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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und eine Schichtstruktur, die eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte umfasst, wobei eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht vergrößert ist.
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Bipolarplatten finden Anwendung in elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise einem Brennstoffzellensystem, mit mehreren zu einem Stapel zusammengefassten Einzel-Brennstoffzellen, und haben die Aufgabe, die Einzelzellen voneinander zu trennen, einen elektrischen Kontakt der Elektroden der elektrochemischen Zellen bereitzustellen, Strom zu benachbarten Zellen weiterzuleiten, Zellen mit Medien oder Reaktionsedukten zu versorgen und die entstandene Abwärme abzuleiten.
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Üblicherweise steht eine Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionsschicht in Kontakt, die in einer elektrochemischen Zelle als Verteilerstruktur der Reaktionsedukte, also insbesondere der Reaktionsgase, dient, und meist aus Geweben aus Kohlenstoffmaterialien gebildet ist. Herkömmlicherweise sind die Bipolarplatten aus Metallen gebildet, so dass der elektrische Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht nicht ideal ist. Dadurch entsteht ein hoher Kontaktwiderstand. Durch Verpressen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht kann der Kontaktwiederstand zwischen den beiden Schichten etwas reduziert werden, jedoch muss dazu im Regelfall die Bipolarplatte verprägt sein, um Flussfelder für die Reaktionsedukte bereitzustellen. Dies erhöht einerseits wiederum den Kontaktwiderstand und ist andererseits ein aufwendiger und kostenintensiver Prozess.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte bereitzustellen, die eine große Kontaktfläche mit einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht und zudem Flussfelder für Reaktionsmedien bereitstellt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Schichtstruktur mit einer Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht bereitzustellen, die sich durch einen geringen Kontaktwiderstand zwischen den Schichten auszeichnet und einen optimalen Transport von Reaktionsmedien erlaubt.
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Die Aufgabe wird bei einer Bipolarplatte erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte eine Grundfläche und darauf vorgesehene erhabene Strukturen umfasst. Die erhabenen Strukturen, also Erhöhungen gegenüber der Grundfläche, weisen je einen ersten Bereich auf, der ausgebildet ist, in eine mit der Bipolarplatte in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht einzudringen. Dadurch wird eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht vergrößert und ein Kontaktwiderstand zwischen diesen Schichten verringert. Die erhabenen Strukturen weisen ferner je einen zweiten Bereich auf, der zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte und dem ersten Bereich der erhabenen Strukturen vorhanden ist. Die ersten und/oder zweiten Bereiche sind in Form und/oder Anordnung dabei so ausgebildet, dass die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand (X) gehalten werden. Der Abstand (X) kann dabei beispielsweise auch beim Verpressen der Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionsschicht eingestellt werden. Form, Anordnung, Struktur und Material der erhabenen Strukturen sind im Einzelnen nicht beschränkt, solange sie eine sehr gute Kontaktierung und ein Eindringen der ersten Bereiche in die Gasdiffusionsschicht unter Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Schichten und das Ausbilden einer Abstandsfunktion durch die zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen ermöglichen. Diese Funktionen sind beispielsweise durch sich kreuzende erhabene Strukturen gegeben. Ein erster Bereich der erhabenen Strukturen liegt dann oberhalb der Kreuzungspunkte der erhabenen Strukturen, also am von der Grundfläche der Bipolarplatte entfernteren Ende. Diese ersten Bereiche der erhabenen Strukturen dringen erfindungsgemäß in eine zu kontaktierende Gasdiffusionsschicht ein. Durch die Kreuzungspunkte wird jedoch ein komplettes Einsinken der