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Die
Erfindung betrifft eine Bipolarplatte sowie eine Brennstoffzelle
mit einer Bipolarplatte nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Die
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels Brennstoffzellen
stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von
elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff
dar. Derzeit existieren unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen,
die sich nach Art des verwendeten leitfähigen Elektrolyten, dem Betriebstemperaturniveau
und realisierbaren Leistungsbereichen einordnen lassen. Für automobile
Anwendungen sind Polymer-Elektrolyt-Membranbrennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen)
besonders geeignet.
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In
einer PEM-Brennstoffzelle wird die elektrochemische Reaktion von
Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser durch die Einfügung einer
protonenleitenden Membran zwischen die Anoden- und die Kathodenelektrode in die beiden
Teilschritte Reduktion und Oxidation aufgeteilt. Hierbei erfolgt
eine Ladungstrennung, die als Spannungsquelle genutzt werden kann.
Eine einzelne PEM-Brennstoffzelle weist einen symmetrischen Aufbau
auf. Auf eine Polymermembran folgen beidseitig je eine Katalysatorschicht
und Gasverteilerschicht, an die sich eine bipolare Platte anschließt. Stromkollektoren
dienen zum Abgreifen der elektrischen Spannung, während Endplatten
den Brennstoffzellenstapel abschließen.
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In
einem Brennstoffzellenstack oder -stapel ist eine Vielzahl von Zellen
in elektrischer Reihe zueinander gestapelt, wobei sie voneinander
durch eine gasdichte impermeable, bipolare Platte getrennt sind,
die als Bipolarplatte bezeichnet wird. Da die Spannung einer einzelnen
Zelle im Bereich von 1V liegt, ist es für praktische Anwendungen notwendig, zahlreiche
Zellen hintereinander zu schalten. Häufig werden bis zu 400 Zellen
durch Bipolarplatten getrennt aufeinander gestapelt. Dabei ist die
Wasserstoffseite der einen Zelle mit der Sauerstoffseite der nächsten Zelle
durch die Bipolarplatte getrennt. Die Bipolarplatte dient zur elektrischen
Verschaltung der Zellen, Zuführung
und Verteilung der Reaktanden (Reaktionsgasen) und Kühlmittel
und zur Trennung der Gasräume.
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Bekannt
sind grafitische Bipolarplatten, beispielsweise aus Grafit-Composite-Materialien,
oder Bipolarplatten aus anderen stabileren Materialien, z.B. aus
metallischen Werkstoffen wie Stahl-Bipolarplatten, oder aus Komposit-Materialien.
Hierbei liegen jeweils die leitenden Platten außen frei, so dass beispielsweise
ein auf den Brennstoffzellenstapel fallender Metallspan oder Wassertropfen
schon für
einen Kurzschluss sorgen kann. Zwischen jeder Platte befindet sich
ein Potentialunterschied von 0,4V bis 1V. Die Schichtung der Brennstoffzellenstapel
muss zwischen den Spanneinrichtungen vor Berührung geschützt werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Außerdem
ist eine Thermoisolation erforderlich.
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Kommerzielle
Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise
komplett in Kästen
montiert. Die komplette Einhausung enthält viele Bauteile wie Ventile,
Pumpen, Wasser- und Gasaufbereitung, Leitungen usw. Daher muss der
Brennstoffzellenstapel innerhalb der Einhausung geschützt werden.
Nachteilig dabei ist, dass die Brennstoffzellensysteme einen komplexen
Aufbau aufweisen. Die bekannten Kontaktierungssysteme der Einzelspannungserfassung benötigen Kontaktiermöglichkeiten
für die
Einzelspannungserfassung.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
102 50 434 A1 wird ein Modul für eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen,
das mehrere stapelförmig
angeordnete Platten aufweist. Dabei weisen wenigstens zwei Platten
ein gemeinsames Dichtelement aus polymeren Material auf, das an
die Platten angespritzt ist, und durch das die Platten zumindest
partiell miteinander verbunden sind. Dadurch sollen die Platten mechanisch
fixiert werden. Gleichzeitig soll eine zuverlässige Abdichtung bereitgestellt
werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte sowie eine
Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte mit jeweils verbesserten
Eigenschaften vorzuschlagen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe besteht bei einer gattungsgemäßen Bipolarplatte sowie einer
Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte in den kennzeichnenden Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Bipolarplatte
mit einer von einer Außenkante
umgebenen Hauptfläche ist
an ihrer Außenkante
rahmenartig von einem Dichtmittel umhüllt. Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
mit einer Bipolarplatte ist ein Umfang der Brennstoffzelle vollständig durch
ein Dichtmittel abgedichtet, welches um jede Bipolarplatte angeordnet ist.
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Dabei
ist die Bipolarplatte für
einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen und aus einer Mehrzahl von
jeweils durch die Bipolarplatten getrennten Brennstoffzellen mit
einer Kathodenseite mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang
sowie einer Anodenseite mit einem Anodeneingang und einem Anodenausgang
gebildet, wobei der Anodenseite ein wasserstoffhaltiges Medium und
der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Medium zuführbar ist,
wobei Außenflächen des
Brennstoffzellenstapels frei zugänglich
sind. Als Hauptzweck erfüllen
die Bipolarplatten dabei einerseits eine Gasverteilung und andererseits
eine elektrische Leitung. Daneben sorgen die Bipolarplatten für mechanische
Stabilität. Vorteilhafterweise
sind die Bipolarplatten hervorragend für die vorgeschlagenen Dichtungen
geeignet. Günstigerweise
stellen die erfindungsgemäßen Bipolarplatten
aufgrund der vorgeschlagenen Dichtung einen zuverlässigen Schutz
vor Berührung,
beispielsweise durch elektrisch leitende Gegenstände wie metallische Spanneinrichtungen.
Außerdem
kann die Dichtung vor Benässung,
beispielsweise durch Spritzwasser, schützen. Durch diese Schutzfunktionen
können
Kurzschlüsse
vermieden werden. Darüber
hinaus wird ein Schutz vor Verschmutzung bereitgestellt. Insbesondere
durch Ablagerungen an der Bipolarplatte bzw. am Brennstoffzellenstapel
kann die elektrische Leitung zwischen den Brennstoffzellen erhöht werden,
was zu Leistungsverlust führt. Dies
kann vorteilhafterweise durch die Dichtung bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte
vermieden werden. Neben dem vorteilhaften Berührungs- und Benässungsschutz
kann vor allem auch noch ein Kontaktschutz für den Menschen bereitgestellt
werden. Außerdem
werden die Bipolarplatte bzw. die Brennstoffzelle vorteilhafterweise
von einer wärmedämmenden
Schicht umhüllt,
wodurch eine Thermoisolation bereitgestellt wird. Die so gebildete
Zusatzdichtung stellt vorteilhafterweise auch eine Gasseitendichtung
bereit, die ein Entweichen von Wasserstoff und anderen Medien aus
dem Brennstoffzellenstapel verhindert bzw. reduziert.
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Bevorzugt
ist die Außenkante
der Bipolarplatte umlaufend von einem Dichtmittel umhüllt, wobei
das Dichtmittel die Außenkante
vollständig
umgreift. Besonders bevorzugt kann die Außenkante in einem Werkzeug
auf die Bipolarplatte angespritzt werden, beispielsweise durch einen
bereits vorhandenen Kleberoboter. Es fällt demnach kein zusätzlicher
Arbeitsschritt an. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Dichtmittel
angegossen wird. Sind die Bipolarplatten Teil eines Brennstoffzellenstapels; kann
das Dichtmittel um die Bipolarplatten günstigerweise einen dichten
Mantel um den ganzen Stapel bilden. Die Bipolarplatten und der Brennstoffzellenstapel
können
dabei vollständig
von dem Dichtmantel umschlossen sein.
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Ist
das Dichtmittel am Außenumfang
dicker als eine Höhe
der Bipolarplatte, bildet sich ein Kontaktrahmen aus, der besonders
zuverlässig
den gesamten potentialbehafteten Teil des Brennstoffzellenstapels
nach außen
hin abdichtet und abschirmt.
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Bevorzugt
ist als Dichtmittel ein polymeres Material vorgesehen. Es kann jedoch
auch ein Material mit ähnlichen
Eigenschaften verwendet werden. Durch das flexible Dichtungsmaterial
wird auch ein Schlagschutz erreicht. Darüber hinaus ist ein derartiges
Dichtungsmaterial kostengünstig
und eignet sich für
eine Großserienproduktion.
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Insgesamt
können
durch die so bereitgestellte Isolation sowie den Kontakt-, Wärme- und
Berührungsschutz
mehrere Zusatzfunktionen zu geringen Materialkosten erfüllt werden.
Für die
Herstellung der einzelnen Zusatzfunktionen ist günstigerweise auch kein weiterer
Arbeitsschutz erforderlich. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass
bereits vorhandene Konstruktionen wie Membranschnitt, Bipolarplatte, Spannsystem,
insbesondere Plattenform und dgl. beibehalten werden können, so
dass keine zusätzlichen
Konstruktionskosten anfallen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, wobei 1 eine
Ansicht einer bevorzugten Bipolarplatte 10 zeigt, und 2 einen
Schnitt durch die Bipolarplatte 10 im umfangsnahen Bereich
einer Außenkante 14.
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Die
Bipolarplatte 10 ist Teil eines bevorzugten Brennstoffzellenstapels,
dessen Stapelrichtung in 1 senkrecht zur Bildebene ausgebildet
ist. Gase und/oder Flüssigkeiten
werden einem inneren Bereich der Bipolarplatte 10, vorzugsweise über eine nicht
gezeigte Medienverteilungsstruktur 11, zugeführt und über weitere,
im seitlichen Bereich der Medienverteilungsstruktur 11 angeordnete
Kanäle
wieder abgeführt.
Die Bipolarplatte 10 umfasst eine parallel zur Bildebene
ausgebildete Fläche
mit einer Medienverteilungsstruktur 11. Eine Flächenaufteilung der
Bipolarplatte 10 bedingt, dass seitlich der Medienverteilungsstruktur 11,
und zwar oberhalb und unterhalb der Medienverteilungsstruktur 11,
spiegelsymmetrisch Öffnungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f für eine Medienzuführung bzw.
-abführung
ausgebildet sind. Ein Querschnitt der Öffnungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f ist
für einen
Durchfluss der jeweiligen Medien, beispielsweise (Druck-)Luft, wasserstoffhaltiges
Reformat, flüssiges
Kühlmittel
und dgl. ausgelegt. Die Öffnungen 12a, 12d definieren
jeweils einen Kanal 13a, 13d zum Zuführen von
Medien, insbe sondere von Kühlmittel,
der im nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel parallel zur Stapelrichtung verläuft. Die Öffnungen 12b, 12c, 12e, 12f sind
seitlich der Öffnungen 12a, 12d angeordnet
und bilden ebenfalls jeweils Gaskanäle 13b, 13c, 13e, 13f aus, die
senkrecht zur Bildebene angeordnet sind.
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Die
Bipolarplatte 10 ist an ihrer Außenkante 14 von einem
Dichtmittel 15 umhüllt.
Im Stapel ist jede einzelne Bipolarplatte 10 von dem Dichtmittel 15 umhüllt: Als
Dichtmittel 15 ist ein polymeres Material vorgesehen. Insbesondere
ist die Außenkante 14 umlaufend
von dem Dichtmittel 15 umspritzt, wobei das Dichtmittel 15 die
Außenkante 14 umgreift
und dabei einen Rahmen 16 um die Bipolarplatte 10 bildet.
In 2 ist erkennbar, dass das Dichtmittel 15 an
der Außenkante 14 dicker
ist als eine Höhe 17 der Bipolarplatte 10 und
nach innen dünner
wird. Zudem wird gasseitig eine in 1 gezeigte
Gasseitendichtung 18 um jede der Öffnungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f ausgebildet,
wobei die Gasseitendichtung 18 angespritzt ist. Die Gasseitendichtung 18 verhindert
ein Entweichen von Wasserstoff und anderen Medien aus dem Brennstoffzellenstapel.
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- 10
- Bipolarplatte.
- 11
- Medienverteilungsstruktur
- 12a,
12b, 12c, 12d, 12e, 12f
- Öffnungen
- 13a,
13b, 13c, 13d, 13e, 13f
- Kanäle
- 14
- Außenkante
- 15
- Dichtmittel
- 16
- Rahmen
- 17
- Höhe
- 18
- Gasseitendichtung