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DE102018203132A1 - Bipolar plate for fuel cell stack - Google Patents

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DE102018203132A1
DE102018203132A1 DE102018203132.0A DE102018203132A DE102018203132A1 DE 102018203132 A1 DE102018203132 A1 DE 102018203132A1 DE 102018203132 A DE102018203132 A DE 102018203132A DE 102018203132 A1 DE102018203132 A1 DE 102018203132A1
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Germany
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distributor
fuel cell
cell stack
gas
bipolar plate
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Application number
DE102018203132.0A
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German (de)
Inventor
Helerson Kemmer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Abstract

Bipolare Platte (50) für einen Brennstoffzellenstapel (9), umfassend mindestens eine erste als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (1) für ein erstes Betriebsmedium (1a) des Brennstoffzellenstapels (9), eine zweite als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (2) für ein zweites Betriebsmedium (2a) des Brennstoffzellenstapels (9) sowie eine erste gasdichte Trennwand (4) zwischen der ersten Verteilerstruktur (1) und der zweiten Verteilerstruktur (2), wobei eine Mehrzahl von Verbindungselementen (6) vorgesehen sind, die die erste gasdichte Trennwand (4) durchqueren und mit beiden Verteilerstrukturen (1, 2) jeweils verflochten und/oder verlötet sind.Verfahren (100) zur Herstellung einer bipolaren Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei metallische Fäden als Verbindungselemente (6, 7) mit unterschiedlichen, jeweils als metallische Gewebe ausgebildeten, Verteilerstrukturen (1, 2; 2, 3) für Betriebsmedien (1a, 2a, 3a) des Brennstoffzellenstapels (9) verflochten werden (110).A bipolar plate (50) for a fuel cell stack (9), comprising at least one first distribution structure formed as a metallic fabric (1) for a first operating medium (1a) of the fuel cell stack (9), a second formed as a metallic fabric distribution structure (2) for a second Operating medium (2a) of the fuel cell stack (9) and a first gas-tight partition wall (4) between the first manifold structure (1) and the second manifold structure (2), wherein a plurality of connecting elements (6) are provided, the first gas-tight partition (4 ) and are intertwined and / or soldered to both distributor structures (1, 2) .A method (100) for producing a bipolar plate (50) according to any one of claims 1 to 8, wherein metallic filaments are used as connecting elements (6, 7) different distributor structures (1, 2, 2, 3), designed in each case as metallic fabric, for operating media (1a, 2a, 3a) of the fuel cell stack (9 ) (110).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft bipolare Platten zur Verbindung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel untereinander.The present invention relates to bipolar plates for connecting fuel cells in a fuel cell stack with each other.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle umfasst einen Anodenraum, in dem ein Brennstoff vorgelegt wird, einen Kathodenraum, in dem ein Oxidationsmittel vorgelegt wird, sowie einen Elektrolyten oder eine semipermeable Membran als Trennung zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum. Der Brennstoff wird an der Anode zu Ionen oxidiert, die durch den Elektrolyten, bzw. durch die Membran, in den Kathodenraum übertreten und dort mit dem Oxidationsmittel reagieren. Dabei werden Elektronen frei, die über einen externen Verbraucher von der Anode zur Kathode fließen können, um den Stromkreislauf zu schließen.A fuel cell comprises an anode space in which a fuel is introduced, a cathode space in which an oxidant is introduced, and an electrolyte or a semi-permeable membrane as a separation between the anode space and the cathode space. The fuel is oxidized at the anode to ions that pass through the electrolyte, or through the membrane, in the cathode space and react there with the oxidizing agent. In this case, electrons are released, which can flow via an external load from the anode to the cathode to close the circuit.

Eine einzelne Brennstoffzelle liefert nur Spannungen von typischerweise weniger als 1,5 V. Um höhere Spannungen zu erzielen, wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in Reihe geschaltet. Die einzelnen Brennstoffzellen sind untereinander elektrisch durch bipolare Platten verbunden. Eine bipolare Platte enthält typischerweise auf der einen Seite eine Medienverteilerstruktur für Oxidationsmittel, die zum Kathodenraum einer ersten Brennstoffzelle gehört, und auf der anderen Seite eine Medienverteilerstruktur für Brennstoff, die zum Anodenraum einer zweiten Brennstoffzelle gehört. Es ist wichtig, den elektrischen Widerstand beim Übergang von einer Brennstoffzelle zur nächsten zu minimieren, da dieser Widerstand mit der Anzahl der Brennstoffzellen im Stapel vervielfacht wird. Bipolare Platten sind beispielsweise in der DE 10 2016 213 057 A1 offenbart.A single fuel cell only supplies voltages typically less than 1.5V. To achieve higher voltages, a plurality of fuel cells in a fuel cell stack are connected in series. The individual fuel cells are electrically interconnected by bipolar plates. A bipolar plate typically includes on one side an oxidant media distribution structure associated with the cathode space of a first fuel cell and on the other side a fuel media manifold structure associated with the anode space of a second fuel cell. It is important to minimize the electrical resistance in the transition from one fuel cell to the next, as this resistance is multiplied by the number of fuel cells in the stack. Bipolar plates are for example in the DE 10 2016 213 057 A1 disclosed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde eine bipolare Platte für einen Brennstoffzellenstapel entwickelt. Diese bipolare Platte umfasst mindestens eine erste als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur für ein erstes Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels, eine zweite als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur für ein zweites Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels sowie eine erste gasdichte Trennwand zwischen der ersten Verteilerstruktur und der zweiten Verteilerstruktur.In the context of the invention, a bipolar plate for a fuel cell stack has been developed. This bipolar plate comprises at least a first distribution structure formed as a metallic tissue for a first operating medium of the fuel cell stack, a second formed as a metallic fabric distribution structure for a second operating medium of the fuel cell stack and a first gas-tight partition between the first distribution structure and the second distribution structure.

