DE102008052945A1

DE102008052945A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102008052945A1
Application number: DE102008052945A
Authority: DE
Inventors: Andreas Reinert
Original assignee: Staxera GmbH
Current assignee: SunFire GmbH
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-10-24
Also published as: US20110229788A1; DE102008052945B4; US8790844B2; JP2012505525A; WO2010045912A1; JP5372161B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10) mit mehreren Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten, wobei zumindest eine Oberfläche (42) einer ersten Bipolarplatte (24) wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche (42) der Bipolarplatte (24) eine erste Oberfläche (32) einer MEA (30) an Kontaktstellen (38) kontaktieren. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest einem Teil der Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) auf einer der ersten Oberfläche (32) der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (34) der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche (44) einer zweiten Bipolarplatte (36) kontaktiert werden, und dass die Kontaktstellen (38) und die zugeordneten Gegenkontaktstellen (40) in Stapelrichtung (6) übereinander liegen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (10). Die Erfindung betrifft weiter eine Bipolarplatte (24) für einen Brennstoffzellenstapel (10), mit einer wellenförmigen, mäanderförmigen oder zickzackförmigen oberen Oberfläche (42), einer unteren Oberfläche (56), einer linken Wand (52) und einer rechten Wand (54).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten, wobei zumindest eine Oberfläche einer ersten Bipolarplatte wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche der Bipolarplatte eine erste Oberfläche einer MEA an Kontaktstellen kontaktieren.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels.
Die Erfindung betrifft weiter eine Bipolarplatte, die eine wellenförmige, mäanderförmige oder zickzackförmige obere Oberfläche, eine untere Oberfläche, eine linke Wand und eine rechte Wand aufweist.
Brennstoffzellen dienen, ähnlich wie Batterien, der direkten Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das Kernstück einer Brennstoffzelle ist die Membranelektrodeneinheit (MEA, Membrane Electrode Assembly), die aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht sowie einer die Anodenschicht von der Kathodenschicht trennende Elektrolytmembran besteht. Zur Stromerzeugung wird der Anodenschicht Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt, während der Kathodenschicht Oxidationsgas, beispielsweise Luft, zugeführt wird. Dabei kommt es zu einer Oxidation von Brenngas an der Anode, wobei die vom Brenngas abgegebenen Elektronen über eine elektrisch leitende Verbindung von der Anode zur Kathode wandern, wo sie das Oxidationsgas reduzieren. Die dabei entstehenden negativen Oxidationsgasionen kombinieren mit den positiv geladenen Brenngasionen. Wird beispielsweise als Brenngas Wasserstoff H₂ und als Oxidationsgas Sauerstoff O₂ verwendet, so kombinieren im Falle einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) Sauerstoffionen O^2- in und an der Anodenschicht mit Wasserstoffionen H⁺ zu Wassermolekülen H₂O. Die dabei freigesetzte Energie kann genutzt werden, indem zwischen die Anode und die Kathode eine Verbraucherlast geschaltet wird.
Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe elektrische Spannung (typischerweise zwischen 0.1 V und 1 V) zur Verfügung stellt, ist es üblich, viele Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellenstack) elektrisch hintereinander zu schalten, so dass sich die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen des Stapels addieren. Dabei wird jeweils die Kathodenschicht einer Brennstoffzelle mit der Anodenschicht der angrenzenden Brennstoffzelle über eine Bipolarplatte verbunden.
