DE202022106979U1 - Energy conduction plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack - Google Patents
Energy conduction plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- DE202022106979U1 DE202022106979U1 DE202022106979.4U DE202022106979U DE202022106979U1 DE 202022106979 U1 DE202022106979 U1 DE 202022106979U1 DE 202022106979 U DE202022106979 U DE 202022106979U DE 202022106979 U1 DE202022106979 U1 DE 202022106979U1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- metal layer
- energy
- deep structure
- layer
- volume
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
- B32B15/012—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of aluminium or an aluminium alloy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
- B32B15/013—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of a metal other than iron or aluminium
- B32B15/015—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of a metal other than iron or aluminium the said other metal being copper or nickel or an alloy thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
- B32B15/017—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of aluminium or an aluminium alloy, another layer being formed of an alloy based on a non ferrous metal other than aluminium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
- F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
- F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
- F28D1/0308—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other
- F28D1/0316—Assemblies of conduits in parallel
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0206—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/0043—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Energieleitplatte für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel,
- mit einer ersten außen liegenden Metallschicht (4),
- mit einer zweiten außen liegenden Metallschicht (6) und
- mit einer dritten mittleren Metallschicht (8),
- wobei die Metallschichten (4, 6, 8) miteinander plattiert sind,
- wobei die erste Metallschicht (4) und die zweite Metallschicht (6) aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht (8) erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit bestehen,
- wobei die dritte Metallschicht (8) aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht (4) und gegenüber der zweiten Metallschicht (6) erhöhten Energieleitfähigkeit besteht,
- wobei die Dicke der ersten Metallschicht (4) größer als die Dicke der zweiten Metallschicht (6) ist,
- wobei die erste Metallschicht (4) eine nach außen offene Tiefenstruktur (10) für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und
- wobei das Volumen der dickeren ersten Metallschicht (4) mit den ausgenommenen Abschnitten der Tiefenstruktur (10) im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht (6) ist.
Energy conducting plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack,
- with a first outer metal layer (4),
- with a second outer metal layer (6) and
- with a third middle metal layer (8),
- wherein the metal layers (4, 6, 8) are plated together,
- wherein the first metal layer (4) and the second metal layer (6) consist of a metal with increased rigidity, corrosion resistance and/or pressure resistance compared to the third metal layer (8),
- wherein the third metal layer (8) consists of a metal with an increased energy conductivity compared to the first metal layer (4) and compared to the second metal layer (6),
- wherein the thickness of the first metal layer (4) is greater than the thickness of the second metal layer (6),
- wherein the first metal layer (4) has an outwardly open deep structure (10) for receiving a fluid and
- wherein the volume of the thicker first metal layer (4) with the recessed sections of the deep structure (10) is substantially equal to the volume of the second layer (6).
Description
Die Erfindung betrifft eine Energieleitplatte für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel.The invention relates to an energy conducting plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack.
Wärmetauscher der hier interessierenden Art sind insbesondere Wärmetauscher für elektronische Bauteile, die beim Einsatz Wärme produzieren und passiv oder aktiv gekühlt werden müssen. Dazu kann der Wärmetauscher eine Energieleitplatte aufweisen, die flächig mit einer Seite mit dem zu kühlenden Bauteil verbunden wird, wobei die gegenüberliegende Seite mit einer Tiefenstruktur versehen ist, um eine vergrößerte Kühlfläche zu bilden und ggf. ein Fluid zur Aufnahme von Wärmeenergie zu leiten. Als Fluid wird dabei in der Regel Wasser oder eine Kombination aus Wasser und Glykol verwendet. Ebenso können Gase zum Kühlen eingesetzt werden.Heat exchangers of the type of interest here are in particular heat exchangers for electronic components that produce heat during use and must be cooled passively or actively. For this purpose, the heat exchanger can have an energy conduction plate that is connected to the component to be cooled on one side, with the opposite side being provided with a deep structure to form an enlarged cooling surface and, if necessary, to conduct a fluid to absorb thermal energy. The fluid used is usually water or a combination of water and glycol. Gases can also be used for cooling.
Dazu wird in der Regel die mit der Tiefenstruktur versehene Seite der Energieleitplatte mit einer weiteren Platte verbunden, um aus der Tiefenstruktur eine seitlich offene Struktur aus Kanälen zum Leiten des Fluids zu bilden.For this purpose, the side of the energy conduction plate with the deep structure is usually connected to another plate in order to form a laterally open structure of channels for conducting the fluid from the deep structure.
Die Energieleitplatte für Wärmetauscher ist also für das Leiten von Wärmeenergie vorgesehen.The energy conduction plate for heat exchangers is therefore intended for conducting thermal energy.