erhabenen Strukturen in die Gasdiffusionsschicht effektiv verhindert. Unterhalb der Kreuzungspunkte, also zwischen den Kreuzungspunkten und der Grundfläche der Bipolarplatte, wird ein Gasdiffusionsschicht-freier Bereich, ein Abstandsbereich, gebildet, der zum Transport von Reaktionsmedien dient und somit durch den entstandenen Abstand (X) eine effektive Beförderung dieser Medien ermöglicht. Alternativ oder additiv zu sich kreuzenden erhabenen Strukturen können auch die ersten und/oder zweiten Bereiche mit spezifischer Struktur ausgebildet sein, die ein Eindringen lediglich der ersten Bereiche der erhabenen Strukturen in eine in Kontakt gelangende Gasdiffusionsschicht erlaubt, jedoch ein weiteres Eindringen der zweiten Bereiche unterbindet. Der Abstand (X) wird dabei ausgehend von der Grundfläche der Bipolarplatte in orthogonaler Richtung, also in Laminierrichtung einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht, bis zum weitest entferntesten Punkt der zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen, also dem Punkt, an den die ersten Bereiche angrenzen, bestimmt. Somit wird eine Bipolarplatte mit sehr guten Transportwegen für Reaktionsmedien, also einem optimal integrierten Flussfeld sowie einer vergrößerten Kontaktfläche bereitgestellt, die auf einfache Weise ein kontaktwiderstandreduziertes Anbinden an eine Gasdiffusionsschicht ermöglicht. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist insbesondere zur Verwendung in einer Brennstoffzelle geeignet, wobei die Brennstoffzelle insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet ist.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht vor, dass der Abstand (X) im Wesentlichen einer Höhe des zweiten Bereichs der erhabenen Strukturen entspricht. Somit kann einfach durch gezielte Ausgestaltung der Struktur und Form der erhabenen Strukturen maßgeblich Einfluss auf das auszubildende Medienflussfeld genommen werden, ohne dass separate Bearbeitungsschritte, wie beispielsweise ein Verprägen der Bipolarplatte, vorgenommen werden müssen.
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Zur Bereitstellung einer Bipolarplatte mit einem Flussfeld mit großem Transportvolumen ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der Abstand (X) 50 bis 300 μm, vorzugsweise 70 bis 150 μm, beträgt.
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Weiter vorteilhaft ist die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig, was einen guten Medientransport ermöglicht. Eine Höhe des ersten Bereichs der erhabenen Strukturen beträgt vorzugsweise ein 1- bis 10-Faches, vorzugsweise ein 2- bis 4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht. Hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht effektiv vergrößert und damit ein Kontaktwiderstand zwischen diesen beiden Schichten deutlich reduziert.
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Ebenfalls aus Gründen der Erhöhung der Kontaktfläche zu einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht und einer damit verbundenen Kontaktwiderstandsreduzierung, beträgt eine Höhe des ersten Bereichs der erhabenen Strukturen 3 bis 100 μm, vorzugsweise 5 bis 30 μm. Die Höhe des ersten Bereichs spiegelt damit eine mögliche Eindringtiefe in eine Gasdiffusionsschicht wider, die bei 5 μm bereits einen guten Verbund mit der Gasdiffusionsschicht unter Reduzierung des Kontaktwiderstandes bereitstellt, der bei einer Höhe zwischen 5 und 30 μm optimal ist, da somit beim in Kontakt bringen der Bipolarplatte mit der Gasdiffusionsschicht auch einer Deformation der erhabenen Bereiche vorgebeugt und ein Eindringen der ersten Bereiche in die Gasdiffusionsschicht erleichtert wird. Die Höhe des ersten Bereichs wird entlang einer Verlaufsrichtung des ersten Bereichs bestimmt und stellt einen Durchschnittswert dar.
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Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Breite eines mit der Grundfläche der Bipolarplatte in Verbindung stehenden Fußes der erhabenen Strukturen kleiner ist als die doppelte Gesamthöhe der erhabenen Strukturen. Die Gesamthöhe ergibt sich dabei aus der Summe der Höhe h1 der ersten Bereiche und der Höhe h2 der zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen.