Die Bipolarplatte trennt dabei einen Strömungsbereich des Brenngases von einem Strömungsbereich des Oxidationsgases. Bewährt haben sich insbesondere Bipolarplatten, die eine mäanderförmige, wellenförmige (wellblechartige) oder zickzackförmige Oberfläche aufweisen. Bipolarplatten dieser Art binden an die benachbarte Brennstoffzelle über Extremstellen (Gipfelstellen) ihrer Oberfläche an. Die zwischen den Extremstellen liegenden Täler bilden Kanäle zur Führung von Brenngas beziehungsweise Oxidationsgas.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die mechanische Stabilität eines Brennstoffzellenstapels der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass zumindest einem Teil der Kontaktstellen Gegenkontaktstellen auf einer der ersten Oberfläche der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche einer zweiten Bipolarplatte kontaktiert werden, wobei die Kontaktstellen und die zugeordneten Gegenkontaktstellen in Stapelrichtung übereinander liegen. Wird über eine der Kon taktstellen ein Kraft auf die MEA ausgeübt, so kann über die entsprechende Gegenkontaktstelle eine Gegenkraft auf die MEA ausgeübt werden, wodurch Spannungen innerhalb der MEA oder Verformungen der MEA, die bei Fehlen einer derartigen Gegenkraft auftreten würden, vermieden werden. Der Kraftfluss innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann somit optimiert werden. Auch kann sich eine größere Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung ergeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind allen Kontaktstellen Gegenkontaktstellen zugeordnet. Das heißt, dass keine Kontaktstellen zwischen Extremstellen der Oberfläche der Bipolarplatte und der ersten Oberfläche der MEA existieren, denen keine Gegenkontaktstellen zugeordnet sind. Hierdurch werden auf besonders effektive Weise unerwünschte Spannungen und Verformungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels vermieden.
Es ist möglich, dass die Gegenkontaktstellen von der Oberfläche der zweiten Bipolarplatte über einen Metallschaum, zum Beispiel über einen Nickelschaum, kontaktiert werden. Durch die Beschichtung einer Elektrode, insbesondere einer Anode, mit einem Metallschaum, kann eine längere Lebensdauer der Elektrode erreicht werden. Darüber hinaus können über den Metallschaum Gegenkräfte auf die Gegenkontaktstellen ausgeübt werden. Voraussetzung ist, dass der Schaum hinreichend starr ist.
Besonders vorteilhaft kann sein, dass der Metallschaum die zweite Oberfläche der MEA nur in den Gegenkontaktstellen kontaktiert. Hierdurch wird vermieden, dass der Metall schaum Kräfte auf solche Bereiche der zweiten Oberfläche der MEA ausübt, auf die von der ersten Bipolarplatte keine Kräfte unmittelbar übertragen werden.
Die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte können dieselbe Gestalt haben. Insbesondere können die erste und die zweite Bipolarplatte baugleich sein. Die Herstellung, Wartung und Reparatur des Brennstoffzellenstapels kann hierdurch erleichtert werden.
Die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte können in diesem Fall gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse gedreht sein. Hieraus ergibt sich ein einfacher und übersichtlicher Aufbau des Brennstoffzellenstapels.
Alternativ können die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung senkrechte Achse gedreht sein.
Alternativ können die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte gegeneinander um 90 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse gedreht sein. Insbesondere in dem Fall, in dem die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte jeweils eine Vielzahl von parallelen Stegen beziehungsweise Furchen (Kanäle) zur Gasführung aufweisen, kann durch eine derartige gekreuzte Anordnung eine besonders hohe Stabilität des Brennstoffzellenstapels erreicht werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte unterschiedlich gestaltet. Hierdurch können geometrische Zwangsbedingungen, zum Beispiel im Hinblick auf Symmetrien der Bipolarplatten, die zu beachten sind, wenn die erste und die zweite Bipolarplatte baugleich sein sollen, vermieden werden. Es ergibt sich somit eine größere Gestaltungsfreiheit bei der Konzeption des Brennstoffzellenstapels.
