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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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Eine Brennstoffzelle weist eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode auf, zwischen denen eine Elektrolytschicht angeordnet ist. Die Anodenelektrode wird mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff oder Methanol, beaufschlagt, wohingegen die Kathodenelektrode mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, beaufschlagt wird. An der Anodenelektrode erfolgt eine elektrochemische Oxidation des Brennstoffs, wobei Elektronen über einen äußeren Stromkreis zur Kathodenelektrode geleitet werden, an der das Oxidationsmittel reduziert wird. Es ist bekannt eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in Reihe aneinander zu stapeln, um eine gewünschte elektrische Spannung in dem äußeren Stromkreis für beispielsweise einen externen Leistungsverbraucher zu erhalten. Die Brennstoffzellen sind plattenförmig ausgebildet und in dem Brennstoffzellenstapel übereinander gestapelt und miteinander verspannt. Herkömmlich sind die Brennstoffzellen elektrisch in Serie und bezüglich der Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelführung parallel geschaltet. Die Führung des Oxidationsmittels und des Brennstoffs zwischen den Brennstoffzellen und die elektrische Kontaktierung der Brennstoffzellen untereinander wird mit Bipolarplatten bewerkstelligt.
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Eine herkömmliche Bipolarplatte ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und weist an der der Anodenelektrode bzw. der Kathodenelektrode zugewandten Seite eine Verteilstruktur auf, mit der der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel an die Kathodenelektrode bzw. die Anodenelektrode bereitstellbar ist. Die Verteilstrukturen sind beispielsweise durch Strömungswege aus zueinander parallel und mäanderförmig verlaufenden Kanälen in den Bipolarplatten gebildet. Die Verteilstruktur auf der Kathodenseite der Bipolarplatte dient zur Verteilung des Brennstoffs über die Fläche der Kathodenelektrode, wohingegen die Verteilstruktur der Bipolarplatte auf der Anodenseite zur Verteilung des Oxidationsmittels über die Fläche der Anodenelektrode dient. Die Verteilstrukturen sind mit entsprechenden Zuführ- und Abführkanälen zum Zuführen bzw. Abführen des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels versehen.
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Es ist wünschenswert, dass die Bipolarplatten derart konstruiert und montiert sind, dass aus den Strömungskanälen, in denen der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel geführt ist, keine Leckagen austreten. Deshalb sind an den Bipolarplatten im Bereich der Strömungskanäle und der Verteilstrukturen Dichtungen angebracht, mit denen die Bipolarplatten gegen ihre benachbarten Elektroden abgedichtet sind. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die Dichtung beim Betrieb der Brennstoffzelle versagt, woraus beispielsweise eine Leckageströmung von dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle resultieren kann. Dies hat zur Folge, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle reduziert wird und sich das Risiko eines Brennstoffzellenbrands erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle zu schaffen, mit der die Brennstoffzelle sicher betreibbar ist und die Bipolarplatte einfach in ihrer Konstruktion ist.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle weist zwei flächig aneinanderliegende Teilplatten auf, wobei die erste Teilplatte an ihrer der zweiten Teilplatte abgewandten Seite eine erste Mediumsverteilstruktur zum Bereitstellen eines ersten Mediums einer ersten Elektrode der Brennstoffzelle und am Rand der ersten Mediumsverteilstruktur einen Durchbruch, von dem das erste Medium in die erste Mediumsverteilstruktur führbar ist, und die zweite Teilplatte an ihrer der ersten Teilplatte abgewandten Seite eine zweite Mediumsverteilstruktur zum Bereitstellen eines zweiten Mediums einer zweiten Elektrode der Brennstoffzelle und von der zweiten Mediumsverteilstruktur abgetrennt einen Verteilerschlitz aufweisen, der an mindestens einer Stelle den Durchbruch überlappend angeordnet ist, so dass, wenn in dem Verteilerschlitz das erste Medium bereitgestellt ist, das erste Medium von dem Verteilerschlitz via den Durchbruch zu der ersten Mediumsverteilstruktur führbar ist. Dadurch ist die Zuführung des ersten Mediums zu der ersten Mediumsverteilstruktur in der ersten Teilplatte via die zweite Teilplatte bewerkstelligt, wobei die beiden Teilplatten plan und ohne eine zusätzliche Dichtungseinrichtung dicht aneinander gelegt sind. Dabei hat die Bipolarplatte eine hohe Dichtigkeit, wodurch die Brennstoffzelle, in die die Bipolarplatte eingesetzt ist, sicher betreibbar ist. Außerdem ist die Bipolarplatte einfach konstruiert, da etwa das zusätzliches Dichtelement zum Abdichten der beiden Teilplatten voneinander nicht vorgesehen zu werden braucht. Dadurch ist die Konstruktion der Bipolarplatte einfach.
