DE102015203684A1

DE102015203684A1 - Bipolarplatte mit adhäsiv unterstützten Bipolarplattenregionen

Info

Publication number: DE102015203684A1
Application number: DE102015203684.7A
Authority: DE
Inventors: c/o Ballard Power Systems Gallagher Emerson
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplattenanordnung (1) für eine Brennstoffzelle (2), wobei die Bipolarplattenanordnung eine erste Bipolarplattenhälfte (3) und eine zweite Bipolarplattenhälfte (4) umfasst, wobei die erste Bipolarplattenhälfte (3) der zweiten Bipolarplattenhälfte (4) benachbart angeordnet ist und die erste Bipolarplattenhälfte (3) eine Mehrzahl erhobener Bereiche (5) aufweist, sodass zwischen zwei erhobenen Bereichen (5) und der ersten Bipolarplattenhälfte (3) mindestens ein Kühlmittelkanal (6) ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass die zweite Bipolarplattenhälfte (4) an mindestens einem freien Ende (7) eines erhobenen Bereichs (5) der ersten Bipolarplattenhälfte (3) gefügt ist, sodass der Kühlmittelkanal (6) mittels der zweiten Bipolarplattenhälfte (4) verschlossen ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplattenanordnung für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplattenanordnung eine erste Bipolarplattenhälfte und eine zweite Bipolarplattenhälfte umfasst und die erste Bipolarplattenhälfte mit der zweiten Bipolarplattenhälfte benachbart angeordnet ist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer Ionen leitenden, insbesondere Protonen leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^–). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e^– werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (1/2 O₂ + 2 e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H⁺ + O^2– → H₂O).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten dient sowie der Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf. Bipolarplatten sind in unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Grundsätzliche Ziele bei dem Design von Bipolarplatten stellen die Gewichtsreduzierung, die
Bauraumreduzierung, die Kostenreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
DE 10 2013 217 759 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung. 5 auf Seite 22 lehrt ein Verbinden von Klemmplatten mit einer Brennstoffquelle oder einer Oxidationsmittelquelle. Dabei können die Verbindungen als Abstandshalter zwischen den Klemmplatten und der Brennstoffquelle oder der Oxidationsmittelquelle angesehen werden.
Die DE 603 09 312 T2 lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Gegenstandes zur Verwendung als Elektrode in einer Brennstoffzelle. In Absatz [0007] lehrt die Patentschrift, zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Bipolarplatten Verstärkungsmaterialien aus kurzen Kohlenstofffasern zu verwenden.
Nachteilig an dieser Lehre ist, dass nur einstückige Platten durch Verstärkungsmaterial, wie Faserverbundstoffe verstärkt werden können.
Die DE 10 2011 116 998 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Einzelplatten zu mindestens einer Bipolarplatte. Die Schrift diskutiert die Nachteile des stoffschlüssigen thermischen Fügens von Einzelplatten zu Bipolarplatten. Wesentlicher Nachteil seien die thermischen Ausdehnungen des Grundmaterials der Einzelplatten [0097]. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, eine Grundplatte mit mindestens zwei Halterungen zu versehen. Darüber hinaus ist die dieser Grundplatte zu benachbarnde Einzelplatte mit Öffnungen zu versehen. Wenn die Halterungen in die Öffnungen der Grundplatte passen, dann sind die benachbarten Platten einfach zusammensteckbar. Die zusammengesteckten Einzelplatten sind punktuell, thermisch, stoffschlüssig leicht zu fügen. Als eine Fügetechnik thermisch stoffschlüssigen Fügens offenbart die Schrift in Absatz [0007] das Löten.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass Löten aufwendig ist. Ferner ist feinmechanisches Löten durch die Dimension der Lötnadel begrenzt.
Die DE 10 2008 024 478 A1 offenbart eine Lehre zum Verbinden von Bipolarplatten. Dazu lehrt sie in 4a eine Ausführungsform, die zeigt, wie zwei Unipolarplatten verschachtelt miteinander gefügt werden. Die verschachtelten Unipolarplatten sind an Kühlmittelstegen miteinander verschmolzen.