Die Oberfläche der ersten Bipolarplatte kann eine Oberfläche eines Wellblechs sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Bipolarplatte im wesentlichen durch ein Wellblech realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, bei dem die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte baugleich sind. Es zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Bipolarplatte in eine um 90 Grad oder 180 Grad relativ zur ersten Bipolarplatte gedrehte Position gedreht wird, und dass die Bipolarplatten in der so erreichten Relativposition gestapelt werden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Drehung von 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse die linke Wand und die rechte Wand im wesentlichen ineinander überführt werden und mindestens zwei untere Extremstellen der unteren Oberfläche unter zwei entsprechenden oberen Extremstellen der oberen Oberfläche zu liegen kommen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Zu nächst werden zwei identische Bipolarplatten hergestellt. Dann wird die zweite Bipolarplatte in eine um 180 Grad relativ zur ersten Bipolarplatte gedrehte Position gebracht. Dabei kommen mindestes zwei untere Extremstellen der unteren Oberfläche der zweiten Bipolarplatte über zwei entsprechenden oberen Extremstellen der oberen Oberfläche der ersten Bipolarplatte zu liegen. Besonders vorteilhaft sind solchen Ausführungsformen, bei denen alle untere Extremstellen der unteren Oberfläche durch eine Drehung von 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse jeweils unter entsprechenden oberen Extremstellen der oberen Oberfläche zu liegen kommen.
Eine derartige Bipolarplatte wird auf besonders einfache Weise dadurch realisiert, dass die Gesamtheit aus der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche in Richtung einer zur Stapelrichtung senkrechten Achse periodisch ist und ihre Projektion auf diese Richtung ein ungerades Vielfaches der halben Periodenlänge misst.
Es zeigen:
1 einen schematischen horizontalen Querschnitt durch ein Gasflussfeld eines Brennstoffzellenstapels;
2 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch (a) einen verformten Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten Ausführungsform,
(b) einen entsprechenden unverformten Brennstoffzellenstapel;
3 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer vierten Ausführungsform;
6 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer fünften Ausführungsform;
7 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer sechsten Ausführungsform;
8 einen schematischen horizontalen Querschnitt durch zwei aufeinanderfolgende Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer siebten Ausführungsform;
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche, äquivalente, analoge oder ähnliche Komponenten. Zumindest einige dieser Komponenten werden zur Vermeidung von Wiederholungen nur einmal erläutert.
1 zeigt schematisch einen horizontalen Schnitt durch einen Brennstoffzellenstapel 10. Die horizontale Ebene ist identisch mit der x-y-Ebene 2, 4 (Stapelebene) und steht senkrecht zur Stapelrichtung (z-Richtung, senkrecht zur Bildebene). Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine Bipolarplatte 24, welche eine Vielzahl von Kanälen 26, 28 zur Führung von Oxidationsgas beziehungsweise Brenngas definiert. Die Kanäle 26, 28 verlaufen parallel zueinander in der y-Richtung 4. Die Oxidationsgaskanäle 26 dienen der Führung von Oxidationsgas, typischerweise ein sauerstoffreiches Gas, und grenzen an eine in der Figur nicht sichtbare Kathode einer unterhalb der Bildebene liegenden MEA. Die Brenngaskanäle 28 dienen der Führung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff. Sie grenzen an eine in der Figur nicht sichtbare horizontale Anode einer oberhalb der Bildebene liegenden MEA. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 tritt sauerstoffreiches Oxidationsgas über einen Oxidationsgaseinlass 12 in die Oxidationsgaskanäle 26 und strömt (in der Figur symbolisiert durch Pfeile) entlang der Kathode, wo ein Teil des Gases reduziert wird. Nicht verbrauchtes Oxidationsgas sowie das Reaktionsprodukt (typischerweise Wasser) verlassen den aktiven Bereich durch einen Oxidationsgasauslass 16. Gleichzeitig tritt Brenngas (beispielsweise Wasserstoff) über einen Brenngaseinlass 14 in die Brenngaskanäle 28 und strömt (in der Figur symbolisiert durch Pfeile) entlang der Anode, wo es teilweise ionisiert wird. Nicht verbrauchtes Brenngas verlässt die Brenngaskanäle 28 über einen Brenngasauslass 18.