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Bevorzugtermaßen ist der Durchbruch von einer Durchgangslochreihe mit einer Mehrzahl an Durchgangslöchern gebildet, die senkrecht zur ersten Teilplatte angeordnet sind und die erste Mediumsverteilstruktur an deren Rand freilegen. Dadurch ist an dem Rand der Mediumsverteilstruktur eine vorteilhaft breite und gleichmäßige Zugänglichkeit der Mediumsverteilstruktur für das erste Medium bereitgestellt, wodurch die Mediumsverteilstruktur von dem ersten Medium gut durchströmbar ist. Dennoch hat die erste Teilplatte eine hohe Festigkeit, da ihre Materialschwächung durch die Durchgangslöcher beherrschbar ist.
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Der Verteilerschlitz verläuft bevorzugt entlang der Durchgangslochreihe und die Durchgangslöcher münden jeweils bevorzugt in den Verteilerschlitz. Dadurch ist eine hohe Durchströmbarkeit der Durchgangslöcher erzielt, wobei in dem Verteilerschlitz ein bei der Durchströmung auftretender Druckverlust vorteilhaft gering ist. Ferner ist es bevorzugt, dass der Verteilerschlitz von der zweiten Mediumsverteilerstruktur von einem Trennsteg der zweiten Teilplatte abgetrennt ist, so dass das erste Medium von der zweiten Mediumsverteilerstruktur isoliert ist. Dadurch ist es von dem Trennsteg unterbunden, dass etwa das erste Medium in die zweite Mediumsverteilstruktur gelangen kann und sich dort mit dem zweiten Medium vermischt.
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Die beiden Teilplatten weisen bevorzugt zusammen ein Durchgangsloch als einen Mediumsführkanal auf, in das der Verteilerschlitz mündet, so dass das erste Medium von dem Mediumsführkanal via den Verteilerschlitz und via den Durchbruch zu der ersten Mediumsverteilstruktur zu und abführbar ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass in der zweiten Teilplatte zwischen dem Mediumsführkanal und dem Verteilerschlitz ein Anstichschlitz vorgesehen ist, der in den Verteilerschlitz und in den Mediumsführkanal mündet. Am Rand der ersten Mediumsverteilstruktur in der ersten Teilplatte sind bevorzugt ein weiterer Durchbruch und in der zweiten Teilplatte sind bevorzugt ein weiterer Verteilerschlitz vorgesehen, so dass von dem einen Durchbruch und dem einen Verteilerschlitz das erste Medium der ersten Mediumsverteilstruktur zuführbar und mit dem anderen Durchbruch und dem anderen Verteilerschlitz das erste Medium von der ersten Mediumsverteilstruktur abführbar ist. Die dadurch bereitgestellte Konstruktion zum Beaufschlagen der ersten Mediumsverteilstruktur mit dem ersten Medium ist einfach und gut abgedichtet, so dass die Brennstoffzelle sicher betreibbar ist.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die erste Mediumsverteilstruktur in der Fläche rechteckig ausgebildet ist sowie die Durchbrüche und die Verteilerschlitze an einander gegenüberliegenden Rändern der ersten Mediumsverteilstruktur angesiedelt sind. Hierbei ist es bevorzugt, dass die zweite Mediumsverteilstruktur zwischen den beiden Verteilerschlitzen sich erstreckt. Die zweite Teilplatte mit ihrer Mediumsstruktur steht bevorzugt von der ersten Teilplatte vor, so dass die zweite Mediumsverteilstruktur zum Zu-/Abführen des zweiten Mediums von der Seite her zugänglich ist, an der die erste Teilplatte angeordnet ist.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht einer Brennstoffplatte der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
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2 eine Draufsicht einer Oxidationsmittelplatte der Bipolarplatte,
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3 eine Draufsicht der Bipolarplatte,
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4 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch die Bipolarplatte und
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5 einen Ausschnitt der Draufsicht der Oxidationsmittelplatte.