Es ist eine Mehrzahl von Verbindungselementen vorgesehen, die die erste gasdichte Trennwand durchqueren und mit beiden Verteilerstrukturen jeweils verflochten und/oder verlötet sind.There is provided a plurality of connecting elements which traverse the first gas-tight partition wall and are intertwined and / or soldered to both distributor structures.

Es wurde erkannt, dass die Ankopplung der Verbindungselemente an die beiden Verteilerstrukturen durch Verflechten und/oder Verlöten eine derart gute elektrische und thermische Leitfähigkeit bietet, dass diese Verbindungselemente, obwohl sie die gasdichte Trennwand nur auf einem geringen Teil ihrer Gesamtfläche durchqueren, die thermische und elektrische Leitfähigkeit für das Durchqueren der bipolaren Platte von einer Brennstoffzelle zur benachbarten Brennstoffzelle dominieren. Das bedeutet insbesondere, dass ein Kontaktwiderstand zwischen den Verteilerstrukturen und der gasdichten Trennwand keine Rolle mehr spielt. Der Brennstoffzellenstapel profitiert also von der kontrollierbaren und reproduzierbar durchgängigen Porosität einer aus einem Gewebe gebildeten Verteilerstruktur, ohne dass dies mit einer Erhöhung des Widerstands beim Übergang von einer Brennstoffzelle zur nächsten verbunden ist.It has been found that the coupling of the connecting elements to the two distribution structures by braiding and / or soldering provides such good electrical and thermal conductivity that these connecting elements, although they traverse the gas-tight partition only on a small part of their total area, the thermal and electrical Conductivity for traversing the bipolar plate from one fuel cell to the adjacent fuel cell dominate. This means in particular that a contact resistance between the distributor structures and the gas-tight partition wall no longer plays a role. The fuel cell stack therefore benefits from the controllable and reproducibly continuous porosity of a distributor structure formed from a fabric, without this being associated with an increase in the resistance during the transition from one fuel cell to the next.

Dies bedeutet wiederum, dass es gar nicht mehr auf die elektrische oder thermische Leitfähigkeit der gasdichten Trennwand ankommt. Es besteht also völlige Freiheit, ein Material für die gasdichte Trennwand anhand der sonstigen Anforderungen an den Brennstoffzellenstapel auszuwählen. Beispielsweise kann für den mobilen Einsatz zur Gewichtsersparnis ein Kunststoff verwendet werden. This in turn means that it no longer depends on the electrical or thermal conductivity of the gas-tight partition. So there is complete freedom to select a material for the gas-tight partition on the basis of other requirements for the fuel cell stack. For example, a plastic can be used for the mobile use for weight saving.

Weiterhin wird die Herstellung der bipolaren Platte deutlich vereinfacht. Die gasdichte Trennwand kann hergestellt und zugleich auch an die Verteilerstrukturen gekoppelt werden, indem ein Material im flüssigen Zustand in den Zwischenraum zwischen den Verteilerstrukturen eingebracht und anschließend verfestigt wird. Die Gasdichtigkeit ist dann unmittelbar hergestellt, ohne dass ein separates Dichtelement benötigt wird. Auch ist es nicht erforderlich, beim Zusammenfügen der Verteilerstrukturen mit der gasdichten Trennwand enge Fertigungstoleranzen zu beachten.Furthermore, the production of the bipolar plate is significantly simplified. The gas-tight partition can be produced and at the same time coupled to the distributor structures by introducing a material in the liquid state into the intermediate space between the distributor structures and then solidifying it. The gas-tightness is then directly produced without the need for a separate sealing element. Also, it is not necessary to observe close manufacturing tolerances when assembling the distributor structures with the gas-tight partition.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens ein Verbindungselement sowohl Teil des Gewebes der ersten Verteilerstruktur als auch Teil des Gewebes der zweiten Verteilerstruktur. Das bedeutet, dass dieses Verbindungselement in beide Gewebe eingeflochten ist. Da innerhalb eines jeden Gewebes der Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Fäden des Gewebes vernachlässigbar ist, ist das Verbindungselement dann optimal an beide Verteilerstrukturen angekoppelt.In a particularly advantageous embodiment, at least one connecting element is both part of the fabric of the first distributor structure and part of the fabric of the second distributor structure. This means that this connection element is woven into both fabrics. Since the contact resistance between the individual threads of the fabric is negligible within each tissue, the connecting element is then optimally coupled to both distributor structures.

Die Gewebe beider Verteilerstrukturen verschmelzen also letztendlich zu einem einzigen, in die dritte Dimension erweiterten, „zweigeschossigen Gewebe“. Die Position und Dichte (Häufigkeit) der Verbindungselemente kann dann vorteilhaft so ausgewählt werden, dass die Verbindungselemente nicht nur eine optimale Leitfähigkeit bieten, sondern auch Stabilität und Festigkeit nach dem Fachwerk-Prinzip.Thus, the tissues of both distribution structures eventually merge into a single "two-story tissue" extended into the third dimension. The position and density (frequency) of the connecting elements can then be advantageously selected so that the connecting elements not only provide optimum conductivity, but also stability and strength according to the framework principle.

Vorteilhaft sind die erste Verteilerstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels und die zweite Verteilerstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Im fertig zusammengefügten Brennstoffzellenstapel befindet sich die erste Verteilerstruktur dann im Anodenraum einer Brennstoffzelle, und die zweite Verteilerstruktur befindet sich im Kathodenraum einer benachbarten Brennstoffzelle. The first distributor structure for distributing a fuel as the operating medium of the fuel cell stack and the second distributor structure for distributing an oxidizing agent as the operating medium of the fuel cell stack are advantageously formed. In the finished assembled fuel cell stack, the first distributor structure is then located in the anode compartment of a fuel cell, and the second distributor structure is located in the cathode compartment of an adjacent fuel cell.

Die Verteilerstrukturen können mit jeweils an die entsprechenden Medien angepassten Beschichtungen versehen sein, um die Dauerhaltbarkeit der metallischen Fäden des Gewebes zu verbessern. Beispielsweise können die Kanäle der Verteilerstruktur für Wasserstoff als Brennstoff mit einer versprödungshemmenden Beschichtung versehen sein. Die Kanäle der Verteilerstruktur für Luft als Oxidationsmittel können beispielsweise mit einer gegen im Betrieb des Brennstoffzellenstapels entstehendes Produktwasser (DI-Wasser) beständigen Beschichtung versehen sein.The distributor structures may be provided with respective coatings adapted to the respective media in order to improve the durability of the metallic threads of the fabric. For example, the channels of the hydrogen distribution structure may be provided with an embrittlement-inhibiting coating as fuel. The channels of the distributor structure for air as the oxidizing agent can be provided, for example, with a product water (DI-water) resistant to coating during operation of the fuel cell stack.

Die Beschichtung kann beispielsweise bereits auf die metallischen Fäden aufgebracht sein, bevor diese zu den jeweiligen Verteilerstrukturen verflochten werden. Dies ist fertigungstechnisch deutlich einfacher als die Verteilerstrukturen nachträglich von innen zu beschichten. Insbesondere ist dann sichergestellt, dass das jeweilige Beschichtungsmaterial die durchgängigen Poren in den Verteilerstrukturen nicht verlegt.For example, the coating can already be applied to the metallic threads before they are interwoven into the respective distributor structures. This is much easier to manufacture than coating the distribution structures from the inside out. In particular, it is then ensured that the respective coating material does not displace the continuous pores in the distributor structures.

Im fertig zusammengefügten Brennstoffzellenstapel stehen die Verteilerstrukturen im Kontakt mit Gasdiffussionsschichten von Katalysatoren zu beiden Seiten des Elektrolyten, bzw. der semipermeablen Membran. Diese Kontaktstellen sollten korrosionsbeständig, aber auch elektrisch und thermisch leitend sein. Eine Beschichtung zu diesem Zweck kann ebenfalls bereits vor dem Verflechten der metallischen Fäden zu den Verteilerstrukturen auf die Fäden aufgebracht sein, aber auch beispielsweise erst nachträglich auf die fertigen Verteilerstrukturen aufgebracht werden.In the finished assembled fuel cell stack, the distributor structures are in contact with gas diffusion layers of catalysts on both sides of the electrolyte, or the semipermeable membrane. These contact points should be corrosion resistant, but also be electrically and thermally conductive. A coating for this purpose can likewise be applied to the threads already before the interweaving of the metallic threads into the distributor structures, but also, for example, can only be subsequently applied to the finished distributor structures.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich eine dritte als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur sowie eine zweite gasdichte Trennwand zwischen der zweiten Verteilerstruktur und der dritten Verteilerstruktur vorgesehen. Es ist dann weiterhin eine Mehrzahl weiterer Verbindungselemente vorgesehen, die die zweite gasdichte Trennwand durchqueren und mit der zweiten und der dritten Verteilerstruktur jeweils verflochten und/oder verlötet sind.In a further particularly advantageous embodiment, a third distribution structure formed as a metallic fabric and a second gas-tight partition wall between the second distribution structure and the third distribution structure are additionally provided. It is then further provided a plurality of further connecting elements which traverse the second gas-tight partition and are intertwined and / or soldered to the second and the third distributor structure, respectively.

Die elektrische und thermische Verbindung zwischen der zweiten und der dritten Verteilerstruktur funktioniert völlig analog zu der Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Verteilerstruktur. Auf diese Weise ergibt sich auf dem Weg von der ersten zur dritten Verteilerstruktur ein besonders niedriger Gesamtwiderstand im Vergleich zu einem Aufbau, in dem eine Vielzahl von Kontaktwiderständen jeweils zwischen einer Verteilerstruktur und einer angrenzenden gasdichten Trennwand zu überwinden ist.The electrical and thermal connection between the second and the third distributor structure works completely analogously to the connection between the first and the second distributor structure. In this way, on the way from the first to the third distributor structure results in a particularly low total resistance compared to a structure in which a plurality of contact resistances is to be overcome in each case between a distributor structure and an adjacent gas-tight partition.

Analog zur Verbindung zwischen der ersten und zweiten Verteilerstruktur ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung mindestens eines der weiteren Verbindungselemente sowohl Teil des Gewebes der zweiten Verteilerstruktur als auch Teil des Gewebes der dritten Verteilerstruktur. Das „zweigeschossige Gewebe“ ist also zu einem „dreigeschossigen Gewebe“ erweitert.Analogously to the connection between the first and second distributor structure, in a particularly advantageous embodiment at least one of the further connecting elements is both part of the fabric of the second distributor structure and part of the fabric of the third distributor structure. The "two-storey tissue" is therefore extended to a "three-storey tissue".

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste Verteilerstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels, die zweite Verteilerstruktur zur Verteilung eines Kühlmittels als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels und die dritte Verteilerstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Indem also „Zwischengeschosse“ für die Kühlung in den Brennstoffzellenstapel eingefügt sind, lässt sich die Kühlung räumlich auf den gesamten Brennstoffzellenstapel verteilen. Dies vermeidet große Temperaturunterschiede innerhalb des Brennstoffzellenstapels, die auf Grund thermischer Ausdehnungseffekte zu mechanischen Spannungen führen. Weiterhin kann insgesamt eine größere Wärmemenge aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt und dessen Leistungsdichte somit weiter gesteigert werden.In a particularly advantageous embodiment, the first distribution structure for distributing a fuel as the operating medium of the fuel cell stack, the second distribution structure for distributing a coolant as the operating medium of the fuel cell stack and the third distribution structure for distributing an oxidizing agent as the operating medium of the fuel cell stack. Thus, by inserting "intermediate floors" for the cooling in the fuel cell stack, the cooling can be spatially distributed over the entire fuel cell stack. This avoids large temperature differences within the fuel cell stack, which due to thermal expansion effects lead to mechanical stresses. Furthermore, a total of a larger amount of heat can be dissipated from the fuel cell stack and thus its power density can be further increased.

Vorteilhaft umfasst mindestens eine der Verteilerstrukturen Fäden aus Stahl und/oder Aluminium. Diese Metalle sind vergleichsweise kostengünstig und zugleich gut verflechtbar. Die Verbindungselemente müssen nicht zwingend aus dem gleichen Metall bestehen wie die Fäden, die lediglich innerhalb einer der Verteilerstrukturen verlaufen. Es müssen lediglich gemeinsam verwendete Metalle kompatibel in Bezug auf Kontaktkorrosion sein.At least one of the distributor structures advantageously comprises threads made of steel and / or aluminum. These metals are comparatively inexpensive and at the same time well interleaved. The connecting elements need not necessarily be made of the same metal as the threads which run only within one of the distributor structures. Only shared metals need to be compatible in terms of contact corrosion.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste gasdichte Trennwand, und/oder die zweite gasdichte Trennwand, Aluminium, einen Kunststoff und/oder ein Harz.In a particularly advantageous embodiment, the first gas-tight partition, and / or the second gas-tight partition, aluminum, a plastic and / or a resin.

Aluminium hat hier den Vorteil, dass es besonders leicht ist und auch einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt hat. Weiterhin kann Kontaktkorrosion ausgeschlossen werden, wenn die an die gasdichte Trennwand angrenzenden Verteilerstrukturen ebenfalls aus Aluminium bestehen.Aluminum has the advantage here that it is particularly light and also has a comparatively low melting point. Furthermore, contact corrosion can be ruled out if the distributor structures adjoining the gas-tight partition also consist of aluminum.

Ein Kunststoff und ein Harz sind noch leichter als Aluminium und auch bei noch niedrigeren Temperaturen als Aluminium flüssig. Weiterhin wird unabhängig davon, aus welchen Metallen die angrenzenden Verteilerstrukturen bestehen, keine Kontaktkorrosion dieser Verteilerstrukturen bewirkt. A plastic and a resin are even lighter than aluminum and even at temperatures even lower than aluminum liquid. Furthermore, irrespective of which metals the adjacent distributor structures consist of, no contact corrosion of these distributor structures is effected.

Die Verfestigung des Kunststoffes oder des Harzes muss nicht zwangsläufig durch Abkühlen unter einen Schmelzpunkt erfolgen. Beispielsweise kann der Kunststoff oder das Harz ein Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten sein, die miteinander reagieren und so die Verfestigung bewirken. Es kann auch beispielsweise ein Kunststoff oder ein Harz verwendet werden, dessen Verfestigung durch Bestrahlung mit UV-Licht aktiviert wird. Der Kunststoff, bzw. das Harz, kann dann einen höheren Schmelzpunkt haben, so dass der Brennstoffzellenstapel bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.The solidification of the plastic or the resin does not necessarily take place by cooling below a melting point. For example, the plastic or resin may be a mixture of two or more components that react with one another to effect solidification. It is also possible, for example, to use a plastic or a resin whose solidification is activated by irradiation with UV light. The plastic, or the resin, can then have a higher melting point, so that the fuel cell stack can be operated at higher temperatures.

Die Erfindung bezieht sich nach dem zuvor Beschriebenen auch auf ein Verfahren zur Herstellung der bipolaren Platte. Bei diesem Verfahren werden metallische Fäden als Verbindungselemente mit unterschiedlichen, jeweils als metallische Gewebe ausgebildeten, Verteilerstrukturen für Betriebsmedien des Brennstoffzellenstapels verflochten.The invention also relates to the method described above for producing the bipolar plate. In this method, metallic threads are intertwined as connecting elements with different, each formed as a metallic fabric, distribution structures for operating media of the fuel cell stack.

Dabei können beispielsweise fertige Gewebematten als Verteilerstrukturen verwendet und die Verbindungselemente nachträglich mit diesen Gewebematten verflochten werden.In this case, for example, finished fabric mats can be used as distributor structures and the connecting elements can be subsequently interwoven with these fabric mats.

Besonders vorteilhaft werden zur Bildung einer jeden Verteilerstruktur metallische Fäden miteinander verflochten werden, wobei einige der Fäden als Verbindungselemente von einer Verteilerstruktur in eine andere Verteilerstruktur, oder durch alle Verteilerstrukturen, geführt werden. Dann ist zum einen der elektrische und thermische Widerstand beim Übergang von einer Verteilerstruktur zum Verbindungselement und umgekehrt minimal. Zum anderen tragen die Verbindungselemente dann maximal zur Stabilität und Festigkeit der bipolaren Platte bei.In order to form each distributor structure, metallic filaments are particularly advantageously interlaced, wherein some of the filaments are guided as connecting elements from one distributor structure into another distributor structure, or through all distributor structures. Then, on the one hand, the electrical and thermal resistance in the transition from a distribution structure to the connecting element and vice versa minimal. On the other hand, the connecting elements then maximally contribute to the stability and strength of the bipolar plate.

Vorteilhaft wird das Material der gasdichten Trennwand, bzw. Trennwände, jeweils im flüssigen Aggregatzustand in Zwischenräume zwischen benachbarten Verteilerstrukturen eingeführt und dort verfestigt. Auf diese Weise passt es sich an die genauen Abmessungen der Verteilerstrukturen an, so dass beim Zusammenfügen der Trennwände mit den Verteilerstrukturen keine engen Toleranzen zu beachten sind.Advantageously, the material of the gas-tight partition, or partitions, each inserted in the liquid state in intermediate spaces between adjacent distributor structures and solidified there. In this way, it adapts to the exact dimensions of the distributor structures, so that when assembling the partitions with the distributor structures no close tolerances are to be observed.

Vorteilhaft wird ein solches Verhältnis zwischen der Porengröße in den Verteilerstrukturen und der Viskosität und/oder Oberflächenspannung des flüssigen Materials gewählt, dass das flüssige Material nicht in die Poren der Verteilerstrukturen eindringt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Poren der Verteilerstrukturen durch das flüssige Material nicht verlegt werden.Advantageously, such a ratio is chosen between the pore size in the distributor structures and the viscosity and / or surface tension of the liquid material that the liquid material does not penetrate into the pores of the distributor structures. In this way it is ensured that the pores of the distributor structures are not displaced by the liquid material.

Vorteilhaft wird ein Material gewählt, das einen geringeren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden. Dann werden die metallischen Fäden beim Kontakt zu dem flüssigen Material nicht thermisch angegriffen.Advantageously, a material is selected which has a lower melting point than the metallic filaments. Then, the metallic threads are not thermally attacked on contact with the liquid material.

Es kann aber auch ein Material gewählt werden, das einen gleich großen oder höheren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden. Die metallischen Fäden können dann durch eine Beschichtung zumindest für die Zeit bis zum Verfestigen des Materials vor dem Schmelzen geschützt werden. Es ist vorteilhaft, wenn das flüssige Material nicht zu schnell abkühlen muss. Das flüssige Material kann sich dann beim Abkühlen insbesondere in den Bereichen, in denen es von den Verbindungselementen durchquert wird, an die Verbindungselemente anpassen. Es entstehen dann entlang der Verbindungselemente keine Pfade, entlang derer die Gasdichtigkeit geschwächt wird.However, it is also possible to choose a material which has an equal or higher melting point than the metallic threads. The metallic filaments may then be protected by a coating at least for the time to solidification of the material prior to melting. It is advantageous if the liquid material does not have to cool down too quickly. The liquid material can then adapt to the connecting elements during cooling, in particular in the areas in which it is traversed by the connecting elements. There are then no paths along the connecting elements, along which the gas-tightness is weakened.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Verteilerstrukturen durch Wärmeleitung mit einer Wärmesenke verbunden, während sie im Kontakt mit dem flüssigen Material der gasdichten Trennwand, bzw. Trennwände, stehen. Durch diese Kühlung kann zum einen das Verfestigen des Materials beschleunigt werden. Zum anderen hinterlässt die Kühlung, im Gegensatz zu einer Beschichtung, keine dauerhaften Rückstände auf den Verteilerstrukturen. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.In a further advantageous embodiment, the distributor structures are connected by heat conduction with a heat sink, while they are in contact with the liquid material of the gas-tight partition, or partitions. By this cooling, on the one hand, the solidification of the material can be accelerated. On the other hand, the cooling, in contrast to a coating, leaves no permanent residues on the distributor structures. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.

Figurenlistelist of figures

Es zeigt:

  • 1 Prinzipieller Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 9;
  • 2 Ausführungsbeispiel der bipolaren Platte 50;
  • 3 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100.
It shows:
  • 1 Basic structure of a fuel cell stack 9 ;
  • 2 Embodiment of the bipolar plate 50 ;
  • 3 Embodiment of the method 100 ,

Nach 1 umfasst der Brennstoffzellenstapel 9 eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, von denen hier nur zwei Brennstoffzellen 91 und 92 exemplarisch gezeichnet sind. In dem Brennstoffzellenstapel 9 sind alternierend bipolare Platten 50 und Membran-Elektroden-Einheiten 8 gestapelt. Eine jede Brennstoffzelle 91, 92 umfasst eine erste Verteilerstruktur 1 für ein erstes Betriebsmedium 1a, die von einer ersten bipolaren Platte 50 bereitgestellt wird, eine Membran-Elektroden-Einheit 8 sowie eine zweite Verteilerstruktur 2 für ein zweites Betriebsmedium 2a, die von der nächsten bipolaren Platte 50 bereitgestellt wird. Es kann nun beispielsweise das erste Betriebsmedium 1a ein Brennstoff und das zweite Betriebsmedium 2a ein Oxidationsmittel sein.To 1 includes the fuel cell stack 9 a plurality of fuel cells connected in series, of which only two are fuel cells 91 and 92 drawn by way of example. In the fuel cell stack 9 are alternating bipolar plates 50 and membrane-electrode assemblies 8th stacked. Every fuel cell 91 . 92 includes a first distribution structure 1 for a first operating medium 1a that from a first bipolar plate 50 is provided, a membrane electrode assembly 8th and a second distribution structure 2 for a second operating medium 2a that from the next bipolar plate 50 provided. It can now, for example, the first operating medium 1a a fuel and the second operating medium 2a be an oxidizing agent.