2 zeigt einen schematischen senkrechten Schnitt durch einen Teilbereich des mit Bezug auf 1 erläuterten Brennstoffzellenstapel 10, erstens in einem verformten Zustand (a), der durch ein ”Zusammendrücken” des Stapels entlang der Vertikalen 6 (z-Richtung) hervorgerufen wird, und zweitens in einem unverformten Zustand (b). Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst mehrere im wesentlichen identische Membran-Elektroden-Anordnungen MEAs und mehrere im wesentlichen identische Bipolarplatten, die alternierend aufeinander gestapelt sind. Auf einer ersten Bipolarplatte 24 liegt eine MEA 30. Auf der MEA 30 liegt eine zweite Bipolarplatte 36. Die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 definieren durch ihre wellenförmige Gestalt jeweils zusammen mit der MEA Brenngaskanäle 28 und Oxidationsgaskanäle 26. Extremstellen einer Oberfläche 42 der Bipolarplatte 24 kontaktieren eine erste Oberfläche 32 (Kathodenfläche) der MEA 30 an Kontaktstellen 38. Extremstellen einer Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 kontaktieren eine zweite Oberfläche 34 (Anodenfläche) der MEA 30 an Kontaktstellen 38. Aus Teil (a) der Figur ist ersichtlich ist, dass die MEA 30 durch die von unten und oben gleichzeitig angelegten vertikalen Kräfte wellenförmig verbogen ist. Die den vertikalen Kräften entgegenwirkenden und ein Kollabieren des Brennstoffzellenstapels verhindernden Kräfte werden durch die Verformung der MEA aufgebracht. MEAs bestehen jedoch typischerweise zumindest teilweise aus einem relative spröden Material. Übersteigen die Kräfte kritische Werte, bricht das Material. Die MEA wird dadurch zumindest teilweise in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
3 zeigt einen zu 2 analogen senkrechten Querschnitt durch einen Teilbereich eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist sowohl in vertikaler Richtung 6 (z-Richtung) als auch in einer horizontalen Richtung 2 (x-Richtung) periodisch aufgebaut. Er umfasst insbesondere eine erste Bipolarplatte 24, eine MEA 30 und eine zweite Bipolarplatte 36. Die Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels, insbesondere die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36, sind baugleich. Jedoch sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen zwei aufeinanderfolgende Bipolarplatten von unterschiedlichem Typ sind. Die MEA 30 weist eine erste Oberfläche 32 (Kathodenfläche) und eine zweite Oberfläche 34 (Anodenfläche) auf. Eine gewellte Oberfläche 42 der ersten Bipolarplatte 24 berührt die Kathodenfläche 32 der MEA 30 in Kontaktstellen 38. Eine gewellte Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 berührt die Anodenfläche 34 der MEA in Kontaktstellen 40. Das Wellenprofil der zweiten Bipolarplatte 36 ist relativ zum Wellenprofil der ersten Bipolarplatte 24 um eine halbe Periode, das heißt um eine halbe Wellenlänge, in x-Richtung versetzt. Dies führt dazu, dass die Kontaktstellen 38 und die Kontaktstellen 40 übereinander liegen, das heißt, in z-Richtung (Stapelrichtung) aufeinander projizieren. Die Kontaktstellen 40 zwischen der zweiten Bipolarplatte 36 und der MEA 30 bilden somit Gegenkontaktstellen zu den Kontaktstellen 38 zwischen der ersten Bipolarplatte 24 und der MEA 30. Werden die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte in vertikaler Richtung gegeneinander gedrückt, beispielsweise durch die Schwerkraft oder durch ein beab sichtigtes Verspannen des Brennstoffzellenstapels 10, so kompensieren sich in dem zwischen zwei übereinanderliegenden Kontaktstellen 38, 40 befindlichen Abschnitt der MEA 30 die von der Kontaktstelle 38 nach oben wirkende Kraft und die von der Kontaktstelle 40 nach unten wirkenden Kraft. Die MEA 30 wird daher nicht signifikant verformt. In dem gezeigten Beispiel bildet die Oberfläche 42 eine obere Oberfläche der ersten Bipolarplatte 24. Die Bipolarplatte 24 weist auch eine untere Oberfläche 56 auf. Die untere Oberfläche 56 und die obere Oberfläche 42 sind in dem gezeigten Beispiel geometrisch ähnlich, jedoch können sie sich prinzipiell auch signifikant voneinander unterscheiden. Insbesondere muss die untere Oberfläche nicht gewellt, mäanderförmig oder zickzackförmig sein.
Bei der in 4 gezeigten dritten Ausführungsform ist in den Kanälen 28 zwischen der zweiten Bipolarplatte 36 und der zweiten Oberfläche (Anodenfläche) 34 der MEA 30 ein Nickelschaum 46 angeordnet. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit der MEA vergrößert und/oder ihre Lebensdauer verlängert werden. Im Betrieb strömt das Brenngas durch die mit dem Nickelschaum 46 gefüllten Kanäle 28. Die Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 kontaktiert die Anodenfläche 34 in den Gegenkontaktstellen 40 nun nicht direkt, sondern mittelbar über den Nickelschaum 46.
Die in 5 skizzierte vierte Ausführungsform hebt sich von der zweiten und dritten Ausführungsform insbesondere dadurch ab, dass die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 identisch sind und dabei nicht horizontal gegeneinander versetzt oder gedreht sind. Die Kanäle 28 sind nur teilweise mit einem Nickelschaum 46 gefüllt. Der Nickelschaum 46 weist Stege 48 auf, die parallel zu den Kanälen 26, 28 in y-Richtung verlaufen und an die Anodenfläche 34 der MEA 30 in Gegenkontaktstellen 40 anschließen. Die Gegenkontaktstellen 40 erstrecken sich ebenfalls in y-Richtung. Zwei benachbarte Stege 48 definieren zusammen mit der Anodenfläche 34 einen Hohlraum 50. Jeder Steg 48 kontaktiert die MEA 30 in einer Gegenkontaktstelle 40 der Oberfläche 34.
6 illustriert eine Ausführungsform, die im wesentlichen analog zu der mit Bezug auf 3 beschriebenen Ausführungsform ist. Eine z-Achse 6 verläuft parallel zur Stapelrichtung. Eine y-Achse (nicht dargestellt) ist senkrecht zur z-Achse und zur Bildebene. Die y-Achse verläuft parallel zu Brenngaskanälen 28 und Oxidationsgaskanälen 26. Eine x-Achse 2 steht senkrecht zur z-Achse 6 und liegt in der Bildebene. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird seitlich begrenzt durch eine linke Wand 52 und durch eine rechte Wand 54, die sich beide parallel zur y-z-Ebene erstrecken. Eine erste Bipolarplatte 24 und eine zweite Bipolarplatte 36 sind baugleich und weisen jeweils einen zickzackförmigen Querschnitt in der z-x-Ebene auf. Der zickzackförmige Querschnitt definiert Brenngaskanäle 28 und Oxidationsgaskanäle 26. Die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 sind gegeneinander um 180 Grad um die y-Achse gedreht. Dies hat zur Folge, dass jeweils eine der sich in y-Richtung erstreckenden oberen Extremstellen der Oberfläche 42 der ersten Bipolarplatte 24 und eine der sich in y-Richtung erstreckenden unteren Extremstellen der Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 einander zugewandt sind, um mit der MEA 30 eine Kontaktstelle 38 und eine entsprechende Gegenkontaktstelle 40 zu bilden.
Der in 7 schematisch dargestellte Brennstoffzellenstapel 10 veranschaulicht eine verwandte Ausführungsform. Die erste Bipolarplatte 24 weist eine zickzackförmige obere Oberfläche 42 und eine zickzackförmige untere Oberfläche 56 auf. Durch eine Drehung von 180 Grad um eine ausgesuchte zur Stapelrichtung 6 parallele Achse kommen alle unteren Extremstellen 60 der unteren Oberfläche 56 unter entsprechenden oberen Extremstellen 58 der oberen Oberfläche 42 zu liegen, und die linke Wand 52 und die rechte Wand 54 werden ineinander überführt. Die Gesamtheit aus der oberen Oberfläche 42 und der unteren Oberfläche 56 ist in x-Richtung 2 periodisch, wobei ihre Projektion auf die x-Richtung (das heißt, ihre maximale Abmessung in der x-Richtung 2) ein ungerades Vielfaches (hier: fünf) der halben Periodenlänge misst. Die Periodenlänge ist hier identisch mit dem Abstand in x-Richtung zwischen benachbarten Extremstellen 60 der unteren Oberfläche 56, oder, äquivalent ausgedrückt, mit dem Abstand in x-Richtung zwischen benachbarten Extremstellen 58 der oberen Oberfläche 42. Die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 sind gegeneinander um 180 Grad um die zur Stapelrichtung parallele z-Achse 6 gedreht. Dies hat zur Folge, dass jeweils eine der sich in y-Richtung erstreckenden oberen Extremstellen der Oberfläche 42 der ersten Bipolarplatte 24 und eine der sich in y-Richtung erstreckenden unteren Extremstellen der Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 einander zugewandt sind, um mit der MEA 30 eine Kontaktstelle 38 und eine entsprechende Gegenkontaktstelle 40 zu bilden.
8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform. Ein Brennstoffzellenstapel weist eine erste Bipolarplatte 24 und eine zweite Bipolarplatte 36 auf, die gegeneinander um 90 Grad um die zur Stapelrichtung parallele (senkrecht zur Bildebene stehende) z-Achse gedreht sind. Die beiden Bipolarplatten 24, 36 sind in der Figur nebeneinander dargestellt, tatsächlich liegen sie jedoch in Stapelrichtung übereinander. Die beiden Bipolarplatten 24 und 36 sind im wesentlich ähnlich gestaltet wie die entsprechenden Bipolarplatten in 6 oder 7, das heißt, sie weisen jeweils einen zickzackförmigen Querschnitt auf. Ihr Querschnitt könnte aber auch wellenförmig oder mäanderförmig sein. Die Kanäle 26, 28 der ersten Bipolarplatte 24 und die Kanäle 26, 28 der zweiten Bipolarplatten liegen in Stapelrichtung übereinander und kreuzen einander rechtwinklig. Die Extremstellen einer Oberfläche der ersten Bipolarplatte 24 erstrecken sich in die y-Richtung 4, während sich die Extremstellen einer Oberfläche der zweiten Bipolarplatte 36 in die x-Richtung 2 erstrecken. Gemeinsam definieren sie ein zur x-y-Ebene paralleles quadratisches Gitter, wobei jedem Gitterpunkt eine Kontaktstelle zwischen der ersten Bipolarplatte 24 und einer ersten Oberfläche einer MEA (nicht sichtbar) und eine entsprechende Gegenkontaktstelle zwischen der zweiten Bipolarplatte 36 und einer zweiten Oberfläche der MEA zugeordnet sind.
9 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren beginnt in Schritt 900. In Schritt 901 wird eine weitere Bipolarplatte auf den bereits existierenden Teil des herzustellenden Brennstoff zellenstapels gelegt. Auf diese Bipolarplatte wird eine weitere MEA gelegt (Schritt 902). Im folgenden Schritt 903 wird eine weitere Bipolarplatte, die baugleich zur zuletzt (das heißt, in Schritt 901) aufgelegten Bipolarplatte ist, in eine relativ zur zuletzt aufgelegten Bipolarplatte gedrehte Position gedreht oder geschwenkt und daraufhin auf die MEA gelegt. Beispielsweise wird die weitere Bipolarplatte derart gedreht, dass ein Brennstoffzellenstapel gemäß einer der in 3, 4, 6, 7 und 8 schematisch dargestellten Ausführungsformen entsteht. Anschließend wird in Schritt 904 eine weitere MEA auf den Stapel, das heißt, auf die gedrehte Bipolarplatte, gelegt. Es ist denkbar, dass die weitere MEA baugleich zur vorhergehenden MEA ist, und dass sie relativ zur vorhergehenden MEA in derselben Weise gedreht wird wie die Bipolarplatte, auf die sie aufgelegt wird. In Schritt 905 wird anschließend festgestellt, ob weitere Einheiten auf den Stapel gelegt werden sollen. Wenn ja, kehrt der Prozessablauf zu Schritt 901 zurück, das heißt, es werden mindestens zwei weitere Bipolarplatten und zwei weitere MEAs auf den Stapel gelegt. Andernfalls wird das Verfahren beendet (Schritt 906).