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Hierbei wird jeweils Bezug genommen auf durchschnittliche Werte der Breite und der Höhe. Hierdurch wird ein sehr gutes Volumen/Oberflächen-Verhältnis in den erhabenen Strukturen erzielt, das die Ausbildung einer besonders großen Kontaktfläche bei möglichst geringem Materialaufwand für die erhabenen Strukturen erlaubt.
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Ferner vorteilhaft ist ein Abstand zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen an ihrem jeweils höchsten Punkt größer als die doppelte Gesamthöhe der erhabenen Strukturen. Dies ermöglicht einen guten Verbund zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht bei großer Kontaktfläche und geringem Materialeinsatz.
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Alternativ oder additiv dazu ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Abstand zwischen erhabenen Strukturen in benachbarten Reihen an ihrem jeweils höchsten Punkt zu einem Abstand zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen an ihrem jeweils höchsten Punkt die folgende Relation erfüllt: e/f > 2. Auch hierdurch wird eine sehr gute Kontaktfläche der Bipolarplatte bereitgestellt, die einen innigen Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht bei geringem Kontaktwiderstand ermöglicht.
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Erhabene Strukturen mit ersten und zweiten Bereichen, die sowohl ein Kontaktieren und Eindringen in eine Gasdiffusionsschicht als auch ein auf Abstand Halten einer Gasdiffusionsschicht ermöglichen, lassen sich sehr einfach durch Aufbringen einer Zwischenschicht zwischen der Bipolarplattengrundfläche und einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht bilden. Dies hat ferner den Vorteil, dass die Zwischenschicht und damit die erhabenen Strukturen besonders gezielt in Form, Anordnung und Struktur im Hinblick auf die in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht abgestimmt werden können. Aus diesem Grund ist das Vorsehen einer schaumartigen Zwischenschicht und insbesondere einer Zwischenschicht aus einzelnen Strukturen zur Bildung der erhabenen Strukturen, auf die Grundfläche der Bipolarplatte, besonders bevorzugt.
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Aus Gründen einer einfachen und kostengünstigen Herstellung unter Einsparung von Materialkosten, sind die erhabenen Strukturen vorteilhafterweise durch strukturelle Bearbeitung der Bipolarplatte, insbesondere durch Beschichten mit Material und/oder Ablagern von Material und/oder Aufwachsen von Material, gebildet. Somit kann die Leitfähigkeit im Übergang des ersten Bereichs der erhabenen Strukturen und der zum Kontakt vorgesehenen Gasdiffusionsschicht weiter verbessert und der Kontaktwiderstand zwischen diesen beiden Schichten effektiv gesenkt werden. Vorteilhaft umfasst die strukturelle Bearbeitung ein Schleifen und/oder Fräsen und/oder Kratzen und/oder Ätzen und/oder Oxidieren und/oder PVD und/oder CVD und/oder Aufwachsen von dendritischen Strukturen. Die hier genannten Verfahren sind Standardverfahren zur Bearbeitung von Oberflächen und insbesondere von metallenen Oberflächen, die keinen hohen technischen Aufwand erfordern und daher leicht und kostengünstig umsetzbar sind und eine spezifische Ausgestaltung der erhabenen Strukturen der Bipolarplatte erlauben.
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Weiter vorteilhaft ist die Zwischenschicht mit der Grundfläche der Bipolarplatte durch Kleben, Löten, Hartlöten, Anpressen oder Eindrücken verbunden. Je nach Bedarf können diese Verfahrensschritte auch miteinander kombiniert werden, was zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und einer damit in Kontakt zu bringenden Gasdiffusionsschicht beiträgt.
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Zur Einsparung von Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist diese frei von Verprägungen zur Bereitstellung von Flussfeldern. Die Funktion der Flussfelder wird durch den zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht eingehaltenen Abstand (X) übernommen; eine Verprägung im aktiven Bereich der Bipolarplatte kann damit entfallen.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Schichtstruktur beschrieben, die eine wie vorstehend beschriebene Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht umfasst. Die erfindungsgemäße Schichtstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich der erhabenen Strukturen der Bipolarplatte in die Gasdiffusionsschicht eingedrungen ist und eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht vergrößert. Ferner ist eine Form und/oder Anordnung des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs der erhabenen Strukturen der Bipolarplatte so ausgebildet, dass die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand (X) gehalten werden. Die erfindungsgemäße Schichtstruktur ist von einfachem strukturellem Aufbau bei hoher Funktionalität, wobei ein Kontaktwiederstand zwischen den Einzelschichten reduziert ist. Gleichzeitig werden durch die Ausbildung und Erhaltung des Abstandes Medienflussfelder bereitgestellt, ohne dass die Bipolarplatte hierzu gesondert bearbeitet werden muss. Die Bipolarplatte eignet sich daher besonders gut für den Verbau in einem Brennstoffzellensystem. Insbesondere kann der Abstand (X) beim Verpressen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht gezielt eingestellt werden. Die Form bzw. Anordnung des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs der erhabenen Strukturen ist hierfür so ausgebildet, in die Gasdiffusionsschicht einzudringen. Durch einen vorgegebenen Pressdruck dringen die erhabenen Strukturen soweit wie gewünscht ein, so dass erste Bereiche der erhabenen Strukturen in der Gasdiffusionsschicht angeordnet werden, während zweite Bereiche der erhabenen Strukturen nicht in die erhabenen Bereiche eindringen, so dass die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand (X) gehalten werden, der dann die Höhe der zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen widerspiegelt. Mit anderen Worten ergeben in Summe vorzugsweise Form, Ausführung und Anordnung der erhabenen Bereiche zusammen mit dem Anpressdruck den gewünschten Abstand (X).
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Die für die erfindungsgemäße Bipolarplatte vorgesehenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Schichtstruktur.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schichtstruktur sieht zur weiteren Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen den Einzelschichten vor, dass die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig ist, wobei eine Eindringtiefe des ersten Bereichs der erhabene Strukturen in die Gasdiffusionsschicht ein 1–10-Faches, vorzugsweise ein 2–4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht, beträgt.
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Unter dem Aspekt der Vergrößerung der Kontaktfläche und damit der Reduzierung des Kontaktwiderstandes ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass das Material der Gasdiffusionsschicht in einem Kontaktbereich der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht verdichtet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig ist, wobei der Abstand (X) folgende Relation erfüllt: X ≥ 5·d. d ist dabei ein durchschnittlicher Faserdurchmesser der Fasern oder ein durchschnittlicher Schaumblasendurchmesser der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht. So kann ein Medienflussfeld mit großem Transportvolumen bei minimalem Materialeinsatz und gleichzeitig sehr guter elektrischer Leitfähigkeit bereitgestellt werden, was sich günstig auf die Kostenstruktur der Schichtstruktur auswirkt.
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Besonders vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt der Bereitstellung eines Flussfeldes mit großem Transportvolumen bei hoher Stabilität der Schichtstruktur und reduziertem Druckverlust ist der Abstand (X) 50 bis 300 μm und vorzugsweise 70 bis 150 μm.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte sowie die erfindungsgemäße Schichtstruktur sind insbesondere zur Verwendung in einer Brennstoffzelle geeignet, wobei die Brennstoffzelle insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet ist.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen und deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
- – Die Kontaktfläche zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht wird deutlich vergrößert.
- – Der Kontaktwiderstand zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht ist reduziert.
- – Die elektrische Leitfähigkeit zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht ist erhöht.
- – In der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sind Flussfelder integriert, ohne dass separate Bearbeitungsschritte vorgesehen werden müssen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer vierten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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5 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung,
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6 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur gemäß einer zweiten Weiterbildung der Erfindung und
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7 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur gemäß einer dritten Weiterbildung der Erfindung.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der erfindungsgemäßen Bipolarplatte bzw. der Schichtstruktur dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile.
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1 zeigt eine Bipolarplatte 10 mit einer Grundfläche 1 auf der erhabene Strukturen 2 angeordnet bzw. vorgesehen sind. Die erhabenen Strukturen 2 weisen je einen ersten Bereich 4 auf. Der bzw. die ersten Bereiche 4 sind ausgebildet, in eine mit der Bipolarplatte 10 in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt) einzudringen. Hierdurch wird eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht vergrößert. Die erhabenen Strukturen 2 weisen ferner zweite Bereiche 3 auf, die sich zwischen der Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 und den ersten Bereichen 4 der erhabenen Strukturen 2 erstrecken.
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Die Anordnung des ersten Bereichs 4 und des zweiten Bereichs 3, und damit die Anordnung der erhabenen Strukturen 2 zueinander, ist so ausgebildet, dass die Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 und eine mit der Bipolarplatte in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand gehalten werden. Dies wird, wie beispielhaft in 1 gezeigt, dadurch ermöglicht, dass sich erste und zweite Bereiche von z. B. benachbarten erhabenen Strukturen 2 kreuzen. So ergibt sich aus mindestens zwei sich kreuzenden Strukturen eine erhabene Struktur 2, die oberhalb des Kreuzungspunktes einen ersten Bereich 4 mit einer Höhe h1 und unterhalb Kreuzungspunktes einen zweiten Bereich 3 mit einer Höhe h2 aufweisen. Der Verlauf der sich kreuzenden Strukturen verhindert beim in Kontakt bringen der Bipolarplatte 10 mit einer Gasdiffusionsschicht sein vollständiges Eindringen der erhabenen Strukturen 2. Die Gasdiffusionsschicht wird somit auf Abstand gehalten, der hier z. B. der Höhe h2 der zweiten Bereiche entspricht.
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Die Höhe h2 der zweiten Bereiche wird dabei in einer Richtung orthogonal zur Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 gemessen und erstreckt sich bis zum Kreuzungspunkt der erhabenen Strukturen 2. Die Höhe h1 der ersten Bereiche wird in Verlaufsrichtung bzw. in Erstreckungsrichtung vom Kreuzungspunkt bis zum Ende des ersten Bereichs, also dem Ende, das vorgesehen ist in eine Gasdiffusionsschicht einzudringen, bestimmt. Die jeweiligen Werte der Höhen sind dabei Durchschnittswerte.
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Vorzugsweise beträgt ein Abstand X, und damit auch eine Höhe h2 der zweiten Bereiche 4 50 bis 300 μm und vorzugsweise 70 bis 150 μm.
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Die erhabenen Strukturen 2 können beispielsweise durch Aufbringen einer Zwischenschicht und insbesondere einer schaumartigen Zwischenschicht und ferner insbesondere einer Zwischenschicht aus einzelnen Strukturen, auf die Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 gebildet sein. Alternativ dazu können die erhabenen Strukturen 2 durch strukturelle Bearbeitung der Bipolarplatte 10, insbesondere durch Beschichten mit Material und/oder Ablagern von Material und/oder Aufwachsen von Material, gebildet sein.
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Die Bipolarplatte 10 stellt aufgrund der Ausbildung der erhabenen Strukturen 2 eine große potentielle Kontaktfläche bereit. Ferner wird aufgrund der zweiten Bereiche 3 der erhabenen Strukturen 2, die vorgesehen sind nicht in die Gasdiffusionsschicht einzudringen, ein Medienflussfeld in der Bipolarplatte 10 bereitstellt, ohne dass die Bipolarplatte 10 hierzu im aktiven Bereich Verprägungen aufweist.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Bipolarplatte. Die Bipolarplatte 20 umfasst wiederum eine Grundfläche 1 mit darauf angeordneten, pfeilförmigen erhabenen Strukturen 2. Durch die in Pfeilspitzenform ausgebildeten ersten Bereiche 4 wird ein Eindringen in eine zu kontaktierende Gasdiffusionsschicht unter Vergrößerung der Kontaktfläche und damit unter Reduzierung des Kontaktwiderstandes, erleichtert. Die breiten Schenkel der Pfeilspitzen der ersten Bereiche 4 verhindern jedoch ein Eindringen in eine Gasdiffusionsschicht bis auf die Grundfläche 1 der Bipolarplatte 20, also unter Einbeziehung der zweiten Bereiche 3. Die zweiten Bereiche 3 sichern somit einen Abstand zwischen der Grundfläche 1 der Bipolarplatte 20 und einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht.
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3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung einer Bipolarplatte. Die Bipolarplatte 30 weist erhabene Strukturen 2 auf, die wiederum erste Bereiche 4 und zweite Bereiche 3 haben. Hier ist die Form bzw. die Struktur der ersten Bereiche 4 im Verhältnis zur Form und Struktur der zweiten Bereiche 3 so ausgebildet, dass ein Eindringen der ersten Bereiche 4 in eine zu kontaktierende Gasdiffusionsschicht lediglich bis zu dem Punkt der erhabenen Strukturen 2 möglich ist, an dem der zweite Bereich 3 verdickt gegenüber dem ersten Bereich 4 ausgebildet ist.
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Material und Struktur der zweiten Bereiche 3 müssen nicht massiv sein, sondern können porös oder mit Durchgängen versehen sein, so dass ein Flussfeld mit großem Medienvolumen bereitgestellt werden kann. c beschreibt einen mit der Bipolarplatte 30 in Verbindung stehenden Fuß der erhabenen Bereiche 2. Eine Breite eines mit der Grundfläche der Bipolarplatte 1 in Verbindung stehenden Fußes der erhabenen Strukturen c ist dabei vorteilhafterweise kleiner als eine doppelte Gesamthöhe der erhabenen Strukturen 2.
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In 4 ist eine Bipolarplatte 40 gezeigt, die in zwei Reihen R angeordnete erhabene Strukturen 2 aufweist, wie sie in 2 bereits erläutert wurden. 4 veranschaulicht die Relation zwischen den erhabenen Bereichen 2. Hierbei ist ein Abstand zwischen in einer Reihe R angeordneten erhabenen Strukturen f an ihrem jeweils höchsten Punkt größer als die doppelte Gesamthöhe h der erhabenen Strukturen 2 mit h = h1 + h2. Ferner erfüllt ein Abstand zwischen erhabenen Strukturen 2 in benachbarten Reihen e an ihrem jeweils höchsten Punkt zu einem Abstand f zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen 2 an ihrem jeweils höchsten Punkt vorteilhafterweise die folgende Relation: e/f > 2.
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5 zeigt eine Schichtstruktur 100 gemäß einer Weiterbildung der Erfindung. Die Schichtstruktur 100 wird aus einer Gasdiffusionsschicht 5 und einer wie in 2 dargestellten Bipolarplatte 20 gebildet. Die Gasdiffusionsschicht 5 und die Bipolarplatte 20 wurden zur Herstellung der Schichtstruktur 100 verpresst. Hierdurch drangen die ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 in die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 5 ein. Aufgrund der Form bzw. der Struktur der ersten Bereiche 4 und der zweiten Bereiche 3, wurde ein Einsinken der zweiten Bereiche 3 in die Gasdiffusionsschicht 5 verhindert. So ist zwischen der Gasdiffusionsschicht 5 und der Grundfläche 1 der Bipolarplatte 20 ein Abstand X gebildet, der eine Höhe aufweist, die der Höhe der zweiten Bereiche 3 entspricht. Hierdurch ist ein Medienflussfeld gebildet worden. Die Schichtstruktur 100 zeichnet sich durch einen geringen Kontaktwiderstand und eine gute Eignung zur Beförderung von Reaktionsmedien aus.