Jede Membran-Elektroden-Einheit 8 besteht aus Katalysatorschichten 81 und 83, die jeweils auch Gasdiffussionsschichten umfassen. Zwischen den Katalysatorschichten 81 und 83 befindet sich die Membran 82.Each membrane-electrode unit 8th consists of catalyst layers 81 and 83 , which also comprise gas diffusion layers, respectively. Between the catalyst layers 81 and 83 is the membrane 82 ,

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der bipolaren Platte 50 in der erweiterten Ausführung, in der sie von drei Betriebsmedien 1a, 2a und 3a durchströmbar ist. Es kann nun beispielsweise das erste Betriebsmedium 1a ein Brennstoff, das zweite Betriebsmedium 2a ein Kühlmittel und das dritte Betriebsmedium 3a ein Oxidationsmittel sein. 2 shows an embodiment of the bipolar plate 50 in the extended version, in which they are of three operating media 1a . 2a and 3a can be flowed through. It can now, for example, the first operating medium 1a a fuel, the second operating medium 2a a coolant and the third operating medium 3a be an oxidizing agent.

Zur Führung eines jeden Betriebsmediums 1a, 2a, 3a ist jeweils eine eigene Verteilerstruktur 1, 2, 3 vorgesehen. Die erste Verteilerstruktur 1 ist von der zweiten Verteilerstruktur 2 durch eine erste gasdichte Trennwand 4 getrennt. Die zweite Verteilerstruktur 2 ist von der dritten Verteilerstruktur 3 durch eine zweite gasdichte Trennwand 5 getrennt. Jede Verteilerstruktur 1, 2, 3 ist durch ein metallisches Gewebe aus einer Vielzahl von Fäden gebildet, von denen in 2 jeweils nur einige schematisch dargestellt sind.For the management of each operating medium 1a . 2a . 3a Each is its own distribution structure 1 . 2 . 3 intended. The first distribution structure 1 is from the second distribution structure 2 through a first gas-tight partition 4 separated. The second distribution structure 2 is from the third distribution structure 3 through a second gas-tight partition 5 separated. Each distribution structure 1 . 2 . 3 is formed by a metallic fabric of a multiplicity of threads, of which in 2 only a few are shown schematically.

Einige Fäden sind zunächst Teil der ersten Verteilerstruktur 1, durchqueren in ihrem weiteren Verlauf jedoch die erste gasdichte Trennwand 4 und treten in die zweite Verteilerstruktur 2 über, um auch dort im Gewebe mit den übrigen Fäden verflochten zu werden. Diese Fäden sind die Verbindungselemente 6 zwischen der ersten Verteilerstruktur 1 und der zweiten Verteilerstruktur 2. In 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein solches Verbindungselement 6 eingezeichnet.Some threads are initially part of the first distribution structure 1 However, in their further course, they pass through the first gas-tight partition 4 and enter the second distribution structure 2 in order to be intertwined in the fabric with the other threads. These threads are the fasteners 6 between the first distribution structure 1 and the second distribution structure 2 , In 2 For the sake of clarity, only such a connecting element 6 located.

Analog sind einige Fäden zunächst Teil der zweiten Verteilerstruktur 2, durchqueren in ihrem weiteren Verlauf jedoch die zweite gasdichte Trennwand 5 und treten in die dritte Verteilerstruktur 3 über, um auch dort im Gewebe mit den übrigen Fäden verflochten zu werden. Diese Fäden sind die Verbindungselemente 7 zwischen der zweiten Verteilerstruktur 2 und der dritten Verteilerstruktur 3. In 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein solches Verbindungselement 7 eingezeichnet.Similarly, some threads are initially part of the second distribution structure 2 , however, pass through the second gas-tight partition wall in their further course 5 and enter the third distribution structure 3 in order to be intertwined in the fabric with the other threads. These threads are the fasteners 7 between the second distribution structure 2 and the third distribution structure 3 , In 2 For the sake of clarity, only such a connecting element 7 located.

Die gasdichten Trennwände 4 und 5 waren im Stand der Technik nicht vorhanden.The gas-tight partitions 4 and 5 were not present in the prior art.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens 100. Gemäß Schritt 110 werden metallische Fäden als Verbindungselemente 6, 7 mit jeweils benachbarten Verteilerstrukturen 1 und 2, bzw. 2 und 3, verflochten. Dabei können diese Verbindungselemente 6, 7 insbesondere gemäß Block 112 zunächst in einer Verteilerstruktur 1, 2 im Gewebe verflochten und dann in eine andere Verteilerstruktur 2, 3 geführt werden. Auf diese Weise ist die in 2 dargestellte Konfiguration der Fäden entstanden. 3 shows an embodiment of the manufacturing process 100 , According to step 110 become metallic threads as connecting elements 6 . 7 each with adjacent distribution structures 1 and 2 , or. 2 and 3 , intertwined. These fasteners can 6 . 7 in particular according to block 112 initially in a distribution structure 1 . 2 intertwined in the tissue and then in another distribution structure 2 . 3 be guided. In this way, the in 2 shown configuration of the threads emerged.

Gemäß Schritt 120 wird das Material der gasdichten Trennwand 4, 5 im flüssigen Aggregatzustand in Zwischenräume zwischen benachbarten Verteilerstrukturen 1 und 2, bzw. 2 und 3, eingebracht. Gemäß Schritt 130 wird das Material anschließend verfestigt.According to step 120 becomes the material of the gas-tight partition 4 . 5 in the liquid state of matter in interspaces between adjacent distributor structures 1 and 2 , or. 2 and 3 , brought in. According to step 130 the material is then solidified.

Innerhalb von Schritt 120 kann gemäß Block 121 ein solches Verhältnis zwischen der Porengröße in den Verteilerstrukturen 1, 2, 3 einerseits und der Viskosität und/oder Oberflächenspannung des flüssigen Materials andererseits gewählt werden, dass das flüssige Material nicht in die Poren der Verteilerstrukturen 1, 2, 3 eindringt.Within step 120 can according to block 121 such a ratio between the pore size in the manifold structures 1 . 2 . 3 on the one hand and the viscosity and / or surface tension of the liquid material on the other hand be chosen so that the liquid material does not penetrate into the pores of the distributor structures 1 . 2 . 3 penetrates.

Gemäß Block 122 kann ein Material gewählt werden, das einen geringeren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden in den Verteilerstrukturen 1, 2, 3. Alternativ kann gemäß Block 123 ein Material gewählt werden, das einen gleich großen oder höheren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden, wobei dann gemäß Block 124 die metallischen Fäden durch eine Beschichtung zumindest für die Zeit bis zum Verfestigen 130 des Materials vor dem Schmelzen geschützt werden.According to block 122 For example, a material may be chosen that has a lower melting point than the metallic filaments in the manifold structures 1 . 2 . 3 , Alternatively, according to block 123 a material having an equal to or higher melting point than the metallic filaments, wherein then according to block 124 the metallic threads through a coating at least for the time to solidify 130 the material is protected from melting.

Die Verteilerstrukturen 1, 2, 3 können gemäß Block 125 auch durch Wärmeleitung mit einer Wärmesenke verbunden werden, während sie im Kontakt mit dem flüssigen Material einer gasdichten Trennwand 4, 5 stehen.The distribution structures 1 . 2 . 3 can according to block 125 be connected by heat conduction with a heat sink while in contact with the liquid material of a gas-tight partition 4 . 5 stand.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102016213057 A1 [0003]DE 102016213057 A1 [0003]

Claims (15)