Bipolarplatten und Endplatten, die auch als Stromsammler oder Deckplatten bezeichnet werden, sind Komponenten für den Einsatz in Brennstoffzellenstapeln, die geschichtet wichtige Bestandteile eines Brennstoffzellensystems bilden. Die Brennstoffzelle weist eine Membran-Elektroden-Einheit auf, wobei sich die elektrischen Leistungen von mehreren im Stapel angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet. An den äußeren Enden des Brennstoffzellenstapels sind dann die genannten Endplatten angeordnet, die einseitig mit der jeweils äußeren Brennstoffzelle verbunden sind.Bipolar plates and end plates, also known as current collectors or cover plates, are components for use in fuel cell stacks which, when layered, form important components of a fuel cell system. The fuel cell has a membrane electrode unit, whereby the electrical outputs of several membrane electrode units arranged in the stack are added together. A bipolar plate is arranged between two membrane electrode units of a fuel cell stack. The end plates mentioned are then arranged at the outer ends of the fuel cell stack and are connected on one side to the respective outer fuel cell.
Die Bipolarplatte hat in einem Brennstoffzellenstapel vor allem die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch leitend zu verbinden. Daneben ist die Bipolarplatte dafür zuständig, die Reaktionsgase in die Reaktionszone zu leiten. Dazu sind in die Platten auf beiden Seiten Strömungsprofile als Tiefenprofile gefräst oder eingepresst, durch die auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Luft strömen. Eine Bipolarplatte besteht also aus den beiden Polen, daher der Name bipolar, also der wasserstoffführenden negativ geladenen Anodenplatte und der positiv geladenen Kathodenplatte für die Zuführung der Reaktionsluft. Die Platten regeln auch die Abfuhr von Wasserdampf beziehungsweise das Leiten von thermischer und elektrischer Energie. Die gleichen Aufgaben erfüllen die Endplatten an den Enden des Brennstoffzellenstapels.The main task of the bipolar plate in a fuel cell stack is to physically and electrically connect the anode of one cell to the cathode of the neighboring cell. The bipolar plate is also responsible for guiding the reaction gases into the reaction zone. For this purpose, flow profiles are milled or pressed into the plates on both sides as depth profiles, through which hydrogen flows on one side and air on the other. A bipolar plate therefore consists of the two poles, hence the name bipolar, i.e. the hydrogen-carrying negatively charged anode plate and the positively charged cathode plate for the supply of the reaction air. The plates also regulate the removal of water vapor and the conduction of thermal and electrical energy. The end plates at the ends of the fuel cell stack perform the same tasks.
Somit sind Bipolarplatten und Endplatten nicht nur für die elektrische Verbindung der Brennstoffzellen und die Verteilung der Gase über die Plattenfläche, sondern auch für die Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, die Kühlung und die Dichtung nach außen zuständig.Bipolar plates and end plates are therefore not only responsible for the electrical connection of the fuel cells and the distribution of gases across the plate surface, but also for gas separation between adjacent cells, cooling and sealing to the outside.
Die Bipolarplatte und die Endplatte können auch als eingangs genannte Energieleitplatten verstanden werden, wobei die Energieleitplatte sowohl für das Leiten von Wärmeenergie als auch von elektrischer Energie vorgesehen ist.The bipolar plate and the end plate can also be understood as the energy conducting plates mentioned at the beginning, the energy conducting plate being intended for conducting both thermal energy and electrical energy.
Die zuvor beschriebenen Energieleitplatten für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel sind in der Regel aus Edelstahl gefertigt, um eine ausreichende Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Druckbeständigkeit zu gewährleisten.The previously described energy conducting plates for a heat exchanger or for a fuel cell stack are usually made of stainless steel to ensure sufficient rigidity, corrosion resistance and pressure resistance.
Das Material des Edelstahls kann mit weiteren Bauteilen verbunden werden, beispielsweise bei einem Brennstoffzellenstapel mit den weiteren Komponenten des Stapels. Dabei werden die Tiefenstrukturen der Energieleitplatte durch Umformen wie Tiefziehen eingeprägt oder mittels chemischen Ätzens erzeugt.The stainless steel material can be connected to other components, for example in the case of a fuel cell stack with the other components of the stack. The deep structures of the energy conducting plate are impressed by forming such as deep drawing or created using chemical etching.
Die Verwendung von Edelstahl hat jedoch den Nachteil einer geringeren Energieleitfähigkeit im Vergleich zu anderen Materialien wie Kuper oder Aluminium, die aber wiederum eine geringere Stabilitätseigenschaft als Edelstahl aufweisen.However, the use of stainless steel has the disadvantage of lower energy conductivity compared to other materials such as copper or aluminum, which in turn have lower stability properties than stainless steel.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, die eingangs genannte Energieleitplatte weiter zu verbessern.Therefore, the present invention is based on the technical problem of further improving the energy conducting plate mentioned at the beginning.
