-zelle
DE102022110834B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102022101801A1 (de) Elektrolyseplatte für die Wasserstoffherstellung und Verfahren zur Herstellung einer Elektrolyseplatte
DE102021105712B3 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
EP4078704B1 (de) Brennstoffzellenkühlung
DE102022116193B3 (de) Bipolarplatte und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
DE102022129159B3 (de) Bipolarplatte, Zellenstapel und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
DE102022112593A1 (de) Elektrodenplatte für ein Elektrolysesystem
WO2022171237A1 (de) Elektrolyseplatte für die wasserstoffherstellung und verfahren zur herstellung einer elektrolyseplatte

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE