DE102021006001B3

DE102021006001B3 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102021006001B3
Application number: DE102021006001.6A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schleicher; Rudolf Fink
Original assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Priority date: 2021-12-04
Filing date: 2021-12-04
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2041-12-05

Abstract

Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle beschrieben, wobei die Bipolarplatte (10) ein Strangpresskörper (12) ist, der einen ebenflächigen Zentralkörper (14) aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten Hauptflächen (16) dünnwandige Längsrippen (18) aufweist, die voneinander durch Längstäler (20) beabstandet sind, wobei die Längsrippen (18) von der jeweiligen Hauptfläche (16) senkrecht wegstehen, und wobei die Längsrippen (18) der einen Hauptfläche (16) und die Längsrippen (18) der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche (16) sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten (10) zwischen den Längsrippen (18) der einen Hauptfläche (16) und den Längsrippen (18) der anderen Hauptfläche (16) ein mäanderförmiger Spaltraum (21) für eine Brennstoffzellen-Membrane (28) definiert ist, wobei die dünnwandigen Längsrippen und Längstäler von der jeweiligen Hauptfläche (16) des Zentralkörpers (14) beabstandet sind, und die Längsrippen (18) mit voneinander beabstandeten Querschlitzen (26) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
Die DE 11 2006 000 345 B4 beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte mit einer Vielzahl von Reaktanten-Anströmungskanälen. Die Bipolarplatte weist eine Beschichtung auf, welche die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend macht. Die Beschichtung ist eine ursprünglich zwei Metalle umfassende Metallbeschichtung, die Nanoporen aufweist, die durch die Entfernung eines der Metalle aus der Beschichtung entstehen. Das Material dieser Bipolarplatte kann aus rostfreiem Stahl, Titan oder Aluminium bestehen oder ein Polymer-Graphit-Composit basiertes Material sein.
Die DE 10 2018 220 825 A1 offenbart eine Einzelzelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einzelzelle einen Einsatz aus einer Membrane-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Gas-Diffusionsschicht (GDL) aufweist. Die Einzelzelle weist außerdem einen geschäumten Körper auf, der an einer Außenseite des Einsatzes angeordnet ist.
Die DE 10 2019 209 766 A1 beschreibt eine Bipolarplatte zur Verteilung eines Reaktanten auf eine Membrane der Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte weist zu diesem Zwecke mindestens einen Kanal zur Erzeugung eines Flussfeldes auf und ist elektrisch leitfähig. Sie kann aus einem Compositwerkstoff bestehen, der wenigstens ein hygroskopisches und wenigstens ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Aus der DE 10 2020 204 292 A1 ist eine Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenstapel (Stack) zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie bekannt.
Die DE 10 2020 118 597 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Einheitszellen, die in einem Stapel (Stack) angeordnet sind. Jede Einheitszelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf.
Bei den bekannten Bipolarplatten sind sowohl diese als auch die Membranen ebenflächig ausgebildet. Die Membranen mit den Katalysator- und Diffusionsschichten sind zwischen den ebenflächigen Bipolarplatten angeordnet, so dass die Grundfläche der Brennstoffzelleneinheiten entsprechend groß sein muss, um eine gewünschte Stromdichte (A/cm²) und folglich eine gewünschte elektrische Leistung zu generieren. Daraus resultieren große Gesamtabmessungen eines Stapels aus den Bennstoffzelleneinheiten.
Die ältere Patentanmeldung DE 10 2021 005 570.5 beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte einen ebenflächigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen Membrane-Anlageorgane aufweist, die von der jeweiligen Hauptfläche senkrecht wegstehen und voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane der einen Hauptfläche und die Membrane-Anlageorgane der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten zwischen den Membrane-Anlageorganen der einen Hauptfläche und den Membrane-Anlageorganen der anderen Hauptfläche ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist, und wobei der Zentralkörper der Bipolarplatte an der jeweiligen Hauptfläche mit einer Gaseinlass-Vertiefung ausgebildet ist, die mit den an der jeweiligen Hauptfläche vorgesehenen Membrane-Anlageorganen fluidisch verbunden ist. Bei dieser Bipolarplatte sind die Membrane-Anlageorgane bspw. als Längsrippen ausgebildet, die durch Längstäler voneinander beabstandet sind. Die Membrane-Anlageorgane sind selbständige Elemente, die mit dem Zentralkörper in einem eigenen Arbeitsschritt mechanisch fest verbunden werden, oder sie sind von Zungenelementen gebildet, die mit dem Zentralkörper materialeinstückig in einem Formarbeitsgang durch Spritzpressen hergestellt werden. Sowohl bei der ersten Ausführungsform als auch im zuletzt genannten Spritzpress-Verfahren werden die Bipolarplatten diskontinuierlich hergestellt. Das lässt unter Zeit- und Produktivitätsgesichtspunkten noch Wünsche offen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zu schaffen, die zeitsparend, mit hoher Produktivität herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1, d.h. dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte ein Strangpresskörper ist, der einen ebenflächigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen dünnwandige Längsrippen aufweist, die voneinander durch Längstäler beabstandet sind, wobei die Längsrippen von der jeweiligen Hauptfläche senkrecht wegstehen, und wobei die Längsrippen der einen Hauptfläche und die Längsrippen der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten zwischen den Längsrippen der einen Hauptfläche und den Längsrippen der anderen Hauptfläche ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist, dass die dünnwandigen Längsrippen und Längstäler von der zugehörigen Hauptfläche des Zentralkörpers beabstandet sind, und dass die Längsrippen mit voneinander beabstandeten Querschlitzen ausgebildet sind.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte ein Strangpresskörper ist, ergibt sich der Vorteil, dass eine Vielzahl Bipolarplatten kontinuierlich zeitsparend herstellbar sind, woraus eine hohe Produktivität resultiert. Beim Strangpressvorgang wird der ebenflächige Zentralkörper gemeinsam mit den Längsrippen und Längstälern in einem Verfahrensschritt hergestellt. Anschließend werden die Längsrippen mit den Querschlitzen ausgebildet. Durch die Querschlitze wird die fluidische Verbindung der jeweiligen Bipolarplatte mit der zugehörigen Brennstoffzellen-Membrane realisiert.
Dadurch, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten zwischen den quergeschlitzten Längsrippen der einen Hauptfläche und den quergeschlitzten Längsrippen der anderen Hauptfläche der benachbarten Bipolarplatte ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane gegeben ist, ergibt sich der Vorteil, dass zwischen den benachbarten Bipolarplatten eine vergleichsweise großflächige Brennstoffzellen-Membrane anordenbar ist. Nachdem bekanntermaßen der generierbare elektrische Strom (1A≈1cm²) und damit die elektrische Leistung zur Membrane-Fläche proportional ist, ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, entweder die Flächenabmessungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatten bei einer vorgegebenen elektrischen Leistung zu reduzieren, oder bei vorgegebenen Flächenabmessungen der Bipolarplatten eine größere elektrische Leistung zu erzielen. Für einen Brennstoffzellenstapel (Stack) bedeutet das, dass mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten bei einer vorgegebenen Grundfläche des Brennstoffzellenstapels die Gesamthöhe des Stapels kleiner sein kann, oder dass bei einer vorgegebenen Höhenabmessung des Stapels seine Grundfläche kleiner sein kann als bei Stacks mit bekannten Bipolarplatten. Dem Zwecke einer großen elektrischen Stromausbeute ist es hierbei in vorteilhafter Weise förderlich, dass zwischen dem ebenflächigen Zentralkörper und den davon beabstandeten Längsrippen und Längstälern ein im Vergleich zu bekannten, geätzten oder gestanzten Bipolarplatten relativ großer Raum für das Reaktionsgas gegeben ist, so dass eine entsprechend große Quantität der Reaktanten wie bspw. von Wasserstoff und Luftsauerstoff der entsprechenden Einzel-Brennstoffzelle zugeführt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte wechseln sich die Längsrippen und Längstäler vorzugsweise mäanderförmig, wellenartig ab, so dass zwischen benachbarten Bipolarplatten eine dünnen Brennstoffzellen-Membrane problemlos anordenbar ist, ohne dass Beschädigungen derselben zu befürchten sind.
Die Brennstoffzellen-Membrane besteht üblicherweise aus einem flexiblen Material mit einer Wanddicke von z.B. 10nm. Sie kann an ihren beiden Hauptflächen jeweils mit einem Katalysator beschichtet sein. Desgleichen ist es möglich, dass die Brennstoffzellen-Membrane an ihren beiden voneinander abgewandten Hauptflächen jeweils einen Katalysator und eine Gasdiffusionsschicht aufweist. Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Brennstoffzellen-Membrane siebenschichtig ausgebildet ist, d.h. an ihren beiden Hauptflächen jeweils einen Katalysator, eine Gasdiffusionsschicht und eine Dichtung aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte können die Querschlitze sich bis in die Nähe der Böden der Längstäler erstrecken. Die Querschlitze sind voneinander durch Querstege beabstandet, durch die eine gewünschte mechanische Stabilität der Längsrippen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte erzielt wird. Vorteilhaft kann es sein, wenn die lichte Breite der Querschlitze mindestens gleich groß ist wie die Breite der Querstege.
Die Längsrippen und die Längstäler wechseln sich vorzugsweise mäanderförmig, wellenartig ab. Die Höhenabmessung der Längsrippen kann mindestens gleich groß sein wie der Abstand zwischen benachbarten Längsrippen.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte kann der Strangpresskörper der Bipolarplatte aus einem Graphit-Compositmaterial bestehen. Desgleichen ist es möglich, dass der Strangpresskörper der Bipolarplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
Entlang des Randes jeder der beiden Hauptflächen des Strangpresskörpers der Bipolarplatte steht vorzugsweise ein Dichtungskragen weg. Dabei können die von den beiden Hauptflächen des Strangpresskörpers der Bipolarplatte wegstehenden Dichtungskragen unterschiedliche Höhenabmessungen aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das passende Aufeinanderstapeln von Bipolarplatten einfach, sicher und zuverlässige gewährleistet wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung den anliegenden Zeichnungen.
Es zeigen:

1 vergrößert und nicht maßstabsgetreu einen Abschnitt einer Ausführungsform der Bipolarplatte,
2 abschnittweise einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in 1 durch die Bipolarplatte, und
3 einen Abschnitt zweier zusammengebauter Bipolarplatten gemäß 1 mit einer zwischen diesen mäanderförmig angeordneten Brennstoffzellen-Membrane.

1 zeigt vergrößert und nicht maßstabgetreu einen Abschnitt einer Ausführungsform der Bipolarplatte 10, die als Strangpresskörper 12 ausgebildet ist. Der Strangpresskörper 12 weist einen ebenflächigen Zentralkörper 14 auf, der an seinen beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen 16 jeweils dünnwandige Längsrippen 18 aufweist. Die Längsrippen 18 sind voneinander durch Längstäler 20 beabstandet und von der zugehörigen Hauptfläche 14 beabstandet, so dass zwischen der jeweiligen Hauptfläche 14 und den hierzu benachbarten Längsrippen 18 und Längstälern 28 ein Raum 22 für ein Reaktionsgas definiert ist. Bei den Reaktionsgasen handelt es sich bspw. um Wasserstoff und Luftsauerstoff.
In den jeweiligen Raum 22 mündet ein Reaktionsgas-Einlass 24 ein.
Die Längsrippen 18 sind mit voneinander beabstandeten Querschlitzen 26 ausgebildet, wie aus 2 deutlich ersichtlich ist. Die Querschlitze 26 erstrecken sich vorzugsweise bis in die Nähe der Böden 28 der Längstäler 20. Die Querschlitze 26 sind voneinander durch Querstege 30 beabstandet. Die lichte Breite „a“ der Querschlitze 26 ist zweckmäßigerweise mindestens gleich groß wie die Breite „b“ der Querstege 30.
3 zeigt abschnittweise zwei Bipolarplatten 10 im zusammengebauten Zustand, in dem zwischen ihnen ein mäanderförmiger Spaltraum 21 bestimmt ist. Im Spaltraum 21 ist mäanderförmig eine Brennstoffzellen-Membrane 28 angeordnet.
1 verdeutlicht außerdem Dichtungskragen 34, die materialeinstückig von den Hauptflächen 16 des Zentralkörpers 14 mit unterschiedlichen Höhenabmessungen h₁ und h₂ wegstehen.
Bezugszeichenliste

10: Bipolarplatte
12: Strangpresskörper (von 10)
14: ebenflächiger Zentralkörper (von 10)
16: Hauptfläche (von 14)
18: Längsrippen (von 10)
20: Längstäler (von 10)
21: mäanderförmiger Spaltraum (für 32)
22: Raum (zwischen 16 und 18, 20)
24: Reaktionsgas-Einlass (von 10 nach 22)
26: Querschlitze (in 18)
28: Boden (von 20)
30: Stege (zwischen 26)
32: Brennstoffzellen-Membrane (in 21)
34: Dichtungskragen (von 12 an 14)

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) ein Strangpresskörper (12) ist, der einen ebenflächigen Zentralkörper (14) aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten Hauptflächen (16) dünnwandige Längsrippen (18) aufweist, die voneinander durch Längstäler (20) beabstandet sind, wobei die Längsrippen (18) von der jeweiligen Hauptfläche (16) senkrecht wegstehen, und wobei die Längsrippen (18) der einen Hauptfläche (16) und die Längsrippen (18) der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche (16) sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten (10) zwischen den Längsrippen (18) der einen Hauptfläche (16) und den Längsrippen (18) der anderen Hauptfläche (16) ein mäanderförmiger Spaltraum (21) für eine Brennstoffzellen-Membrane (28) definiert ist, dass die dünnwandigen Längsrippen und Längstäler von der jeweiligen Hauptfläche (16) des Zentralkörpers (14) beabstandet sind, und dass die Längsrippen (18) mit voneinander beabstandeten Querschlitzen (26) ausgebildet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschlitze (26) sich bis in die Nähe der Böden (28) der Längstäler (20) erstrecken.
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschlitze (26) voneinander durch Querstege (30) beabstandet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Breite (a) der Querschlitze (26) mindestens gleich groß ist wie die Breite (b) der Querstege (30).
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (18) und die Längstäler (20) sich mäanderförmig, wellenartig abwechseln.
Bipolarplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenabmessung der Längsrippen (18) mindestens gleich groß ist wie der Abstand zwischen benachbarten Längsrippen (18).
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strangpresskörper (12) der Bipolarplatte (10) aus einem Graphit-Compositmaterial besteht.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strangpresskörper (12) der Bipolarplatte (10) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Randes des Zentralkörpers (14) des Strangpresskörpers (12) der Bipolarplatte (10) ein Dichtungskragen (34) wegsteht.
Bipolarplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von den beiden Hauptflächen (16) des Strangpresskörpers (12) der Bipolarplatte (10) wegstehenden Dichtungskragen (34) unterschiedliche Höhenabmessungen (h₁, h₂) aufweisen.