Das zuvor aufgeführte technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine Energieleitplatte für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel gelöst mit einer ersten außen liegenden Metallschicht, mit einer zweiten außen liegenden Metallschicht und mit einer dritten mittleren Metallschicht, wobei die Metallschichten miteinander plattiert sind, wobei die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit bestehen, wobei die dritte Metallschicht aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht und gegenüber der zweiten Metallschicht erhöhten Energieleitfähigkeit besteht, wobei die Dicke der ersten Metallschicht größer als die Dicke der zweiten Metallschicht ist, wobei die erste Metallschicht eine nach außen offene Tiefenstruktur für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und wobei das Volumen der dickeren ersten Metallschicht mit den ausgenommenen Abschnitten der Tiefenstruktur im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht ist.The previously listed technical problem is solved according to the invention by an energy conduction plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack with a first external metal layer, with a second external metal layer and with a third middle metal layer, the metal layers being plated together, the first metal layer and the second metal layer consists of a metal with an increased stiffness, corrosion resistance and / or pressure resistance compared to the third metal layer, wherein the third metal layer consists of a metal with an increased energy conductivity compared to the first metal layer and compared to the second metal layer, wherein the thickness of the first metal layer is greater than the thickness of the second metal layer, the first metal layer has an outwardly open deep structure for receiving a fluid and wherein the volume of the thicker first metal layer with the recessed sections of the deep structure is essentially the same size as the volume of the second layer.
Das Volumen der ersten Metallschicht wird dabei aus dem Volumen des vorhandenen Materials ohne die eingebrachte Tiefenstruktur berechnet. Das freie Volumen der Tiefenstruktur wird also nicht dem Volumen der dickeren ersten Metallschicht zugerechnet.The volume of the first metal layer is calculated from the volume of the existing material without the introduced deep structure. The free volume of the deep structure is therefore not added to the volume of the thicker first metal layer.
Der plattierte Verbund der drei Metallschichten der erfindungsgemäßen Energieleitplatte weist gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik einen höherleitenden Anteil der dritten Metallschicht auf. Die Energieleitfähigkeit, also die Wärmeleitfähigkeit und/oder die elektrische Leitfähigkeit, der dritten Metallschicht führt zu einer verbesserten Energieleitfähigkeit des gesamten Verbunds der Energieleitplatte.The plated composite of the three metal layers of the energy conducting plate according to the invention has a higher conductive portion of the third metal layer compared to the prior art described. The energy conductivity, i.e. the thermal conductivity and/or the electrical conductivity, of the third metal layer leads to an improved energy conductivity of the entire composite of the energy conducting plate.
Die Energieleitplatte zeichnet sich durch eine asymmetrische Verteilung der Schichtdicken aus. Diese Asymmetrie dient einerseits der Möglichkeit des Ausgestaltens der ersten Metallschicht mit einer ausreichend voluminösen Tiefenstruktur und andererseits einer geringen Dicke des gesamten Verbundes bei gleichzeitiger Ausbildung der leitfähigeren mittleren Metallschicht durch eine geringere Dicke der zweiten Metallschicht.The energy conducting plate is characterized by an asymmetrical distribution of the layer thicknesses. This asymmetry serves on the one hand to enable the first metal layer to be designed with a sufficiently voluminous deep structure and on the other hand to ensure a low thickness of the entire composite while simultaneously forming the more conductive middle metal layer through a lower thickness of the second metal layer.
Da die Metallschichten jedoch unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann die asymmetrische Verteilung der Schichtdicken bei variierenden thermischen Belastungen zu einer Verformung der Energieleitplatte führen. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß durch die weitere Maßnahme der im Wesentlichen gleich großen Volumina der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht gelöst. Durch die gleichen Volumina kommt es zu im Wesentlichen gleich großen thermischen Volumenänderungen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht.However, since the metal layers have different thermal expansion coefficients, the asymmetrical distribution of the layer thicknesses can lead to a deformation of the energy conducting plate under varying thermal loads. This effect is solved according to the invention by the further measure of the essentially equal volumes of the first metal layer and the second metal layer. The equal volumes result in essentially equal thermal volume changes of the first metal layer and the second metal layer.
