DE102006003206A1

DE102006003206A1 - Strömungsverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102006003206A1
Application number: DE102006003206A
Authority: DE
Inventors: Martin Müller; Hendrik Dr. Dohle
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, die aus mindestens zwei übereinander angeordneten Teilplatten zusammengesetzt ist. Die Strömungsverteilerstruktur wird durch Strukturelemente auf beiden Teilplatten gebildet. Dadurch lässt sie sich fertigungstechnisch wesentlich einfacher in die Endplatte einer Brennstoffzelle einbringen als nach dem Stand der Technik. Außerdem sind Strukturen realisierbar, deren Querschnitt wesentlich stabiler gegen mechanische Beanspruchung der Brennstoffzelle und Aufquellen des Elektrodenmaterials und des Elektrolyten ist als nach dem Stand der Technik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle.

In einer Brennstoffzelle wird die chemische Energie eines Brennstoffs mit Hilfe eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umgewandelt. Als Brennstoffe werden beispielsweise Wasserstoff, Methan oder flüssiges Methanol verwendet. Das Oxidationsmittel ist meistens Luft oder reiner Sauerstoff. Ein Elektrolyt trennt den Anodenraum, in dem sich der Brennstoff befindet, vom Kathodenraum, in dem sich das Oxidationsmittel befindet. Der Elektrolyt ist gasdicht, lässt jedoch im Fall der oxidkeramischen Brennstoffzelle Sauerstoffionen aus dem Kathodenraum in den Anodenraum passieren oder im Fall der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. In jedem Fall werden im Anodenraum bei der Oxidation freie Elektronen zur Verfügung gestellt. Diese Reaktion wird unterstützt von der Kathode auf der Sauerstoffseite und der Anode auf der Brennstoffseite. Kathode und Anode sind katalytisch aktive Funktionsschichten, die beispielsweise mit einer Beschichtungstechnik auf den Elektrolyten aufgebracht werden können. Bei der Oxidation des Brennstoffs werden Elektronen freigesetzt, die in einem externen Verbraucher Arbeit verrichten können.

Aus Gründen der Raumersparnis werden die Strömungsverteilerstrukturen, mit denen Brennstoff und Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle verteilt werden, häufig in die Endplatten eingebracht, die die Zelle gasdicht abschließen. Um einen separaten Verteilungsbereich ersetzen zu können, werden sie typischerweise in Form mäanderförmiger Kanäle hergestellt. Dabei soll sich durch die Strömungsverteilerstruktur die Dicke der Endplatten nicht erhöhen. Mit einer Dicke von typischerweise zwei bis vier Millimetern beanspruchen sie bereits vergleichbar viel Raum wie Elektrolyt, Anode und Kathode zusammen.

Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Spannung liefert, werden zur Spannungsanhebung regelmäßig viele Brennstoffzellen seriell zusammengeschaltet. Dazu werden die Zellen üblicherweise in einem Stapel (Stack) angeordnet. In einer solchen Anordnung ist zwischen dem Kathodenraum einer Zelle und dem Anodenraum der Nachbarzelle jeweils eine bipolare Platte angeordnet, die die Zellen gasdicht voneinander trennt, jedoch den Strom von der einen Zelle zur Nachbarzelle leitet. Da die bipolare Platte mit etwa zwei bis vier Millimetern um ein Mehrfaches dicker ist als Elektrolyt, Anode und Kathode zusammen, beansprucht die so genannte Bipolareinheit in einem Brennstoffzellenstapel den größten Anteil des Bauvolumens.

Aus Gründen der Raumersparnis werden die Strömungsverteilerstrukturen, mit denen Brennstoff und Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle verteilt werden, typischerweise so dünn wie möglich und um Fläche zu sparen in Form mäanderförmiger Kanäle (ein Verteilungsbereich ist nicht erforderlich) in die bipolare Platte integriert.