Bipolare Platte (50) für einen Brennstoffzellenstapel (9), umfassend mindestens eine erste als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (1) für ein erstes Betriebsmedium (1a) des Brennstoffzellenstapels (9), eine zweite als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (2) für ein zweites Betriebsmedium (2a) des Brennstoffzellenstapels (9) sowie eine erste gasdichte Trennwand (4) zwischen der ersten Verteilerstruktur (1) und der zweiten Verteilerstruktur (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Verbindungselementen (6) vorgesehen sind, die die erste gasdichte Trennwand (4) durchqueren und mit beiden Verteilerstrukturen (1, 2) jeweils verflochten und/oder verlötet sind.A bipolar plate (50) for a fuel cell stack (9), comprising at least one first distribution structure formed as a metallic fabric (1) for a first operating medium (1a) of the fuel cell stack (9), a second formed as a metallic fabric distribution structure (2) for a second Operating medium (2a) of the fuel cell stack (9) and a first gas-tight partition (4) between the first distributor structure (1) and the second distributor structure (2), characterized in that a plurality of connecting elements (6) are provided, the first gas-tight Pass through the partition wall (4) and in each case intertwined and / or soldered to both distributor structures (1, 2). Bipolare Platte (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (6) sowohl Teil des Gewebes der ersten Verteilerstruktur (1) als auch Teil des Gewebes der zweiten Verteilerstruktur (2) ist.Bipolar plate (50) after Claim 1 , characterized in that at least one connecting element (6) is both part of the fabric of the first distributor structure (1) and part of the fabric of the second distributor structure (2). Bipolare Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerstruktur (1) zur Verteilung eines Brennstoffs als Betriebsmedium (1a) des Brennstoffzellenstapels (9) und die zweite Verteilerstruktur (2) zur Verteilung eines Oxidationsmittels als Betriebsmedium (2a) des Brennstoffzellenstapels (9) ausgebildet sind.Bipolar plate (50) after one of the Claims 1 to 2 , characterized in that the first distributor structure (1) for distributing a fuel as the operating medium (1a) of the fuel cell stack (9) and the second distributor structure (2) for distributing an oxidizing agent as operating medium (2a) of the fuel cell stack (9) are formed. Bipolare Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine dritte als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (3) sowie eine zweite gasdichte Trennwand (5) zwischen der zweiten Verteilerstruktur (2) und der dritten Verteilerstruktur (3) vorgesehen sind, wobei eine Mehrzahl weiterer Verbindungselemente (7) vorgesehen sind, die die zweite gasdichte Trennwand (5) durchqueren und mit der zweiten (2) und der dritten (3) Verteilerstruktur jeweils verflochten und/oder verlötet sind.Bipolar plate (50) after one of the Claims 1 to 2 , characterized in that in addition a third designed as a metallic fabric distributor structure (3) and a second gas-tight partition (5) between the second distributor structure (2) and the third distributor structure (3) are provided, wherein a plurality of further connecting elements (7) are provided are passing through the second gas-tight partition wall (5) and are intertwined and / or soldered to the second (2) and the third (3) distribution structure, respectively. Bipolare Platte (50) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der weiteren Verbindungselemente (7) sowohl Teil des Gewebes der zweiten Verteilerstruktur (2) als auch Teil des Gewebes der dritten Verteilerstruktur (3) ist.Bipolar plate (50) after Claim 4 , characterized in that at least one of the further connecting elements (7) is both part of the fabric of the second distributor structure (2) and part of the fabric of the third distributor structure (3). Bipolare Platte (50) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerstruktur (1) zur Verteilung eines Brennstoffs als Betriebsmedium (1a) des Brennstoffzellenstapels (9), die zweite Verteilerstruktur (2) zur Verteilung eines Kühlmittels als Betriebsmedium (2a) des Brennstoffzellenstapels (9) und die dritte Verteilerstruktur (3) zur Verteilung eines Oxidationsmittels als Betriebsmedium (3a) des Brennstoffzellenstapels (9) ausgebildet sind.Bipolar plate (50) after one of the Claims 4 to 5 , characterized in that the first distributor structure (1) for distributing a fuel as operating medium (1a) of the fuel cell stack (9), the second distribution structure (2) for distributing a coolant as the operating medium (2a) of the fuel cell stack (9) and the third distribution structure (3) for distributing an oxidizing agent as the operating medium (3a) of the fuel cell stack (9) are formed. Bipolare Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Verteilerstrukturen (1, 2, 3) Fäden aus Stahl und/oder Aluminium umfasst.Bipolar plate (50) after one of the Claims 1 to 6 , characterized in that at least one of the distributor structures (1, 2, 3) comprises threads of steel and / or aluminum. Bipolare Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste gasdichte Trennwand (4), und/oder die zweite gasdichte Trennwand (5), Aluminium, einen Kunststoff und/oder ein Harz umfasst.Bipolar plate (50) after one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the first gas-tight partition (4), and / or the second gas-tight partition (5), aluminum, a plastic and / or a resin. Verfahren (100) zur Herstellung einer bipolaren Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Fäden als Verbindungselemente (6, 7) mit unterschiedlichen, jeweils als metallische Gewebe ausgebildeten, Verteilerstrukturen (1, 2; 2, 3) für Betriebsmedien (1a, 2a, 3a) des Brennstoffzellenstapels (9) verflochten werden (110).Method (100) for producing a bipolar plate (50) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that metallic threads are intertwined as connecting elements (6, 7) with different distributor structures (1, 2, 2, 3) for operating media (1a, 2a, 3a) of the fuel cell stack (9), each designed as metallic fabric ( 110). Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer jeden Verteilerstruktur (1, 2, 3) metallische Fäden miteinander verflochten werden (112), wobei einige der Fäden als Verbindungselemente von einer Verteilerstruktur (1, 2) in eine andere Verteilerstruktur (2, 3), oder durch alle Verteilerstrukturen (1, 2, 3), geführt werden (114).Method (100) according to Claim 9 characterized in that metallic threads are interlaced (112) to form each distributor structure (1, 2, 3), some of the threads being used as connecting elements from one distributor structure (1, 2) to another distributor structure (2, 3), or through all distribution structures (1, 2, 3), (114). Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der gasdichten Trennwand (4, 5), bzw. Trennwände, jeweils im flüssigen Aggregatzustand in Zwischenräume zwischen benachbarten Verteilerstrukturen (1, 2; 2, 3) eingeführt (120) und dort verfestigt (130) wird.Method (100) according to one of Claims 9 to 10 , characterized in that the material of the gas-tight partition (4, 5), or partitions, respectively in the liquid state state in intermediate spaces between adjacent distributor structures (1, 2, 2, 3) introduced (120) and solidified there (130). Verfahren (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches Verhältnis zwischen der Porengröße in den Verteilerstrukturen und der Viskosität und/oder Oberflächenspannung des flüssigen Materials gewählt wird (121), dass das flüssige Material nicht in die Poren der Verteilerstrukturen (1, 2, 3) eindringt.Method (100) according to Claim 11 , characterized in that such a ratio between the pore size in the distributor structures and the viscosity and / or surface tension of the liquid material is selected (121) that the liquid material does not penetrate into the pores of the distributor structures (1, 2, 3). Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material gewählt wird (122), das einen geringeren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden.Method (100) according to one of Claims 11 to 12 , characterized in that a material is chosen (122), which has a lower melting point than the metallic threads. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material gewählt wird (123), das einen gleich großen oder höheren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden, wobei die metallischen Fäden durch eine Beschichtung zumindest für die Zeit bis zum Verfestigen (130) des Materials vor dem Schmelzen geschützt werden (124).Method (100) according to one of Claims 11 to 12 characterized in that a material is selected (123) having an equal or higher melting point than the metallic filaments, the metallic filaments being protected by a coating at least for the time to solidification (130) of the material prior to melting (124). Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerstrukturen (1, 2, 3) durch Wärmeleitung mit einer Wärmesenke verbunden werden, während sie im Kontakt mit dem flüssigen Material der gasdichten Trennwand (4, 5), bzw. Trennwände, stehen.Method (100) according to one of Claims 11 to 14 , characterized in that the Distributor structures (1, 2, 3) are connected by heat conduction with a heat sink, while they are in contact with the liquid material of the gas-tight partition (4, 5), or partitions.
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