Im Wesentlichen gleich große Volumina und im Wesentlichen gleich große Volumenänderungen bedeutet dabei, dass auch geringe Abweichungen der Volumina umfasst sind, die durch die Steifigkeit des gesamten plattierten Verbundes ausreichend ausgeglichen werden können. Insbesondere können das Volumen der ersten Schicht und das Volumen der zweiten Schicht weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% voneinander abweichen. Bevorzugt liegen die Abweichungen in einem Bereich von 2 bis 10%.Essentially equal volumes and essentially equal volume changes mean that small deviations in the volumes are also included, which can be adequately compensated by the rigidity of the entire plated composite. In particular, the volume of the first layer and the volume of the second layer can differ from each other by less than 10%, in particular less than 5%. The deviations are preferably in a range of 2 to 10%.
In bevorzugter Weise bestehen die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus einem Stahl, aus Edelstahl, aus 1.4404 oder 1.4760, aus Titan oder aus einer Titanlegierung, aus Niob, aus Tantal oder aus Aluminium (mit oder ohne Anodisierungsschicht).The first metal layer and the second metal layer preferably consist of steel, stainless steel, 1.4404 or 1.4760, titanium or a titanium alloy, niobium, tantalum or aluminum (with or without anodization layer).
Insbesondere bei der Anwendung der Energieleitplatte als Wärmetauscher kann die außen liegende Schicht beispielsweise aus einem Aluminiumoxid bestehen, da die außen liegende Schicht einen korrosionsbeständigen, aber leitfähigen Bestandteil in Wärmetauschern darstellt.Especially when the energy conducting plate is used as a heat exchanger, the outer layer can consist of aluminum oxide, for example, since the outer layer represents a corrosion-resistant but conductive component in heat exchangers.
Ebenso ist es bevorzugt, dass die dritte Metallschicht aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.It is also preferred that the third metal layer consists of copper, a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy.
Wenn beispielsweise die dritte Metallschicht aus Kupfer besteht, so kann die erste Metallschicht und ggf. die zweite Metallschicht aus Aluminium bestehen.For example, if the third metal layer is made of copper, the first metal layer and possibly the second metal layer can be made of aluminum.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Energieleitplatte besteht darin, dass die Tiefenstruktur der ersten Metallschicht eine erste Tiefenstruktur darstellt, dass die zweite Metallschicht eine nach außen offene zweite Tiefenstruktur für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und dass das Volumen der dickeren ersten Metallschicht mit den ausgenommenen Abschnitten der ersten Tiefenstruktur im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht mit der ausgenommenen zweiten Tiefenstruktur ist. Somit weist die Energieleitplatte auch auf der Außenseite der zweiten Metallschicht eine Tiefenstruktur auf. Diese ist dabei weniger umfangreich ausgebildet und führt zu einer geringeren Volumenreduzierung als die erste Tiefenstruktur der ersten Metallschicht.A further preferred embodiment of the energy conducting plate is that the deep structure of the first metal layer represents a first deep structure, that the second metal layer has a second deep structure that is open to the outside for receiving a fluid and that the volume of the thicker first metal layer with the recessed sections of the first Deep structure is essentially the same size as the volume of the second layer with the excluded second deep structure. The energy conducting plate therefore also has a deep structure on the outside of the second metal layer. This is designed to be less extensive and leads to a smaller volume reduction than the first deep structure of the first metal layer.
Eine solche Energieleitplatte ist vor allem geeignet als Teil einer Bipolarplatte eingesetzt zu werden, indem zwei gleiche Energieleitplatten mit ihren zweiten Metallschichten miteinander verbunden werden, so dass durch die zueinander ausgerichteten zweiten Tiefenstrukturen Kanäle für ein Kühlmittel gebildet werden, während die ersten Tiefenstrukturen der jeweiligen ersten Metallschichten Kanäle zur Versorgung mit Wasserstoffgas bzw. Luft bilden. Das Verbinden von zwei Energieleitplatten an ihren zweiten Metallschichten kann durch Sintern, Diffusionsbonding, Verpressen, Verschrauben oder Schweißen erfolgen.Such an energy conducting plate is particularly suitable for use as part of a bipolar plate by connecting two identical energy conducting plates with their second metal layers, so that channels for a coolant are formed by the mutually aligned second deep structures, while the first deep structures of the respective first metal layers Form channels for the supply of hydrogen gas or air. The connection of two energy conducting plates at their second metal layers can be done by sintering, diffusion bonding, pressing, screwing or welding.
In weiter bevorzugter Weise sind die erste Tiefenstruktur und/oder ggf. die zweite Tiefenstruktur mittels eines Ätzvorgangs hergestellt. Dazu werden an sich bekannte Ätztechniken angewendet, um eine exakte und gratfreie Ausbildung der Tiefenstruktur zu ermöglichen.In a further preferred manner, the first deep structure and/or possibly the second deep structure are produced by means of an etching process. For this purpose, known etching techniques are used to create a to enable precise and burr-free formation of the deep structure.
Die Vorteile beim Ätzen der Tiefenstruktur liegen in einer größeren Anzahl von Freiheitsgraden bei der Geometrie. Mittels Ätzen können neben geradlinig verlaufenden Strukturen auch gebogene oder mäanderförmige Vertiefungen erstellt werden. Ebenso sind wellige Strukturen zur Flächenvergrößerung möglich.The advantages of etching the deep structure are a greater number of degrees of freedom in terms of geometry. In addition to straight-line structures, curved or meandering depressions can also be created by etching. Wavy structures are also possible to increase the surface area.
Darüber hinaus können die Tiefenstrukturen als sich verjüngende und verbreiternde Strukturen ausgebildet werden. Somit kann beim Durchströmen der Tiefenstrukturen durch Anwendung des Venturi-Effekts Verwirbelungen des durchströmenden Mediums und bessere Wärmeaufnahme hervorgerufen werden. Denn durch die Verwirbelungen entstehend kleinere Diffusionsgrenzschichten und kleinere Strömungswiderstände.In addition, the deep structures can be formed as tapering and widening structures. When flowing through the deep structures, the Venturi effect can cause turbulence in the medium flowing through and improve heat absorption. The turbulence creates smaller diffusion boundary layers and smaller flow resistances.
Des Weiteren können durch Ätzen auch Durchtritte durch die Energieleitplatte erzeugt werden, so dass ein dreidimensionaler Durchtritt durch die Energieleitplatte die Tiefenstrukturen auf beiden Seiten der Energieleitplatte miteinander verbunden werden können. Dadurch werden Zu- und Abflussstrukturen auf beiden Seiten verringert, wodurch der technische Aufwand verringert wird,Furthermore, passages can be created through the energy conducting plate by etching, so that a three-dimensional passage through the energy conducting plate can connect the deep structures on both sides of the energy conducting plate. This reduces the inflow and outflow structures on both sides, which reduces the technical effort.
Die Tiefenstrukturen können zusätzlich oder alternativ auch durch Galvanoforming oder Laserstrukturieren dreidimensional gestaltet werden.The deep structures can additionally or alternatively be designed three-dimensionally by electroforming or laser structuring.
Die zuvor erläuterten Tiefenstrukturen dienen einem Leiten von Fluiden, die je nach Anwendung Flüssigkeiten wie Wasser oder Wasser/Glykol oder Gase sein können.The deep structures explained above are used to conduct fluids, which, depending on the application, can be liquids such as water or water/glycol or gases.
Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch einen Wärmetauscher mit einer zuvor beschriebenen Energieleitplatte gelöst, wobei die zweite Metallschicht geeignet ist, mit einem zu kühlenden Bauteil, insbesondere einem zu kühlenden elektronischen Bauteil, verbunden zu werden und wobei die Energieleitplatte Wärmeenergie vom zu kühlenden Bauteil wegleitet.The technical problem shown above is also solved by a heat exchanger with a previously described energy conducting plate, wherein the second metal layer is suitable for being connected to a component to be cooled, in particular an electronic component to be cooled, and wherein the energy conducting plate conducts heat energy away from the component to be cooled .
Somit kann insbesondere im Bereich der Elektronik die vorteilhafte Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Energieleitplatte eingesetzt werden. Neben den guten Stabilitätseigenschaften können die verbesserten Wärmeleitfähigkeiten der dritten Metallschicht ausgenutzt werden.The advantageous design of the energy conduction plate described above can therefore be used particularly in the field of electronics. In addition to the good stability properties, the improved thermal conductivity of the third metal layer can be exploited.
Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch einen Brennstoffzellenstapel gelöst mit zwei Endplatten, mit mindestens zwei aus jeweils einer Anode, einer Membran und einer Kathode bestehenden Membran-Elektroden-Einheiten, mit mindestens einer zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten angeordneten Bipolarplatte, wobei mindestens eine der Endplatten eine zuvor beschriebene Energieleitplatte aufweist und/oder wobei die mindestens eine Bipolarplatte eine zuvor beschriebene Energieleitplatte aufweist.The technical problem outlined above is also solved by a fuel cell stack with two end plates, with at least two membrane electrode units each consisting of an anode, a membrane and a cathode, with at least one bipolar plate arranged between two membrane electrode units, wherein at least one of the end plates has an energy conducting plate as described above and/or wherein the at least one bipolar plate has an energy conducting plate as described above.
Somit kann insbesondere im Bereich der Brennstoffzellenstapel die vorteilhafte Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Energieleitplatte eingesetzt werden. Neben den guten Stabilitätseigenschaften können die verbesserten Wärmeleitfähigkeiten der dritten Metallschicht ausgenutzt werden.The advantageous design of the energy conduction plate described above can therefore be used particularly in the area of fuel cell stacks. In addition to the good stability properties, the improved thermal conductivity of the third metal layer can be exploited.
In vorteilhafter Weise kann mindestens eine Bipolarplatte aus zwei Energieleitplatten zusammengesetzt sein, die insbesondere durch Sintern, Diffusionsbonding oder Schweißen, mit ihren zweiten Metallschichten miteinander verbunden sind. Somit ergibt sich ein verbesserter, stabiler und besserer energieleitender Aufbau des Brennstoffzellenstapels.Advantageously, at least one bipolar plate can be composed of two energy conducting plates, which are connected to one another with their second metal layers, in particular by sintering, diffusion bonding or welding. This results in an improved, stable and better energy-conducting structure of the fuel cell stack.
Unter Plattieren wird im Rahmen dieser gesamten Beschreibung und der Ansprüche eine Verbindung durch Adhäsionsbindung mit atomarer Diffusion verstanden, also ein Verbund zwischen zwei Bindungspartnern verstanden, bei dem sich durch atomare Diffusion der Materialien der Bindungspartner eine Übergangsschicht als Bindungszone ausbildet, über die eine kontinuierliche Anpassung der Materialeigenschaften stattfindet. Die Adhäsionsbindung mit atomarer Diffusion entsteht also durch die Ausbildung der Übergangsschicht zwischen den Lagen.For the purposes of this entire description and the claims, plating is understood to mean a connection through adhesive bonding with atomic diffusion, i.e. a bond between two bonding partners in which a transition layer is formed as a bonding zone through atomic diffusion of the materials of the bonding partners, over which a continuous adjustment of the material properties takes place. The adhesive bond with atomic diffusion is therefore created by the formation of the transition layer between the layers.
In der Übergangsschicht sind die Atome der Bindungspartner graduell vermischt, die Bildung eines Verbunds erfolgt durch Platzwechselvorgänge (Diffusion) in der Übergangsschicht, auch genannt Bindungszone. Diese Übergangsschicht bewirkt die Verringerung innerer Spannungen. Die Ausdehnung der Übergangszone ist dabei abhängig von den jeweilig verwendeten Bindungspartnern, insbesondere den Diffusionseigenschaften der beteiligten Materialien.In the transition layer, the atoms of the bonding partners are gradually mixed; the formation of a bond occurs through exchange processes (diffusion) in the transition layer, also called the bonding zone. This transition layer reduces internal stresses. The extent of the transition zone depends on the bonding partners used, in particular the diffusion properties of the materials involved.
Zur Charakterisierung der Adhäsionsbindung mit atomarer Diffusion, also der Bindungszone der Adhäsionsbindung in der Übergangsschicht, und der Eigenschaften können Analysen mittels verschiedener Methoden angewendet werden. Zu diesen Methoden gehören optische Lichtmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) und Analysen von Mikrohärteverläufen.To characterize the adhesive bond with atomic diffusion, i.e. the bonding zone of the adhesive bond in the transition layer, and the properties, analyzes can be used using various methods. These methods include optical light microscopy, transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), secondary ion mass spectrometry (SIMS) and microhardness analyses.
Ein solcher Verbund wird auch als Plattierverbund bezeichnet werden. Bevorzugt sind die beiden Bindungspartner metallische Werkstoffe und der Plattierverbund stellt eine metallische Verbindung der beiden Bindungspartner oder Plattierpartner dar. Die Verbindung der Bindungspartner im Plattierverbund kann mittels dem vorgenannten Plattieren erfolgen. Dazu kann das Plattieren durch Kaltwalzplattieren oder Warmplattieren durchgeführt werden.Such a composite is also referred to as a cladding composite. The two binding partners are preferably metallic materials and the plating composite represents a metallic connection of the two binding partners or plating partners. The bonding partners in the plating composite can be connected by means of the aforementioned plating. For this purpose, the plating can be carried out by cold roll plating or hot plating.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
-
1 eine Energieleitplatte nach dem Plattieren von drei Metallschichten, -
2 eine Energieleitplatte nach1 mit einer Tiefenstruktur in der oberen Metallschicht, -
3 dieEnergieleitplatte nach 2 mit einer weiteren Tiefenstruktur in der unteren Metallschicht, -
4 eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel bestehend aus zwei Energieleitplatten nach3 und -
5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßen Energieleitplatten als Endplatten.
-
1 an energy conducting plate after plating three metal layers, -
2 an energy conducting plate1 with a deep structure in the upper metal layer, -
3 theenergy conduction plate 2 with a further deep structure in the lower metal layer, -
4 a bipolar plate for a fuel cell stack consisting of two energy conducting plates3 and -
5 a first exemplary embodiment of a fuel cell stack with energy conducting plates according to the invention as end plates.
In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden Bauteile und Elemente mit gleicher Funktion und gleicher Wirkungsweise mit denselben Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile und Elemente bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.In the following description of the various exemplary embodiments according to the invention, components and elements with the same function and the same mode of operation are given the same reference numbers, even if the components and elements in the various exemplary embodiments may have differences in their dimensions or shape.
Die Energieleitplatte 2 weist eine erste außen liegende Metallschicht 4, eine zweite außen liegende Metallschicht 6 und eine dritte mittlere Metallschicht 8 auf. Die Metallschichten 4 bis 8 sind miteinander plattiert, wobei ein Kaltwalzplattieren, ein Warmplattieren sowie weitere Plattierverfahren wie z.B. Sprengplattieren angewendet worden sein kann.The
Die erste Metallschicht 4 und die zweite Metallschicht 6 bestehen weiterhin aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht 8 erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit. Dem gegenüber besteht die dritte Metallschicht 8 aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht 4 und gegenüber der zweiten Metallschicht 6 erhöhten Energieleitfähigkeit.The
Des Weiteren ist die Dicke der ersten Metallschicht 4 größer als die Dicke der zweiten Metallschicht 6.Furthermore, the thickness of the
Somit weist die Energieleitplatte 2 nach
Die erste Metallschicht 4 eine nach außen offene Tiefenstruktur 10 für ein Aufnehmen eines Fluides auf. Die Tiefenstruktur 10 weist eine Mehrzahl von nach oben offenen Vertiefungen 12 auf, die für ein Leiten eines Fluids ausgebildet sind und in einer Anwendung von oben durch ein anderes Bauteil verschlossen sind.The
Um thermische Formänderungen durch einen Bimetalleffekt auszugleichen, ist das Volumen der dickeren ersten Metallschicht 4 mit den ausgenommenen Abschnitten der Vertiefungen 12 der Tiefenstruktur 10 im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht 6. Dabei können Abweichungen der Volumina im Bereich von maximal 10% oder maximal 5% auftreten, ohne dass diese Abweichungen der Volumina von der gleichen Größe einen technischen Effekt einer Verformung der Energieleitplatte 2 hat.In order to compensate for thermal changes in shape due to a bimetallic effect, the volume of the thicker
Die erste Metallschicht 4 und die zweite Metallschicht 6 bestehen aus einem Stahl, Edelstahl, aus Titan oder einer Titanlegierung, vorzugsweise bestehen die beiden Metallschichten 4 und 6 aus demselben Metall. Weitere Metalle sind weiter oben erwähnt worden.The
Dagegen besteht die dritte Metallschicht 8 aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.In contrast, the
Somit weisen die beiden Metallschichten 4 und 6 eine erhöhte Steifigkeit (gemessen als E-Modul), Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit gegenüber der dritten Metallschicht auf.The two
Die zuvor beschriebenen erste Tiefenstruktur 10 und zweite Tiefenstruktur 14 sind in bevorzugter Weise mittels eines Ätzvorgangs nach dem Plattieren der Metallschichten 4, 6 und 8 hergestellt.The previously described first
Grundsätzlich können die Tiefenstrukturen 10 und 14 auch durch Tiefziehen wie die meisten Bipolarplatten und Wärmetauscherplatten hergestellt werden. Des Weiteren bietet sich für Bipolrplatten noch das Electrochemical Milling (ECM-verfahren) an.In principle, the
Durch die Verbindung zwischen den beiden Energieleitplatten 2 entsteht aus den Tiefenstrukturen 14 ein Kanal 22, der im Brennstoffzellenstapel 20 für das Leiten einer Kühlflüssigkeit genutzt werden kann.The connection between the two
Die Funktionsweise eines solchen Brennstoffzellenstapels 100 ist bekannt. Durch Zuführen von Wasserstoff als Reaktionsgas an der Seite der Anode 108 und durch Zuführen von Sauerstoff, in der Regel gewonnen aus Luft, als Reaktionsgas an der Seite der Kathode 112 der Membran-Elektroden-Einheiten 106 entsteht über den Austausch von Wasserstoffionen durch die Membran 110 zwischen den Elektroden 108 und 112 eine elektrische Spannung. Durch die Stapelbildung entsteht dann eine Reihenschaltung der einzelnen Schichten und somit eine für elektrische Anwendungen ausreichend große Spannung und Leistungsfähigkeit.The functionality of such a
Der in
Die Bipolarplatte 114 des Brennstoffzellenstapels 100 nach
Des Weiteren ist der optionale Einsatz einer Bipolarplatte 20 nach
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP23211355.5A EP4375608B1 (en) | 2022-11-23 | 2023-11-22 | Energy conducting plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE202022106555 | 2022-11-23 | ||
| DE202022106555.1 | 2022-11-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE202022106979U1 true DE202022106979U1 (en) | 2024-02-26 |
Family
ID=90246158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE202022106979.4U Active DE202022106979U1 (en) | 2022-11-23 | 2022-12-14 | Energy conduction plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE202022106979U1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030219639A1 (en) | 2002-05-21 | 2003-11-27 | Edlund David J. | Bipolar plate assembly, fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same |
| US20090081522A1 (en) | 2007-09-20 | 2009-03-26 | Hitachi Cable, Ltd. | Metal composite for fuel cell and fuel cell bipolar plate using same, and fabrication method for same |
| US20100068552A1 (en) | 2008-03-31 | 2010-03-18 | Infineon Technologies Ag | Module including a stable solder joint |
-
2022
- 2022-12-14 DE DE202022106979.4U patent/DE202022106979U1/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030219639A1 (en) | 2002-05-21 | 2003-11-27 | Edlund David J. | Bipolar plate assembly, fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same |
| US20090081522A1 (en) | 2007-09-20 | 2009-03-26 | Hitachi Cable, Ltd. | Metal composite for fuel cell and fuel cell bipolar plate using same, and fabrication method for same |
| US20100068552A1 (en) | 2008-03-31 | 2010-03-18 | Infineon Technologies Ag | Module including a stable solder joint |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE112004002166B4 (en) | Separator assembly for use in a stack of electrochemical cells and method of manufacturing | |
| DE69908811T2 (en) | BIPOLAR PLATE DESIGN FROM METAL SHEETS FOR POLYMER ELECTROLYTMEMBRANE FUEL CELLS | |
| DE60315153T2 (en) | FUEL CELL ASSEMBLY AND METHOD FOR BINDING A DISCONNECTOR AND AN ELECTROLYTIC COATING OF A FUEL CELL ASSEMBLY GROUP | |
| DE112006003413T5 (en) | Separator for fuel cells | |
| DE112008002991B4 (en) | Fuel cell and gas parabola for fuel cell | |
| EP1498968A2 (en) | Fuel cell unit, fuel cell stack assembly and method of manufacturing a fuel cell stack assembly | |
| DE60224250T2 (en) | Fuel cell stack with foil joints and composite spacers | |
| EP2683852B1 (en) | Electrolysis cell comprising a stack of sheets provided with recesses, and method for manufacturing and operating the same | |
| WO2022253384A1 (en) | Bipolar plate and method for operating a fuel cell system | |
| DE112014000307T5 (en) | Terminal block for a fuel cell, manufacturing method for a terminal block for a fuel cell and fuel cell | |
| DE102022121234A1 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
| DE60225237T2 (en) | Space-saving bipolar plate and fuel cell stack | |
| DE102016210868A1 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
| DE112005002339B4 (en) | Single cell and method of manufacturing a single cell; Fuel cell and method of manufacturing a fuel cell | |
| DE102011018184A1 (en) | Electro-formed bipolar plates for fuel cells | |
| DE102010020178A1 (en) | Method for producing a metallic biopolar plate, bipolar plate and fuel cell stack and method for its production | |
| DE102019203401A1 (en) | FUEL CELL STACK, DUMMY CELL FOR A FUEL CELL STACK, METHOD FOR PRODUCING A DUMMY CELL | |
| DE69411001T2 (en) | Solid oxide electrolyte fuel cell | |
| WO2023208279A2 (en) | Electrochemical cell and method for producing a component of an electrochemical cell | |
| EP4375608B1 (en) | Energy conducting plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack | |
| DE102005031081A1 (en) | Bipolar plate for electrochemical application, has passage opening guiding fuel and/or oxidizer and insertion unit arranged between top layers in area of opening, where point-forces are induced in two-dimensional manner by unit | |
| DE202022106979U1 (en) | Energy conduction plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack | |
| DE102005052499B4 (en) | Fuel cell system with passive throttle paths for its water drainage and a method for operating the same | |
| DE102020207353A1 (en) | Bipolar plate for a fuel cell system | |
| DE10357755B4 (en) | Fuel cell, method for producing a fuel cell and apparatus for producing such |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R207 | Utility model specification | ||
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |