DE102004028142A1 - Bipolarseparator - Google Patents

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Abstract

Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend
- eine erste Kanalplatte mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und
- eine zweite, der ersten Kanalplatte benachbarten Kanalplatte mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidans-Kanalsystem zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidansgas aufweist,
wobei wenigstens eine der Kanalplatten in ihrer der jeweils anderen Kanalplatte zugewandten Plattenfläche ein wenigstens teilweise offenes Kühlmittel-Kanalsystem zur Leitung eines Kühlmittels aufweist, wobei die Kanalplatten im Bereich ihrer einander zugewandten Plattenflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly) von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend
    • – eine erste Kanalplatte mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und
    • – eine zweite, der ersten Kanalplatte benachbarten Kanalplatte mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidans-Kanalsystem zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidansgas aufweist,
    wobei wenigstens eine der Kanalplatten in ihrer der jeweils anderen Kanalplatte zugewandten Plattenfläche ein wenigstens teilweise offenes Kühlmittel-Kanalsystem, zur Leitung eines Kühlmittels aufweist.
  • Es sind unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen bekannt. Insbesondere bei sogenannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs Proton Elektrolyte Membrane Fuel Cells) ist eine protonenleitfähige Membran vorgesehen, die beidseitig von Elektroden kontaktiert wird. Die Elektroden umfassen üblicherweise eine katalytisch aktive Schicht, beispielsweise aus platinbeschichtetem Ruß, welche in direktem Kontakt mit dem Protonenleiter steht, sowie poröse, elektronisch leitfähige Strukturen, die dem Transport der Reaktionsgase zu der katalytisch aktiven Schicht dienen. Letztgenannte Strukturen werden üblicherweise als Gasdiffusionsstrukturen bezeichnet. Sie können beispielsweise aus porösem Kohlenstoffpapier, -gewebe oder -vlies aufgebaut sein.
  • Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird der als Anode wirkenden Elektrode Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Die genaue Zusammensetzung des Gases hängt von der speziellen Beschaffenheit der übrigen Brennstoffzelle ab und soll im Folgenden allgemein als „Brenngas" bezeichnet werden.
  • Gleichzeitig wird der zweiten, als Kathode wirkenden Elektrode Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, welches im Folgenden allgemein als Oxidanzgas bezeichnet wird. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert: H2→2H+ + 2e–.
  • Die dabei freiwerdenden Elektronen werden über die Elektrode an den Verbrauer abgeführt und die entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite, wo sie mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden. Die notwendigen Elektronen werden über die Elektrode zugeführt: ½O2 + 2H+ + 2e–→H2O.
  • Der Ladungstransport durch den Elektrolyten erfolgt im Falle der PEMFC beispielsweise über Migration von H3O+-Ionen und/oder Hoppingprozesse von Protonen.
  • Zur praktischen Umsetzung wird eine derartige Elementarzelle üblicherweise zwischen zwei Plattenstrukturen eingebettet, die verschiedene Aufgaben übernehmen. Zum einen dienen sie der Stabilisierung der in der Regel flexiblen MEA. Zweitens dienen sie der Zu- und Abfuhr der Reaktionsgase sowie der Abfuhr des entstehenden Wassers. Drittens können sie zum Wärmemanagement, d.h. insbesondere zur Abfuhr der entstehenden Abwärme genutzt werden. Viertens dienen sie der Ableitung des erzeugten Stroms. Fünftens werden von diesen Plattenstrukturen Dichtungsaufgaben erfüllt, da eine Mischung bzw. ein Übertritt der Reaktionsgase untereinander und/oder mit Kühlmittel auf jeden Fall vermieden werden muss.
  • Im Fall von Brennstoffzellen, die aus einem Stapel von Elementarzellen aufgebaut sind, sogenannten Stacks, trennen die Plattenstrukturen jeweils die Anode einer ersten Elementarzelle von der Kathode der benachbarte Elementarzelle. Man spricht daher häufig von Bipolarplatten oder allgemeiner von Bipolarseparatoren. Diese bestehen im Allgemeinen aus Graphit, Graphit-Polymer-Kompositwerkstoffen oder aus Metallen bzw. Metalllegierungen.
  • US 2003/0194591 A1 offenbart einen Brennstoffzellen-Stack, der unter Verwendung gattungsgemäßer Bipolarseparatoren verwirklicht ist. Die Bipolarseparatoren sind aus jeweils 2 Kanalplatten aufgebaut. Beide Kanalplatten weisen in ihrer der jeweils benachbarten MEA zugewandten Plattenfläche ein Verteilersystem für das jeweilige Reaktionsgas auf. Das Verteilersystem besteht aus einer Kanalstruktur, welche die Plattenfläche grabenartig durchzieht, wobei die einzelnen Kanalabschnitte durch Stege voneinander getrennt sind. Außer den offenen Kanalabschnitten, durch welche das Reaktionsgas der jeweiligen Elektrode zugeführt wird, kann das Kanalsystem weiter geschlossene Kanalabschnitte umfassen, durch welche das jeweilige Reaktionsgas von außen eingespeist werden kann. Außerdem können die Kanalplatten Durchbrüche aufweisen, die beispielsweise zur Führung von Medien, wie etwa Reaktionsgas oder Kühlmittel senkrecht zur Kanalplattenfläche, d.h. entlang der Brennstoffzellen-Stackachse verwendet werden können. Auf ihrer der zugeordneten MEA abgewandeten Seite weist wenigstens eine der Kanalplatten ein weiteres grabenartiges Kanalsystem auf, welches der Verteilung von Kühlmittel dient. Im zusammengebauten Zustand wird ein alternierender Stapel von MEAs und jeweils aus zwei Kanalplatten bestehenden Bipolarseparatoren durch Zuganker fest aufeinander gepresst. Auf diese Weise entsteht zwischen den Kanalplatten eines Bipolarseparators ein geschlossenes Kühlmittel-Verteilungssystem, welches von außen mit Kühlmittel beschickt werden kann.
  • Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist die schwer zu realisierende Dichtung zwischen den einzelnen Kanalplatten eines Bipolarseparators. Da die Kanalplatten durch die von außen angelegten Druckkräfte, die beispielsweise durch Zuganker auf den Stack ausgeübt werden, zusammengehalten werden, müssen, um eine zuverlässige Dichtung zu gewährleisten, die einander berührenden Flächen der Kanalplatten mit höchster Genauigkeit gearbeitet sein. Eine höchst zuverlässige Dichtung ist jedoch unabdingbar, da im Bereich der Bipolarseparatoren die verschiedenen Reaktionsgase und das Kühlmittel auf engstem Raum benachbart fließen. Insbesondere bei axialer Durchleitung von Reaktionsgasen durch die Bipolarseparatoren kommt der Dichtung höchste Bedeutung zu. Auch das Anordnen der Bipolarseparatoren beim Stapeln des Brennstoffzellen-Stacks muss mit hoher Genauigkeit erfolgen, um einen dichtenden Verbund zu gewährleisten. Dies führt insgesamt zu einem erheblichen Bearbeitungs- und Produktionsaufwand und damit verbundenen Fertigungskosten.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gattungsgemäßen Bipolarseparator derart weiterzubilden, dass bei geringem Bearbeitungsaufwand eine zuverlässige Dichtung der den Bipolarseparator bildenden Kanalplatten erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Kanalplatten im Bereich ihrer einander zugewandten Plattenflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Dieser Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle einzelner Kanalplatten, die sich erst im Stack zu einem Bipolarseparator zusammensetzen, komplexe Bipolarseparatoren zu verwenden, welche bereits vor Aufbau des Stacks aus wenigstens zwei Kanalplatten dauerhaft und dichtend verbunden wurden. Die stoffschlüssige Verbindung hat den Vorteil, dass sowohl die Dauerhaftigkeit als auch die Dichtheit der Verbindung gewährleistet ist, ohne dass die Oberflächen der einzelnen Kanalplatten mit besonderem Aufwand bearbeitet werden müssten. Dies führt bei verringerten Herstellungskosten zu einem technisch besseren und im Betrieb der Brennstoffzelle sicheren Ergebnis.
  • Besonders günstige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Vorteilhafter Weise sind die Kanalplatten zur Ausbildung eines Bipolarseparators miteinander verklebt. Die Verklebung ist eine besonders günstige Form der stoffschlüssigen Verbindung, da Unebenheiten oder Rauhigkeiten der zu verbindenden Oberflächen gegebenenfalls durch das verwendete Klebemittel ausgeglichen werden können. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise eine Dichtung gewährleistet, selbst im Fall, dass die zu verbindenden Oberflächen der Kanalplatten nicht hoch präzise gefertigt sind.