Nachteilig sind die mäanderförmigen Kanäle in einer Strömungsverteilerstruktur mit einem Durchmesser von typischerweise 0,5 bis 1,5 mm fertigungstechnisch schwer herzustellen. Das Fräsen oder Einschneiden der Kanäle in eine Platte nimmt, da die Kanäle bis zu 1,6 m lang sind, pro Platte etwa 45 Minuten in Anspruch.

Zudem weisen die mäanderförmigen Kanäle bei einer Bipolareinheit im Schichtaufbau in der Regel Stabilitätsprobleme auf, da sie durch etwa 0,5 bis 1 mm dünne, frei stehende Zungen des Plattenmaterials begrenzt werden. Da die Kanäle sich über die gesamte Zellfläche erstrecken (ca. 200 × 300 mm), können diese Zungen eine Länge von 50 mm oder mehr haben. Diese Zungen können bei mechanischer Beanspruchung des Brennstoffzellenstapels abbrechen und den Betriebsmittelfluss im Kanal komplett blockieren. Dadurch wird mindestens ein Teil einer Zelle nicht mehr mit Betriebsmittel versorgt, so dass die Zelle teilweise ausfällt. Durch Quellung der Polymerelektrolytmembran und dadurch bedingte Deformation des Elektrolyten können sich die Zungen darüber hinaus verbiegen, so dass sie an einer ihrer Flanken den Kanalquerschnitt unter das geplante Maß verringern und an der anderen Flanke den Kanalquerschnitt über das geplante Maß erweitern. Dies führt regelmäßig zu nachteiligen Druckgradienten im Betriebsmittelfluss, so dass regelmäßig eine erhöhte Pumpleistung erforderlich ist, um eine Unterversorgung einzelner Bereiche der Zelle zu vermeiden.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Strömungsverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, deren Querschnitt gegenüber mechanischer Beanspruchung und Quellung des Elektrolyten stabiler ist als bei Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik, und dennoch auf einfache Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Strömungsverteilerstruktur gemäß Hauptanspruch, durch eine Anordnung zweier Strömungsverteilerstrukturen gemäß Nebenanspruch sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Strömungsverteilerstruktur gemäß weiterem Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass sich eine Strömungsverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle vorteilhaft aus mindestens zwei übereinander angeordneten Teilplatten zusammensetzen lässt, die jeweils eine Anordnung aus Strukturelementen aufweisen. Dabei können die Teilplatten deutlich dünner sein als herkömmliche Strömungsverteilerstrukturen. Insbesondere kann eine Strömungsverteilerstruktur, die mit 1 mm eine übliche Dicke aufweist, aus zwei 0,5 mm dicken Teilplatten zusammengesetzt werden. Die Strömungsverteilerstruktur kann insbesondere in die Endplatte der Brennstoffzelle integriert sein.

Unter einer Strömungsverteilerstruktur wird eine Vorrichtung verstanden, die einen durchgehenden Kanal beziehungsweise ein Kanalsystem umfasst. Aufgabe des Kanals beziehungsweise des Kanalsystems ist, ein Betriebsmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle gleichmäßig über die Elektrode beziehungsweise den Elektrolyten zu verteilen. Beispielsweise kann die Strömungsverteilerstruktur in einer Ebene mäanderförmig verlaufen, um alle Bereiche der Zellfläche optimal mit dem Betriebsmittel zu versorgen. Betriebsmittel im Sinne dieser Erfindung sind Stoffe, die für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendig sind, insbesondere Brennstoffe und Oxidationsmittel. Die Betriebsmittel können flüssig oder gasförmig sein.

Die Endplatte im Sinne dieser Erfindung ist die Baugruppe, die die Brennstoffzelle in der zum Elektrolyten senkrechten Raumrichtung begrenzt und zumindest die Teilplatten umfasst, aus denen die Strömungsverteilerstruktur zusammengesetzt ist. Der Begriff der Endplatte umfasst dabei ausdrücklich auch eine Platte, die zwei benachbarte Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel voneinander trennt. Dies kann sowohl eine Platte sein, die die Anodenräume beziehungsweise Kathodenräume zweier benachbarter Brennstoffzellen voneinander trennt (monopolare Zellen), als auch eine bipolare Platte, die den Anodenraum einer Brennstoffzelle gasdicht vom Kathodenraum einer benachbarten Brennstoffzelle trennt.

Unter Strukturelementen im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Vertiefungen, wie beispielsweise Kanäle, oder Erhebungen, wie beispielsweise Stege, zu verstehen. Es sind aber auch Durchbrüche und Löcher geeignet, wie sie beispielsweise beim Stanzen entstehen.

Die Strukturelemente beider Teilplatten bilden zusammen eine durchgehende Strömungsverteilerstruktur aus. Diese Struktur wird in der Herstellung somit auf beide Teilplatten aufgeteilt. Viele komplizierte Verteilerstrukturen, insbesondere die für Strömungsverteiler in Brennstoffzellen gebräuchliche Mäanderstruktur, lassen sich nach dem Stand der Technik nur schwer durch mechanische Bearbeitung in eine aus einem Stück bestehende Endplatte einbringen. Durch die Aufteilung der Struktur auf die beiden Teilplatten zerfällt diese Aufgabe in zwei wesentlich einfachere Strukturierungsaufgaben. Ein Beispiel für diese Vereinfachung wird im speziellen Beschreibungsteil gegeben.

Zudem kann die Aufteilung einer Strömungsverteilerstruktur auf die beiden Teilplatten dazu führen, dass die auf den Teilplatten aufzubringenden Strukturelemente kleiner und damit mechanisch stabiler sind als bei einer Realisierung derselben Strömungsverteilerstruktur in einer einzelnen Platte. Dadurch wird die Brennstoffzelle robuster gegen mechanische Beanspruchung. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn eine großflächige Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel eingebaut ist, wo sie in der Regel unter einem hohen Anpressdruck steht und starke Querkräfte aufnehmen muss.

Vorteilhaft tritt die Strömungsverteilerstruktur mindestens an einer Stelle von einer Teilplatte in eine andere Teilplatte über. Unter einer solchen Struktur ist insbesondere ein Kanal zu verstehen, der auf einer Teilstrecke nur innerhalb einer Teilplatte verläuft, an einem bestimmten Punkt jedoch auch in die andere Teilplatte hinein reicht und anschließend auf einer weiteren Teilstrecke nur innerhalb dieser anderen Teilplatte verläuft. Dies kann auch ein Kanal sein, der in beide Teilplatten hinein reicht und in regelmäßigen Abständen abwechselnd von Stegen auf der einen Teilplatte und Stegen auf der anderen Teilplatte in seinem Querschnitt verengt ist. In einer solchen Struktur können sich mehrere Kanäle überlappen.

Dadurch können auf jeder Teilplatte Stege, die die Strömungsverteilerstruktur bestimmen, deutlich breiter und eventuell auch kürzer ausgelegt werden als nach dem Stand der Technik, ohne dass die Brennstoffzelle im Bereich der Stege mit Betriebsmitteln unterversorgt wird. Derartige Stege neigen im Gegensatz zu den frei stehenden Stegen, die bei der Fertigung mäanderförmiger Strömungsverteiler nach dem Stand der Technik entstehen, nicht mehr zum Abbrechen bei mechanischer Beanspruchung. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Brennstoffzelle in einem Fahrzeug rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist. Quillt der Elektrolyt auf, können sich die Stege zudem nicht mehr so stark verbiegen wie nach dem Stand der Technik, so dass der Betriebsmittelfluss nicht mehr nennenswert behindert wird. Dadurch entfällt das Erfordernis, durch mangelnde Stabilität der Stege bewirkte Engpässe in der Verteilerstruktur durch erhöhte Pumpleistung auszugleichen. Dies verbessert vorteilhaft die Gesamtleistungsbilanz des Brennstoffzellenstapels. Auch sind in einer Struktur, in der sich Kanäle überlappen können, die Ablenkung der Strömung an Hindernissen und der daraus resultierende Druckverlust des Betriebsmittels vermindert. Dies führt zu einer weiteren Ersparnis an Pumpleistung und damit zu einer weiteren Verbesserung der Gesamtleistungsbilanz.