Räumliche Begriffe wie ”oben”, ”unten”, ”links” und ”rechts” dienen lediglich der Beschreibung von Relativpositionen von Komponenten. Sie haben keine absolute Bedeutung und sind daher austauschbar.

2: x-Richtung
4: y-Richtung
6: z-Richtung (Stapelrichtung)
10: Brennstoffzellenstapel
12: Oxidationsgaseinlass
14: Brenngaseinlass
16: Oxidationsgasauslass
18: Brenngasauslass
20: vorderer Bereich
22: hinterer Bereich
24: erste Bipolarplatte
26: Oxidationsgaskanal
28: Brenngaskanal
30: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
32: erste Oberfläche
34: zweite Oberfläche
36: zweite Bipolarplatte
38: Kontaktstelle
40: Gegenkontaktstelle
42: Oberfläche
44: Oberfläche
46: Metallschaum
48: Steg
50: Hohlraum
52: Wand
54: Wand
56: Oberfläche
58: Extremstelle
60: Extremstelle
900 bis 906: Verfahrensschritte

Claims

Brennstoffzellenstapel (10) mit mehreren Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten, wobei zumindest eine Oberfläche (42) einer ersten Bipolarplatte (24) wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche (42) der Bipolarplatte (24) eine erste Oberfläche (32) einer MEA (30) an Kontaktstellen (38) kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Teil der Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) auf einer der ersten Oberfläche (32) der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (34) der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche (44) einer zweiten Bipolarplatte (36) kontaktiert werden, und dass die Kontaktstellen (38) und die zugeordneten Gegenkontaktstellen (40) in Stapelrichtung (6) übereinander liegen.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass allen Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) zugeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkontaktstellen (40) von der Oberfläche (44) der zweiten Bipolarplatte (36) über einen Metallschaum (46) kontaktiert werden.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (46) die zweite Oberfläche (34) der MEA nur in den Gegenkontaktstellen (40) kontaktiert.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) dieselbe Gestalt haben.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse (6) gedreht sind.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung senkrechte Achse (4) gedreht sind.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) gegeneinander um 90 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse (6) gedreht sind.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) unterschiedlich gestaltet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (42) der ersten Bipolarplatte (24) eine Oberfläche eines Wellblechs ist.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (10), der mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten umfasst, wobei zumindest eine Oberfläche (42) einer ersten Bipolarplatte (24) wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche (42) der Bipolarplatte (24) eine erste Oberfläche (32) einer MEA (30) an Kontaktstellen (38) kontaktieren, wobei zumindest einem Teil der Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) auf einer der ersten Oberfläche (32) der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (34) der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche (44) einer zweiten Bipolarplatte (36) kontaktiert werden, und die Kontaktstellen (38) und die zugeordneten Gegenkontaktstellen (40) in Stapelrichtung (6) übereinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) dieselbe Gestalt haben und die zweite Bipolarplatte (36) in eine um 90 Grad oder 180 Grad relativ zur ersten Bipolarplatte (24) gedrehte Position gedreht wird (903), und dass die Bipolarplatten (24, 36) in der so erreichten Relativposition gestapelt werden.
Bipolarplatte (24) für einen Brennstoffzellenstapel (10), mit einer wellenförmigen, mäanderförmigen oder zickzackförmigen oberen Oberfläche (42), einer unteren Oberfläche (56), einer linken Wand (52) und einer rechten Wand (54), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Drehung von 180 Grad um eine zur Stapelrichtung (6) parallele Achse die linke Wand (52) und die rechte Wand (54) ineinander überführt werden und mindestens zwei untere Extremstellen (60) der unteren Oberfläche (56) unter zwei entsprechenden oberen Extremstellen (58) der oberen Oberfläche (42) zu liegen kommen.
Bipolarplatte (24) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit aus der oberen Oberfläche (42) und der unteren Oberfläche (56) in Richtung einer zur Stapelrichtung (6) senkrechten Achse periodisch ist und ihre Projektion auf diese Richtung ein ungerades Vielfaches der halben Periodenlänge misst.