  • Günstigerweise wird ein elektronisch leitfähiges Klebemittel verwendet, d.h. ein Klebemittel, das in der Lage ist, die bei der katalytischen Reaktion freiwerdenden Elektronen zu leiten. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass es, wie oben erwähnt, eine wesentliche Aufgabe der Bipolarseparatoren ist, den in den Elementarzellen erzeugten elektrischen Strom abzuleiten. Da hier große Stromstärken auftreten können, ist eine möglichst weitgehende Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen den Kanalplatten, aus welchen der Bipolarseparator aufgebaut ist, wünschenswert.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines elektronisch leitfähigen Klebemittels kann der Kontaktwiderstand zwischen den Kanalplatten weiter reduziert werden, indem die Klebefläche, d.h. die mit Klebemittel benetzte Fläche, möglichst weitgehend reduziert wird. Eine untere Grenze ist dabei selbstverständlich die zur Aufbringung der erforderlichen Haftkraft notwendige Klebefläche. Günstigerweise erfolgt die Verklebung in diesem Fall an dichtungsrelevanten Stellen. Dies sind günstigerweise die Stege, welche die rinnenartigen Kanalabschnitte des Kühlmittel-Kanalsystems begrenzen. Im Fall, dass Durchbrüche durch die Kanalplatten zur Leitung eines Mediums vorgesehen sind, kann die Verklebung auch ringförmig um einen solchen Durchbruch erfolgen.
  • Bei einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bipolarseparators ist vorgesehen, dass eine der Kanalplatten eine das Kühlmittel-Kanalsystem rahmenartig umgebende Nut aufweist, in welche ein umlaufender Vorsprung der anderen Nut eingreift. Diese Maßnahme dient nicht nur der leichteren Ausrichtbarkeit der einzelnen Kanalplatten zur passgenauen Verbindung, sondern stellt auch eine zusätzliche Dichtungsmaßnahme her.
  • Auf ähnliche Weise kann im Fall, dass die Kanalplatten miteinander korrespondierende Durchbrüche zur Leitung eines Mediums normal zu ihrer Hauptebene aufweisen, vorgesehen sein, dass die Öffnung jedes Durchbruchs in der der anderen Kanalplatte zugewandeten Plattenfläche einer Kanalplatte von einer ringförmigen Nut umgeben ist, in welche ein entsprechender, umlaufender Vorsprung der anderen Kanalplatte eingreift. Auch hierdurch werden die Ausrichtbarkeit der zu verbindenden Kanalplatten verbessert und gleichzeitig die Dichtung des entsprechenden Durchbruchs gewährleistet.
  • Für beide vorgenannten Ausführungsformen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kanalplatten im Eingriffsbereich des Vorsprungs in die Nut miteinander verklebt sind. Dies stellt zum einen eine zusätzliche Dichtungsmaßnahme dar; zum anderen kann die mit Klebemittel benetzte Querschnittsfläche weiter reduziert werden ohne die Haftkraft, welche die beiden Kanalplatten zusammenhält, zu reduzieren. Die Nutwände und die mit ihnen verklebten Außenflächen des korrespondierenden Vorsprungs sind nämlich im Wesentlichen normal zur Hauptebene der Kanalplatten ausgerichtet. Eine elektrische Isolierung dieser Flächen durch ein nicht leitfähiges Klebemittel trägt daher nur geringfügig zur Verringerung des insgesamt leitenden Querschnitts bei. Für die Haftkraft hingegen ist die mit Klebemittel benetzte Gesamtfläche (nicht nur parallel zur Plattenfläche) relevant. Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbindung der Kanalplatten kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen den Kanalplatten im Bereich des Kühlmittel-Kanalsystems eine Zwischenlage eines elastischen, elektronisch leitfähigen Materials derart angeordnet ist, dass sie die beiden Kanalplatten kontaktiert.
  • Diese Maßnahme dient der weiteren Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen den Kanalplatten. In denjenigen Bereichen, in welchen kein Stoffschluss zwischen den Kanalplatten erfolgt, kann es aufgrund der Rauhigkeit der Kanalplatten-Oberflächen zu erheblichen Kontaktwiderständen kommen. Diese sind, wie oben erläutert, unerwünscht. Die Einlagerung einer elastischen, elektronisch leitfähigen Zwischenlage ist hingegen geeignet, diese Unebenheiten aufgrund ihrer Elastizität auszugleichen und einen optimierten Kontakt zwischen den Kanalplatten herzustellen.
  • Um zu verhindern, dass die Zwischenlage die rinnenartigen Kanalabschnitte des Kühlmittel-Kanalsystems verlegt und den Kühlmittelfluss hemmt, kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Form der Zwischenlage auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist. Im Bereich der Rinnen kommt nämlich ohnehin kein Kontakt zwischen den Kanalplatten zustande. Die Zwischenlage erfüllt hier also keine leitfähigkeitsrelevante Aufgabe. Es ist daher günstig, die Zwischenlage auf die für den elektrischen Kontakt relevanten Bereich, d.h. die Stege zwischen den undoder um die Rinnen zu beschränken.
  • Günstigerweise ist die Zwischenlage ein Gewebe oder Vlies aus Kohlenstoff. Eine solche Zwischenlage erfüllt sowohl die Anforderungen an die Leitfähigkeit wie auch an die Elastizität zur Sicherstellung des Kontaktes.
  • Da die Dicke der Zwischenlage im Allgemeinen nicht in der Größenordnung der Rauigkeit der zu verbindenden Flächen liegt, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Stege niedriger ausgeführt sind als ein das Kühlmittel-Kanalsystem umgebender Bereich der entsprechenden Kanalplatte. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Zwischenlage als „Abstandshalter" zwischen den Kanalplatten wirkt und einen Kontakt zwischen den Randbereichen der Kanalplatten verhindert.
  • Umgekehrt kann im Fall, dass nur eine Kanalplatte ein Kühlmittel-Kanalsystem aufweist, vorgesehen sein, dass der entsprechende Bereich der anderen Kanalplatte gegenüber ihrem Randbereich flächig vertieft ist.
  • Insbesondere im Fall einer Zwischenlage deren Form auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist, kann es weiter vorteilhaft sein, anstelle der vorgenannten flächigen Vertiefung der anderen Kanalplatte vorzusehen, dass die den Stegen entsprechenden Bereich der anderen Kanalplatte vertieft sind. Dies ist auch für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bipolarseparators vorteilhaft, da die in ihrer Form auf die Anordnung der Stege abgestimmte Zwischenlage passgenau in entsprechende Nuten der anderen Kanalplatte eingelegt werden kann. Der elektrische Kontakt erfolgt dann über die Stege, welche in die Nuten eingreifen und die Zwischenlage komprimieren.
    •
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen, in denen
  • 1: schematisch den inneren Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarseparatoren darstellt,
  • 2: schematisch eine besonders günstige Ausführungsform der dichtenden Verklebung zweier Kanalplatten zu einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte darstellt,
  • 3: schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bipolarseparators mit Kontaktvlies darstellt.
  • 1 zeigt schematisch und beispielhaft den inneren Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks unter Verwendung erfindungsgemäßer Bipolarseparatoren 10. Jeder Bipolarseparator 10 ist aus zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Kanalplatten 11 und 12 aufgebaut. Zwischen zwei Bipolarseparatoren 10 ist jeweils eine MEAs 20 angeordnet. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Polymermembran 21, die zumindest in ihrem inneren, aktiven Bereich ionenleitfähig ist sowie aus beidseitig angebrachten Elektrodenstrukturen 22 und 23. Der konkrete Aufbau der MEAs ist für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, weshalb auf ihn nicht näher eingegangen werden soll.
  • Im inneren Bereich ihrer Außenflächen weisen die Bipolarseparatoren 10 wenigstens teilweise offene, rinnenartige Kanalstrukturen 18 bzw. 19 auf, durch welche ein Reaktionsgas der jeweils benachbarten Elektrode zugeführt wird.
  • In 1 nicht erkennbar ist ein weiteres Kanalsystem, welches im inneren jedes Bipolarseparators 10 liegt und das der Zu- und Abfuhr sowie der Verteilung von Kühlmittel dient.
  • Die Einspeisung von Reaktionsgasen und Kühlmittel von außen kann entweder für jeden Bipolarseparator 10 einzeln oder mittels eines die Bipolarseparatoren 10 und MEAs 20 durchsetzenden Leitungssystems längs der Stack-Achse erfolgen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind zur Einspeisung und Abführung von Kühlmittel externe Leitungen 30a und 30b vorgesehen, welche mit jedem der Bipolarseparatoren verbunden sind, wie durch die Pfeile 31a und 31b angedeutet. Für die Zu- und Abführung von Brenngas sind Leitungen 32a und 32b vorgesehen, welche die Bipolarseparatoren 10 und MEAs 20 längs der Stack-Achse durchsetzen. Die Verbindung zu den jeweiligen Kanalsystemen auf einer der Außenflächen jedes Bipolarseparators ist in 1 nicht dargestellt. Auf ähnliche Weise ist die Zu- und Ableitung von Oxidanzgas mittels der gestrichelt angedeuteten Kanäle 33a und 33b vorgesehen.
  • 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus zwei Kanalplatten 11 und 12, im Bereich einer normal zur Plattenfläche ausgerichteten Kanaldurchführung 34. Die Durchführung 34 in der Kanalplatte 11 ist von einem ringförmigen Vorsprung 13 umgeben, welcher beim Zusammenfügen der Kanalplatten 11 und 12 in eine korrespondierende Nut 14 der Kanalplatte 12 eingreift. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Verklebung der Kanalplatten 11 und 12 im Bereich des Eingriffs des Vorsprungs 13 in die Nut 14. Hierzu kann bei der Verklebung Klebemittel in die Nut 14 eingebracht werden, welches die Innenwände der Nut 14 mit den Außenflächen des Vorsprungs 13 stoffschlüssig verbindet. Auf diese Weise wird, im Fall, dass nicht-leitfähiges Klebemittel verwendet wird, nur eine relativ kleine Querschnittsfläche des gesamten Bipolarseparators 10, nämlich nur die dem Nutboden entsprechende Fläche, elektrisch isoliert. Zur Haftkraft zwischen den beiden Kanalplatten 11 und 12 tragen hingegen auch die senkrecht zur Kanalplatten-Hauptebene ausgerichteten Flächen der Nut 14 und des Vorsprungs 13 bei.
  • Um zu verhindern, dass beim Zusammenfügen der Kanalplatten 11 und 12 überschüssiges Klebemittel zwischen die Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 gepresst wird, ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ein erweiterter Nutrand 15 vorgesehen, in welchem überschüssiges Klebemittel aufgenommen werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kanalplatten 11 und 12 mit Vorsprung 13 und korrespondierender Nut 14 (ggf. mit erweitertem Nutrand 15) ermöglicht daher auf einfache Weise eine passgenaue und kraftvolle Verbindung der Kanalplatten 11 und 12 bei gleichzeitiger, sicherer Abdichtung der Durchführung 34. Das Nut/Vorsprung-Konzept wurde der Anschaulichkeit halber in 2 lediglich am Beispiel einer eine Kanaldurchführung 34 umgebenden Nut 14 dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass ein vergleichbares Nut/Vorsprung-System ein zwischen den einander zugewandten Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 angeordnetes Kühlmittel-Verteilungssystem (Kanalsystem) rahmenartig umgibt, um es beispielsweise gegen außen angeordnete Kanaldurchführungen (siehe z.B. 1) sowie die Umgebung abzudichten und gleichzeitig festen, stoffschlüssigen Zusammenhalt der Kanalplatten 11 und 12 zu gewährleisten.
  • 3 zeigt schematisch verschiedene Ausführungsformen einer Maßnahme zur Reduzierung der elektronischen Kontaktwiderstände zwischen den Kanalplatten 11 und 12. Allen Ausführungsbeispielen a) bis e) liegt das Konzept zugrunde, zwischen den miteinander verbundenen Kanalplatten eine elektronisch leitfähige, elastische Zwischenlage 40 vorzusehen, die geeignet ist, Unebenheiten und/oder Rauigkeiten der einander zugewandten Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 zu kompensieren und damit den Kontaktwiderstand zwischen den Kanalplatten 11 und 12 zu reduzieren. Bei allen in 3 gezeigten Ausführungsformen ist lediglich die eine Kanalplatte 11 beidseitig mit einem wenigstens teilweise offenen Kanalsystem 17a bzw. 17b ausgestattet. Die zweite Kanalplatte 12 weist hingegen lediglich auf der der benachbarten MEA zugewandten Fläche eine Kanalstruktur 19 zur Zuführung und Verteilung des entsprechenden Reaktionsgases auf. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass beide Kanalplatten 11 und 12 an ihren einander zugewandten Flächen ein entsprechendes Kanalsystem aufweisen. Insbesondere könnten die Kanalplatten 11 und 12 im Wesentlichen baugleich ausgeführt werden.
  • 3a zeigt eine besonders einfache Ausführungsform, bei der die Zwischenlage 40a, die vorzugsweise aus einem Gewebe oder Vlies aus Kohlenstoff besteht, flächig ausgeführt ist und zwischen die Kanalstruktur 17a und die gegenüberliegende im Wesentlichen glatte Fläche 16a der Kanalplatte 12 gepresst wird. Diese Ausführungsform ist wirksam, kann jedoch unter Umständen den Nachteil haben, dass Fasern der Zwischenlage 40a Gräben der Kanalstruktur 17 verengen oder sogar verlegen.
  • Dem kann beispielsweise durch eine Ausführungsform gemäß 3b entgegen gewirkt werden. Hierbei ist die Form der Zwischenlage 40b auf die Anordnung der Stege der Kanalstruktur 17a abgestimmt. Im Bereich der Gräben, wo ohnehin kein elektrischer Kontakt zwischen den Kanalplatten 11 und 12 zustande kommt, ist die Zwischenlage nicht erforderlich. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Gräben der Kanalstruktur 17a durch Fasern der Zwischenlage 40b verlegt werden.
  • Zur passgenaueren Ausführung und leichteren Montage einer derartigen formabgestimmten Zwischenlage 40b kann, wie in 3c dargestellt, vorgesehen sein, dass die Kanalplatte 12 anstelle einer glatten Innenfläche 16a Nuten 16b aufweist, welche den Stegen der Kanalstruktur 17a der Kanalplatte 11 entsprechen. In diese Nuten kann die formabgestimmte Zwischenlage 40b eingelegt werden. Bei der stoffschlüssigen Verbindung der Kanalplatten greifen die Stege der Kanalstruktur 17a dann über die Zwischenlage 40b in die Nuten 16b ein.
  • 3d zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kanalplatte 12 anstelle der glatten Innenfläche 16a eine flächige Vertiefung 16c aufweist, in welche die Zwischenlage 40a passgenau eingelegt werden kann. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere bei einer flächigen Zwischenlage 40a an, kann aber selbstverständlich auch für eine formabgestimmte Zwischenlage 40b verwendet werden.
  • 3e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Stege der Kanalstruktur 17b in deren Innenbereich gegenüber dem Außenbereich geringfügig vertieft sind. Das Beispiel von 3e stellt damit eine Komplementärform des Beispiels von 3d dar. Die Ausführungsform von 3e bietet sich insbesondere bei Verwendung einer formabgestimmten Zwischenlage 40b an.
  • Natürlich stellen die im Rahmen der speziellen Beschreibung und der Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen lediglich illustrative Beispiele der Erfindung dar. Insbesondere die spezielle Ausgestaltung der Kanalstrukturen, die Zu- und Ableitung von Kühlmittel und/oder Reaktionsgasen sowie der sonstige Aufbau des Brennstoffzellen-Stacks können vom Fachmann für die Bedürfnisse des Einzelfalls angepasst werden. Hinsichtlich der Materialwahl für den eingesetzten Klebstoff hat der Fachmann ein breites Spektrum zur Verfügung.

Claims (14)

  1. Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend – eine erste Kanalplatte (11) mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem (18) zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und – eine zweite, der ersten Kanalplatte (11) benachbarten Kanalplatte (12) mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidanz-Kanalsystem (19) zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidanzgas aufweist, wobei wenigstens eine der Kanalplatten (11, 12) in ihrer der jeweils anderen Kanalplatte (12, 11) zugewandten Plattenfläche ein wenigstens teilweise offenes Kühlmittel-Kanalsystem (17a; 17b) zur Leitung eines Kühlmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) im Bereich ihrer einander zugewandten Plattenflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  2. Bipolarseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) miteinander verklebt sind.
  3. Bipolarseparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) mittels eines elektronisch leitfähigen Klebemittels verklebt sind.
  4. Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise offene Kühlmittel-Kanalsystem rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege umfasst und die Kanalplatten (11, 12) im Bereich der Stege verklebt sind.
  5. Bipolarseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kanalplatten (11) eine das Kühlmittel-Kanalsystem (17a, 17b) rahmenartig umgebende Nut aufweist, in welche ein umlaufender Vorsprung der anderen Kanalplatte eingreift.
  6. Bipolarseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) miteinander korrespondierende Durchbrüche (34) zur Leitung eines Mediums normal zu ihrer Hauptebene aufweisen, wobei die Öffnung jedes Durchbruchs (34) in der der anderen Kanalplatte (11) zugewandten Plattenfläche einer Kanalplatte (12) von einer ringförmigen Nut (14) umgeben ist, in welche ein entsprechender, umlaufender Vorsprung (13) der anderen Kanalplatte eingreift.
  7. Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) im Eingriffsbereich des Vorsprungs (13) in die Nut (14) miteinander verklebt sind.
  8. Bipolarseparator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) in ihrem Randbereich eine Erweiterung (15) zur Aufnahme überschüssigen Klebemittels aufweisen.
  9. Bipolarseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den stoffschlüssig miteinander verbundenen Kanalplatten (11, 12) im Bereich des Kühlmittel-Kanalsystems (17a, 17b) eine Zwischenlage (40a; 40b) eines elastischen, elektronisch leitfähigen Materials derart angeordnet ist, dass sie beide Kanalplatten (11, 12) kontaktiert.
  10. Bipolarseparator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise offene Kühlmittel-Kanalsystem (17a; 17b) rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege umfasst und die Form der Zwischenlage (40b) auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist.
  11. Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (40a; 40b) ein Gewebe, Papier oder Vlies aus Kohlenstoff umfasst.
  12. Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise offene Kühlmittel-Kanalsystem (17b) rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege umfasst und die Stege niedriger ausgeführt sind als ein das Kühlmittel-Kanalsystem (17b) umgebender Bereich der entsprechenden Kanalplatte (11).
  13. Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Kanalplatte (11) ein Kühlmittel-Kanalsystem (17a) aufweist und der entsprechende Bereich (16c) der anderen Kanalplatte (12) gegenüber ihrem Randbereich flächig vertieft ist.
  14. Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Kanalplatte (11) ein Kühlmittel-Kanalsystem (17a), umfassend rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege, aufweist und die den Stegen entsprechenden Bereiche (16b) der anderen Kanalplatte gegenüber ihrem Randbereich vertieft sind.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011141308A1 (de) * 2010-05-12 2011-11-17 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Brennstoffzellenstapel und verfahren zum herstellen eines brennstoffzellenstapels
WO2012079659A1 (de) * 2010-12-18 2012-06-21 Daimler Ag Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte und bipolarplatte für eine brennstoffzelle

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5776624A (en) * 1996-12-23 1998-07-07 General Motors Corporation Brazed bipolar plates for PEM fuel cells
DE10015360B4 (de) * 2000-03-28 2006-11-23 Ballard Power Systems Inc., Burnaby Separatoreinheit für Elektrolysezellen und Brennstoffzellen
DE10025207A1 (de) * 2000-05-18 2001-11-29 Atecs Mannesmann Ag Brennstoffzelle
DE10039674A1 (de) * 2000-08-14 2002-03-07 Basf Ag Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen
US7094311B2 (en) * 2001-06-01 2006-08-22 Advanced Energy Technology Inc. Assembling bipolar plates
DE10229918B4 (de) * 2002-07-04 2017-05-18 Volkswagen Ag Bipolarplatte für Brennstoffzellen
DE10248531B4 (de) * 2002-10-14 2005-10-20 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Herstellung einer in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen Bipolarplatte

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011141308A1 (de) * 2010-05-12 2011-11-17 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Brennstoffzellenstapel und verfahren zum herstellen eines brennstoffzellenstapels
WO2012079659A1 (de) * 2010-12-18 2012-06-21 Daimler Ag Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte und bipolarplatte für eine brennstoffzelle

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