Zudem eröffnet eine Führung der Strömungsverteilerstruktur durch beide Teilplatten eine vielfältige Gestaltungsfreiheit bei der Aufteilung einer aus anwendungsrelevanten Überlegungen heraus geforderten Strömungsverteilerstruktur auf die beiden Teilplatten. Dadurch kann die Aufteilung der Struktur auf die beiden (oder mehr) Teilplatten noch besser genutzt werden, um gezielt die Einfachheit der mechanischen Fertigung oder die mechanische Stabilität der Strömungsverteilerstruktur zu optimieren.

Selbst wenn ein Steg abbrechen sollte, hat dies anders als nach dem Stand der Technik nicht mehr notwendigerweise den Ausfall eines Teils einer Brennstoffzelle zur Folge: Da sich Kanäle überlappen können, lassen sich Ausweichrouten für einen derartigen Fall in der Strömungsverteilerstruktur vorsehen. Ein Beispiel für eine derartige vorteilhafte Anordnung von Kanälen wird im speziellen Beschreibungsteil gegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Strömungsverteilerstruktur mindestens eine Verzweigung auf, wobei der Querschnitt eines Arms der Verzweigung gegenüber dem der anderen Arme verringert ist. Dadurch kann in bestimmten Geometrien eine gleichmäßigere Verteilung des Betriebsmittelstroms erzielt werden. Beispielsweise kann die Strömungsverteilerstruktur eine rechtwinklige Abzweigung in einen unter einem Steg hindurch führenden Querkanal aufweisen, damit auch der Bereich unter dem Steg durchströmt wird. Das Material des Stegs kann zusätzlich porös ausgestaltet sein, um eine solche Querströmung zu unterstützen. Nach dem Stand der Technik ergab sich die Querströmung nur durch den Druckgradienten in Folge des Strömungswi derstandes. Das Betriebsmittel strömte an der Abzweigung im Wesentlichen geradeaus weiter und nicht durch den Querkanal unter dem Steg. Wird nun erfindungsgemäß der Kanal im geradeaus führenden Arm gezielt verengt, lässt sich der Druckgradient entlang der Verteilerstruktur so einstellen, dass sich ein ausgewogeneres Verhältnis zwischen geradeaus und querab fließendem Betriebsmittel einstellt. Dadurch werden die an Querkanälen liegenden Bereiche der Brennstoffzelle gleichmäßiger mit Betriebsmittel versorgt und die Leistungsdichte insgesamt gesteigert. Beispielsweise kann in den Steg in Querrichtung eine Nut eingefräst werden. Dann geht dem Steg ein kleiner Teil seiner Auflagefläche verloren, aber er kann besser unterströmt werden. Dadurch verbessert sich die Versorgung der Zellbereiche unter dem Steg.

Vorteilhaft sind die Teilplatten so ausgestaltet, dass die Anordnung der Strukturelemente auf einer Teilplatte kongruent zur Anordnung der Strukturelemente auf der anderen Teilplatte ist. Im Idealfall sind beide Teilplatten identisch ausgestaltet und werden beim Zusammenbau lediglich gegeneinander rotiert. Dann ist als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Strömungsverteilerstruktur nur eine einzige Art von Teilplatte zu fertigen, was die Produktion deutlich vereinfacht und damit kostengünstiger macht. Auch zwei spiegelbildlich zueinander ausgestattete Teilplatten lassen sich noch wesentlich einfacher und damit preiswerter herstellen als zwei völlig unabhängig voneinander ausgestaltete Teilplatten. Je nach Fertigungstechnik kann für die Herstellung beider Teilplatten das gleiche Werkzeug verwendet werden.

Alternativ sind die beiden Teilplatten so ausgestaltet, dass die Anordnung der Strukturelemente auf der einen Teilplatte nahezu das Negativ der Anordnung der Strukturelemente auf der anderen Teilplatte ist. Hierunter ist zu verstehen, dass zu jeder Erhebung auf der einen Teilplatte eine Vertiefung auf der anderen Teilplatte vorhanden ist und umgekehrt. In einer um 180 Grad gegeneinander verdrehten Anordnung zweier derartiger Teilplatten kann das Betriebsmedium von der einen Teilplattenebene in die andere Teilplattenebene strömen. Somit können zwei separate Kanalabschnitte einen durchgängigen Kanal bilden. Auch in diesem Fall ist der Aufwand zur Herstellung beider Teilplatten nicht viel größer als bei der Aufwand zur Herstellung lediglich einer der Teilplatten, da beide Teilplatten unter Zuhilfenahme des gleichen Werkzeugs hergestellt werden können. Je nach Fertigungstechnik können beide Teilplatten sogar in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden.

Die mit vergleichsweise einfachen Strukturen ausgestatteten Teilplatten können insbesondere durch Stanzen hergestellt werden. Diese Technik ist wesentlich schneller und preiswerter als das Fräsen der Strömungsverteilerstruktur mit einem Fräser oder einem Laserstrahl, so dass die Gesamtkosten für die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels deutlich gesenkt werden können.

Bei Verwendung einer porösen Verteilerstruktur ist es auch möglich, die Platten mit Hilfe des Prägeverfahrens herzustellen. Bei gasdichten Platten ist dies nicht sinnvoll.

Sind drei Teilplatten benachbart angeordnet, so kann aus den Strukturelementen auf diesen Teilplatten vorteilhaft eine Anordnung aus zwei erfindungsgemäßen Strömungsverteilerstrukturen gebildet werden. Dabei bilden auf beiden Seiten der mittleren Teilplatte jeweils Strukturelemente auf dieser Teilplatte und Strukturelemente auf der dort anliegenden äußeren Teilplatte eine Strömungsverteilerstruktur. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass sie die beiden Strömungsverteilerstrukturen in besonders Raum sparender Bauweise zur Verfügung stellt. Sie kann beispielsweise als bipolare Platte ausgestaltet sein, bei der durch die eine Struktur das Oxidationsmittel in einer Brennstoffzelle und durch die andere Struktur der Brennstoff in einer benachbarten Brennstoffzelle verteilt werden. In diesem Fall muss die Anordnung als Ganzes gasdicht sein. Dies lässt sich beispielsweise realisieren, indem die mittlere Teilplatte gasdicht ausgestaltet ist. Dann können die beiden anderen Teilplatten auch gasdurchlässige Strukturen, wie durchgehende gestanzte Löcher, aufweisen.

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren gefunden, mit dem eine Strömungsverteilerstruktur für eine Endplatte zum Einsatz in einer Brennstoffzelle einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Bei diesem Verfahren werden zunächst mindestens zwei Teilplatten mit Strukturelementen versehen. Anschließend werden die Teilplatten benachbart angeordnet. Dadurch wird aus den Strukturelementen die Strömungsverteilerstruktur gebildet. Beispielsweise kann die Endplatte mindestens aus den Teilplatten zusammengesetzt werden. Neben den Teilplatten kann beispielsweise noch eine gasdichte Platte hinzugefügt werden, falls die Teilplatten selbst nicht gasdicht sind.

Dieses Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die schwierige Aufgabe, einen durchgehenden Kanal in eine bipolare Platte einzubringen, auf die Herstellung der Teilplatten reduziert wird. Diese wiederum können so ausgestaltet sein, dass sie fertigungstechnisch besonders einfach herzustellen sind. Bei geschickter Verteilung der Strukturelemente auf die beiden Teilplatten kann daher eine Gesamtheit für sich einfach zu fertigender Strukturelemente einen komplexen Kanal beziehungsweise ein Kanalsystem ausbilden, das man nur mit ungleich höherem Aufwand in eine aus einem Stück bestehende Endplatte hätte einbringen können.

Vorteilhaft werden Teilplatten mit einer Dicke von 0,5 mm oder weniger gewählt. Dadurch beansprucht die Anordnung aus den beiden Teilplatten nicht mehr Raum als eine herkömmliche Strömungsverteilerstruktur.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden drei Teilplatten gewählt und zwei Strömungsverteilerstrukturen gebildet. Auf diese Weise kann beispielsweise eine bipolare Platte hergestellt werden, die gasdicht ist und die auf beiden Seiten je eine Strömungsverteilerstruktur aufweist. Die eine Strömungsverteilerstruktur kann sich im Kathodenraum einer Brennstoffzelle und die andere Strömungsverteilerstruktur im Anodenraum einer benachbarten Brennstoffzelle befinden. Hierfür sollte mindestens eine der Teilplatten, vorzugsweise die mittlere, für sich gasdicht ausgestaltet werden.

Vorteilhaft werden die beiden Teilplatten mit jeweils einer Anordnung aus Strukturelementen versehen, wobei die Anordnungen zueinander kongruent sind. Im Idealfall sind beide Anordnungen identisch ausgestaltet, und die Teilplatten werden lediglich gegeneinander rotiert, wenn sie benachbart angeordnet werden. Dann ist als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Strömungsverteilerstruktur nur eine einzige Art von Platte zu fertigen, was die Produktion deutlich vereinfacht und damit kostengünstiger macht. Auch zwei spiegelbildlich zueinander ausgestattete Teilplatten lassen sich noch wesentlich einfacher und damit preiswerter herstellen als zwei völlig unabhängig voneinander ausgestaltete Teilplatten. Je nach Fertigungstechnik kann für die Herstellung beider Teilplatten das gleiche Werkzeug verwendet werden.

Alternativ können die beiden Teilplatten mit jeweils einer Anordnung aus Strukturelementen versehen werden, wobei die eine Anordnung nahezu das Negativ der anderen Anordnung ist. Werden die beiden Platten um 180 Grad gegeneinander verdreht übereinander gelegt, kann das Betriebsmedium von der einen Teilplattenebene in die andere Teilplattenebene strömen. Somit können zwei separate Kanalabschnitte einen durchgängigen Strömungskanal bilden. Auch in diesem Fall ist der Aufwand zur Herstellung beider Teilplatten nicht viel größer als der Aufwand zur Herstellung lediglich einer der Teilplatten, da beide Teilplatten unter Zuhilfenahme des gleichen Werkzeugs hergestellt werden können. Je nach Fertigungstechnik können beide Teilplatten sogar in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden.

Vorteilhaft wird mindestens eine Teilplatte durch Stanzen oder Prägen hergestellt und so ein durchgängiger Strömungskanal erzeugt. Diese Technik ist wesentlich schneller und preiswerter als das Fräsen der Strömungsverteilerstruktur mit einem Fräser oder das Schneiden mit einem Laserstrahl, so dass die Gesamtkosten für die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels deutlich gesenkt werden können. Verantwortlich dafür, dass sich diese einfache Fertigungstechnik anwenden lässt, ist die erfindungsgemäße Herstellung der Strömungsverteilerstruktur aus mindestens zwei Teilplatten. Nach dem Stand der Technik wurden auch komplexe Strömungsverteilerstrukturen immer nur in eine Platte eingebracht. Diese komplex strukturierten durchgängigen Strömungskanäle aber ließen sich nur mit wesentlich aufwändigerer Technik fertigen.

Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1: Aufteilung einer mäanderförmigen Strömungsverteiler-Struktur in Strukturelemente auf zwei Teilplatten (1a) und (1b).
2: Bildung einer Strömungsverteilerstruktur (2b), (2c) durch Übereinanderlegen zweier identischer Teilplatten (2a).
3: Strömungsverteilerstruktur aus Kanalabschnitten, die jeweils durch einen kurzen Steg unterbrochen sind. Bildung einer Strömungsverteilerstruktur 3)3) durch Übereinanderlegen zweier identisch um 180 Grad gedrehter Teilplatten 3)1) und 3)2).
4: Querschnitt durch die in 3 gezeigte Strömungsverteilerstruktur entlang der eingezeichneten Linie.
5: Ausführungsbeispiel einer durch Stanzen erhältlichen Teilplatte im Sinne dieser Erfindung.
1 zeigt die Aufteilung einer mäanderförmigen Strömungsverteilerstruktur in Strukturelemente auf zwei Teilplatten. Die beiden Teilbilder a und b zeigen jeweils die auf einer Teilplatte vorhandenen Strukturelemente. Die Strukturelemente beider Teilplatten bilden zusammen eine mäanderförmige Strömungsverteilerstruktur, wenn die beiden Teilplatten entsprechend übereinander gelegt werden.
2 zeigt, wie durch versetztes Übereinanderlegen zweier mit einer identischen Anordnung aus Strukturelementen (Teilbild a) versehener Teilplatten eine Strömungsverteilerstruktur gebildet werden kann (Teilbild b). Die Teilplatten können auch so gegeneinander versetzt werden, dass sich Kanäle überlappen (Teilbild c). Dadurch kann das Betriebsmittel über eine Ausweichroute transportiert werden, wenn ein Kanal (aus welchem Grund auch immer) einmal verlegt sein sollte. Alle Teilbilder sind jeweils Aufsichten. Die Pfeile in den Teilbildern b und c geben jeweils Routen an, über die das Betriebsmittel transportiert werden kann.
3 zeigt eine Strömungsverteilerstruktur in Endplatte, die aus zwei identischen Teilplatten mit einer Dicke von etwa 0,5 mm besteht (Teilbild 3). Teilbild 1 zeigt die Strukturelemente auf einer ersten Teilplatte und Teilbild 2 die Strukturelemente auf einer zweiten Teilplatte. In beiden Teilplatten sind jeweils einzelne Kanalabschnitte als Strukturelemente vorgesehen, die in regelmäßigen Abständen durch einen kurzen Steg unterbrochen sind. An der Stelle, an der in der einen Teilplatte der Kanal durch einen Steg unterbrochen ist, befindet sich in der jeweils anderen Teilplatte ein Kanalabschnitt, der länger ist als der Steg. Durch Aufeinanderlegen der um 180 Grad gegeneinander verdreht angeordneten, identischen Teilplatten entsteht der aus Teilbild 3 ersichtliche durchgängige Strömungskanal. Teilbild 3 ist die Aufsicht auf den Strömungskanal, der entsteht, wenn die Strukturen der ersten Teilplatte (Teilbild 1) über die Strukturen der zweiten Teilplatte (Teilbild 2) gelegt werden. Wo ein Kanal auf Teilplatte 1 über einem Steg auf Teilplatte 2 liegt, sind sowohl die Kanten des Kanals als auch die Kanten des Stegs sichtbar. Wo ein Steg auf Teilplatte 1 über einem Kanal auf Teilplatte 2 liegt, sind nur die Kanten des Stegs sichtbar.
4 zeigt den unteren Bereich des durchgängigen Kanals aus 3 sowie im unteren Bildteil einen Querschnitt durch die Endplatte, in der sich dieser Kanal befindet, entlang der eingezeichneten Schnittlinie. Die Endplatte umfasst neben den Teilplatten, die die Strömungsverteilerstruktur bilden, zuunterst noch eine zusätzliche gasdichte Platte. Die Grenzen der Teilplatten sind als Kanten sichtbar, die den Betriebsmittelfluss jedoch nicht behindern. Der Betriebsmittelfluss wird nur durch schraffiert eingezeichnete Bereiche aus Plat tenmaterial behindert. Der Kanal enthält sowohl Bereiche, die nur in einer der beiden Teilplatten verlaufen, als auch Bereiche, die sich auf beide Teilplatten erstrecken. Im Betrieb kann in den letztgenannten Bereichen das Betriebsmittel vom Kanalabschnitt der ersten Teilplatte in den Kanalabschnitt der zweiten Teilplatte, beziehungsweise vom Kanalabschnitt der zweiten Teilplatte in den Kanalabschnitt der ersten Teilplatte, wechseln. Je größer die Kanalabschnitte im Vergleich zu dem zu umgehenden Steg ausgestaltet sind, um so geringer ist die Ablenkung der Strömung und um so geringer sind die dadurch entstehenden Druckverluste innerhalb des Strömungskanals. Durch die zusätzliche gasdichte Platte ist die hier gezeigte Endplatte gasdicht und somit geeignet, in einem Brennstoffzellenstapel als bipolare Platte den Kathodenraum einer Brennstoffzelle vom Anodenraum einer benachbarten Brennstoffzelle zu trennen.
5 zeigt ein Beispiel für eine durch Stanzen erhältliche Teilplatte im Sinne dieser Erfindung. Sie zeigt eine Strömungsverteilerplatte mit sechs -parallel angeordneten Strömungsverteilern. Es wird deutlich, wie stark große Platten strukturiert werden müssen und wie filigran die Strukturen sein können.

Claims

Strömungsverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverteilerstruktur aus den Strukturelementen wenigstens zweier benachbart angeordneter Teilplatten gebildet wird.
Strömungsverteilerstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gesamtdicke von 1 mm oder weniger.
Strömungsverteilerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch einen in einer Ebene mäanderförmigen Verlauf des durchgehenden Strömungskanals.
Strömungsverteilerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie an mindestens einer Stelle von einer Teilplatte in eine andere Teilplatte übertritt.
Strömungsverteilerstruktur nach einem der Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch mindestens eine Verzweigung, wobei der Querschnitt eines Arms der Verzweigung gegenüber dem der anderen Arme verringert ist.
Strömungsverteilerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Strukturelemente auf einer Teilplatte kongruent zur Anordnung der Strukturelemente auf der anderen Teilplatte ist.
Strömungsverteilerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Strukturelemente auf einer Teilplatte nahezu das Negativ der Anordnung der Strukturelemente auf der anderen Teilplatte ist.
Strömungsverteilerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Teilplatten, die durch Stanzen oder Prägen erhältlich sind.
Anordnung, umfassend zwei Strömungsverteilerstrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus den Strukturelementen dreier benachbart angeordneter Teilplatten gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Strömungsverteilerstruktur für eine Endplatte zum Einsatz in einer Brennstoffzelle mit den Schritten: – mindestens zwei Teilplatten werden mit Strukturelementen versehen; – die Teilplatten werden benachbart angeordnet; – aus den Strukturelementen wird die Strömungsverteilerstruktur gebildet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Teilplatten mit einer Dicke von 0,5 mm oder weniger gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass drei Teilplatten gewählt und zwei Strömungsverteilerstrukturen gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilplatten mit jeweils einer Anordnung aus Strukturelementen versehen werden, wobei die beiden Anordnungen zueinander kongruent sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilplatten mit jeweils einer Anordnung aus Strukturelementen versehen werden, wobei die eine Anordnung nahezu das Negativ der anderen Anordnung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilplatte durch Stanzen oder Prägen hergestellt wird und so ein durchgängiger Strömungskanal erzeugt wird.