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Wie es aus 1 bis 5 ersichtlich ist, weist eine Bipolarplatte 1 als eine erste Teilplatte eine Brennstoffplatte 2 und als eine zweite Teilplatte eine Oxidationsmittelplatte 15 auf. Die Bipolarplatte 1 ist geeignet in eine Brennstoffzelle eingesetzt zu werden, in der bei einer chemischen Reaktion von Brennstoff und Oxidationsmittel elektrische Energie erzeugbar ist.
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Die Brennstoffplatte 2 und die Oxidationsmittelplatte 15 sind flächig aneinandergelegt und bilden dadurch die Bipolarplatte 1, wobei die der Oxidationsmittelplatte 15 abgewandte Seite der Brennstoffplatte 2 eine Kathodenseite 3 und die der Brennstoffplatte 2 abgewandte Seite der Oxidationsmittelplatte 15 eine Anodenseite 16 ist. Mit der Kathodenseite 3 ist in der Brennstoffzelle von der Bipolarplatte 1 eine Kathodenelektrode und mit der Anodenseite 16 ist in der Brennstoffzelle von der Bipolarplatte 1 eine Anodenelektrode kontaktierbar.
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Sowohl die Brennstoffplatte 2 als auch die Oxidationsmittelplatte 15 sind rechteckig ausgebildet und weisen an ihren Ecken jeweils ein Halterungsloch 4 auf, wobei die Halterungslöcher 4 in der Bipolarplatte 1 miteinander fluchten. Ist die Bipolarplatte 1 in eine Brennstoffzelle eingebaut, kann beispielsweise die Bipolarplatte 1 von Befestigungsbolzen, die durch die Halterungslöcher 4 gesteckt sind, zusammen verspannt werden.
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Die Brennstoffplatte 2 weist an der Kathodenseite 3 in ihrem mittleren Bereich eine rechteckig ausgebildete Brennstoffverteilstruktur 12 auf, wobei zwischen der Brennstoffverteilstruktur 12 und dem Rand der Brennstoffplatte 2 ein nicht von der Brennstoffverteilstruktur 12 erfasster Rand verbleibt, in dem die Halterungslöcher 4 angebracht sind. Ähnlich weist die Oxidationsmittelplatte eine Oxidationsmittelverteilstruktur 17 an der Anodenseite 16 auf, wobei in dem um die Oxidationsmittelverteilstruktur 17 verlaufenden Rand der Oxidationsmittelplatte 15 die Halterungslöcher 4 vorgesehen sind. Zum Betreiben der Brennstoffzelle ist die Brennstoffverteilstruktur 12 mit einem ersten Medium, nämlich einem Brennstoff, beispielsweise Methan, und die Oxidationsmittelverteilstruktur 17 mit einem zweiten Medium, nämlich Sauerstoff oder Luft beaufschlagt. Zum Heranbringen des Brennstoffs an die Brennstoffverteilstruktur 12 in der Brennstoffplatte 2 ist in der Brennstoffplatte 2 und der Oxidationsmittelplatte 15 ein Brennstoffzuführkanal 5 ausgebildet, der als ein Durchgangsloch durch die beiden Teilplatten 2, 15 ausgebildet ist. Der Brennstoffzuführkanal 5 liegt außerhalb der Brennstoffverteilstruktur 12 und der Oxidationsmittelverteilstruktur 17. Beim Betrieb der Brennstoffzelle ist der Brennstoffzuführkanal 5 von dem Brennstoff senkrecht zur Bipolarplatte 1 durchströmt.
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In der Oxidationsmittelplatte 15 ist außerhalb der Oxidationsmittelverteilstruktur 17 im Bereich des Brennstoffzuführkanals 5 ein Verteilerschlitz 8 ausgebildet, der in 2, 3 von links nach rechts sich erstreckt. Zwischen dem Verteilerschlitz 8 und dem Brennstoffzuführkanal 5 ist ein Anstichschlitz 7 vorgesehen, so dass zwischen dem Brennstoffzuführkanal 5 und dem Verteilerschlitz 8 via den Anstichschlitz 7 eine Brennstoff führende Verbindung ausgebildet ist. Zu dem Verteilerschlitz 8 senkrecht zur Bipolarplatte 1 fluchtend ist in der Brennstoffplatte 2 ein Durchbruch 10 ausgebildet, der von einer Durchgangslochreihe 11 gebildet ist. Die Durchgangslochreihe 11 ist entlang des Rands der Brennstoffverteilstruktur 12 angeordnet, wobei die Durchgangslochreihe 11 die Brennstoffverteilstruktur 12 freilegt. Dadurch ist von der Durchgangslochreihe 11 an der Brennstoffverteilstruktur 12 ein Eintrittsrand 13 ausgebildet, so dass von dem Brennstoffzuführkanal 5 via den Anstichschlitz 7, via den Verteilerschlitz 8, via die Durchgangslochreihe 11 über den Eintrittsrand 13 hinweg der Zugang des Brennstoffs zu der Brennstoffverteilstruktur 12 geschaffen ist.
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Die Durchgangslochreihe 11 erstreckt sich über die gesamte Breite der Brennstoffverteilstruktur 12, so dass der Eintrittsrand 13 über die gesamte Breite der Brennstoffverteilstruktur 12 ausgebildet ist. Dadurch ist eine effektive und gleichmäßige Beaufschlagung der Brennstoffverteilstruktur 12 mit dem Brennstoff ermöglicht. An der dem Eintrittsrand 13 der Brennstoffverteilstruktur 12 gegenüberliegenden Seite ist ein Austrittsrand 14 der Brennstoffverteilstruktur 12 ausgebildet, an dem eine analoge Struktur zum Abführen des Brennstoffs von der Brennstoffverteilstruktur 12 vorgesehen ist. So ist an dem Austrittsrand 14 ebenfalls eine Durchgangslochreihe 11 angebracht, die in einen Verteilerschlitz 8 in der Oxidationsmittelplatte 15 mündet, von den ein Anstichschlitz 7 abzweigt, der in einen Brennstoffabführkanal 6 mündet. Die Kanalstruktur zum Zuführen des Brennstoffs zu dem Eintrittsrand 13 der Brennstoffverteilstruktur 12 und die Kanalstruktur zum Abführen des Brennstoffs von dem Austrittsrand 14 der Brennstoffverteilstruktur 12 sind symmetrisch zueinander ausgebildet.
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Die Oxidationsmittelverteilstruktur 17 ist von einer Mehrzahl an parallel zueinander und parallel zu den Verteilerschlitzen 8 verlaufenden Längsschlitzen 20 gebildet, die jeweils an ihren Längsenden über die Brennstoffplatte 2 hinweg vorstehen. Dadurch sind die Längsschlitze 20 an den Rändern der Brennstoffplatte 2 freigelegt, wodurch die Oxidationsmittelverteilstruktur 17 zum Zu- bzw. Abführen von Oxidationsmittel zugänglich ist. Somit ist in 2 und 3 beispielsweise rechts ein Eintrittsrand 18 und links ein Austrittsrand 19 ausgebildet, wobei über den Eintrittsrand 18 das Oxidationsmittel der Oxidationsmittelverteilstruktur 17 zugeführt und über den Austrittsrand 19 das Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelverteilstruktur 17 abgeführt wird. Somit ist via den Überstand 21 die Oxidationsmittelverteilstruktur 17 mit dem Oxidationsmittel betreibbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Brennstoffplatte
- 3
- Kathodenseite
- 4
- Halterungsloch
- 5
- Brennstoffzuführkanal
- 6
- Brennstoffabführkanal
- 7
- Anstichschlitz
- 8
- Verteilerschlitz
- 9
- Trennsteg
- 10
- Durchbruch
- 11
- Durchgangslochreihe
- 12
- Brennstoffverteilstruktur
- 13
- Eintrittsrand der Brennstoffverteilstruktur
- 14
- Austrittsrand der Brennstoffverteilstruktur
- 15
- Oxidationsmittelplatte
- 16
- Anodenseite
- 17
- Oxidationsmittelverteilstruktur
- 18
- Eintrittsrand der Oxidationsmittelverteilstruktur
- 19
- Austrittsrand der Oxidationsmittelverteilstruktur
- 20
- Längsschlitz
- 21
- Überstand