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Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig, und der Abstand X erfüllt folgende Relation: X ≥ 5·d. d ist dabei ein durchschnittlicher Faserdurchmesser der Fasern oder ein durchschnittlicher Schaumblasendurchmesser der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht 5.
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Ferner vorzugsweise beträgt der Abstand X 50 bis 300 μm und vorzugsweise 70 bis 150 μm.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Höhe h1 der ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 ein 1–10-Faches, vorzugsweise ein 2–4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht 5, wobei die Höhe h1 der ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 insbesondere 3 bis 100 μm, vorzugsweise 5 bis 30 μm, beträgt.
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6 zeigt eine Schichtstruktur 200 gemäß einer zweiten Weiterbildung der Erfindung. Die Schichtstruktur 200 wurde durch Verpressen einer Bipolarplatte 30 mit einer Gasdiffusionsschicht 5 hergestellt. Die Bipolarplatte 30 weist pyramidale erhabene Strukturen 2 mit je einem ersten Bereich 4 und einem zweiten Bereich 3, auf. Durch einen entsprechenden Druck beim Verpressen der Schichten sind die ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 in die Gasdiffusionsschicht 5 eingedrungen. Form, Ausführung und Anordnung der erhabenen Bereiche ergeben zusammen mit dem Anpressdruck den gewünschten Abstand X. Eine Limitierung des Pressdrucks kann dabei verhindern, dass die erhabenen Strukturen 2 weiter in die Gasdiffusionsschicht 5 eindringen. Somit liegen, wie hier gezeigt, zweite Bereiche 3 der erhabenen Strukturen 2 zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte 1 und den ersten Bereichen 4 der erhabenen Strukturen 2, also auch zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte 1 und der Gasdiffusionsschicht 5, frei, woraus ein Abstand X zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte 1 und der Gasdiffusionsschicht 5 resultiert, der zur Ausbildung eines Medienflussfelds geeignet ist.
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7 zeigt eine Schichtstruktur 300 gemäß einer dritten Weiterbildung der Erfindung. Schichtstruktur 300 unterscheidet sich von Schichtstruktur 200 aus 6 durch die Form der erhabenen Struktur 2. Die spezifische, M-förmige Form bietet einen gewissen Widerstand, der auch beim Verpressen der Schichtstruktur 300 ein vollständiges Eindringen der erhabenen Struktur 2 in die Gasdiffusionsschicht über den Scheitelpunkt der erhabenen Struktur 2 hinaus, verhindert. So kann gezielt durch Auswahl der Form des erhabenen Bereichs 2 in Kombination mit dem Druck beim Verpressen der Schichtstruktur 300 eine Eindringtiefe des ersten Bereiches 4 der erhabenen Struktur 2 und damit ein bestimmter Abstand X, der der Höhe h2 des zweiten Bereichs 3 der erhabenen Struktur 2 entspricht, eingestellt werden.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundfläche der Bipolarplatte
- 2
- erhabene Strukturen
- 3
- zweite Bereiche der erhabenen Strukturen
- 4
- erste Bereiche der erhabenen Strukturen
- 5
- Gasdiffusionsschicht
- 10
- Bipolarplatte
- 20
- Bipolarplatte
- 30
- Bipolarplatte
- 40
- Bipolarplatte
- 50
- Bipolarplatte
- 60
- Bipolarplatte
- 100
- Schichtstruktur
- 200
- Schichtstruktur
- 300
- Schichtstruktur
- c
- mit der Bipolarplatte in Verbindung stehender Fuß einer erhabenen Struktur
- e
- Abstand zwischen erhabenen Strukturen in benachbarten Reihen an ihrem jeweils höchsten Punkt
- f
- Abstand zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen an ihrem jeweils höchsten Punkt
- h1
- Höhe der ersten Bereiche
- h2
- Höhe der zweiten Bereiche
- h
- Gesamthöhe der erhabenen Strukturen
- R
- Reihe an erhabenen Strukturen
- X
- Abstand