Nachteilig an dieser Lehre ist ein Zerstören der Unipolarplatten. Denn diese müssen aufgeschmolzen werden, um sie miteinander zu verbinden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplattenanordnung bereitzustellen, deren Kühlmittelflussfeld hohen inneren Kühlmittelflüssigkeitsdrücken Stand hält und die kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird bei einer Bipolarplattenanordnung für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplattenanordnung eine erste Bipolarplattenhälfte und eine zweite Bipolarplattenhälfte umfasst, wobei die erste Bipolarplattenhälfte der zweiten Bipolarplattenhälfte benachbart angeordnet ist und die erste Bipolarplattenhälfte eine Mehrzahl erhobener Bereiche aufweist, so dass zwischen zwei erhobenen Bereichen und der ersten Bipolarplattenhälfte mindestens ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass die zweite Bipolarplattenhälfte an mindestens einem freien Ende eines erhobenen Bereichs der ersten Bipolarplattenhälfte gefügt ist, sodass der Kühlmittelkanal mittels der zweiten Bipolarplattenhälfte verschlossen ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Bipolarplattenhälfte gefügt, indem sie miteinander verklebt sind. Verkleben ist kostengünstig. Der entstehende Kühlmittelkanal ist dicht und dauerhaft verschlossen. Vorteilhafter Weise nehmen die verklebten Bipolarplattenhälften an der Fügestelle, also der Klebestelle, Druckkräfte der Kühlmittelflüssigkeit auf. Somit wird ein Auseinanderdrücken der beiden Bipolarplattenhälften infolge des Kühlmitteldrucks verhindert. Erfindungsgemäß wird damit ein Zerstören der Platte, zum Beispiel deren Bruch verhindert. Ein Verkleben der beiden Bipolarplatten ist ferner vorteilhaft, da Klebstoff auf alle freien Flächen der erhobenen Bereiche leicht aufzutragen ist. Durch die Verwendung eines Zweikomponentenklebers ist es möglich, den Startzeitpunkt des Verklebens zu steuern. Wenn jeweils eine Komponente des Zweikomponentenklebers auf der ersten oder zweiten Bipolarplattenhälfte aufgetragen wird, dann verkleben die Bipolarplattenhälften erst bei Kontakt miteinander. Dadurch, dass die Bipolarplattenhälften miteinander verklebt sind, wird auch ein Austausch von Kühlmittelflüssigkeit zwischen einzelnen Kühlmittelkanälen verhindert. Somit sind gleiche Druckverhältnisse in den Kühlmittelkanälen erzeugbar. Damit wird der Kühlmittelfluss verbessert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung findet das Fügen außerhalb des Reaktionsbereichs statt.
Sowohl Austauschbereich als auch Weiterleitungsbereich sind nicht Teil des Reaktionsbereichs. Die führen jedoch dem Austauschbereich Fluide, also Betriebsgase und Betriebsflüssigkeiten zu. Da sie baulich kleiner sind als der Austauschbereich aber dessen Betriebsvolumina zuleiten, stehen sie unter Druck. Der Vorteil des Fügens außerhalb des Reaktionsbereichs ist, dass dort Zusammenhalt vermehrt wird, wo hohe Drück die Bipolarplattenhälften auseinanderdrücken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Bipolarplattenhälfte mit den freien Enden der ersten Bipolarplattenhälfte punktuell oder kontinuierlich verklebt. Kontinuierliches Verkleben der beiden Bipolarplatten entlang der durch die freien Enden gebildeten Ränder beziehungsweise Leisten erhöht die Fläche für die Aufnahme des Kühlmitteldrucks. Denn dieser wird entlang des gesamten Kühlmittelkanals aufgenommen. Ein großflächiges punktuelles Verkleben kann einzeln oder zusätzlich die Stoffschlüssigkeit erhöhen. Sie kann somit Schwachstellen verstärken.
In weiterer Ausgestaltung erhöht ein Ausbilden von Fasen an den freien Enden den bestehenden Wunsch, Klebemittel mittels Walzen einfach und direkt aufzuwalzen. Durch die Fasen wird die Menge aufgetragenen Klebemittels im Bereich der freien Enden erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die erhobenen Bereiche in Richtung ihrer freien Enden aufgeraut. Vorteilhafter Weise wird der Stoffschluss zwischen Klebemittel und freien Enden durch die raue Oberfläche erhöht.
Im Sinne eines Gießens der Bipolarplattenhälfte ist, dass die erhobenen Bereiche in Richtung ihrer freien Enden in weiterer Ausgestaltung verjüngt sind. Somit können gegossene Bipolarplattenhälften einfach einer Gussform entnommen werden.
Wenn die Bipolarplattenanordnung zwischen zwei erhobenen Bereichen der ersten Bipolarplattenhälfte und zwischen der ersten und der zweiten Bipolarplattenhälfte mindestens einen Steg aufweist, dann kann die Druckstabilität der Kühlmittelkanäle gegen äußeren Druck erhöht werden.
Das Verkleben eines ersten freien Stegendes mit der ersten Bipolarplattenhälfte und das Verkleben eines zweiten freien Stegendes mit der zweiten Bipolarplattenhälfte ist einfach und kostengünstig. Es erhöht die Zugfestigkeit, also die Widerstandskraft der Bipolarplattenanordnung gegen inneren Druck.
Da in einer weiteren Ausführungsform die zweite Bipolarplattenhälfte mindestens einen erhobenen Bereich aufweist, dessen Seitenfläche einer Längsseitenfläche der ersten Bipolarplattenhälfte benachbart ist, kann der Wegfluss von Klebemittel verhindert werden. Denn der erhobene Bereich der zweiten Bipolarplatte wirkt als Barriere.
Besonders stabil werden die Bipolarplattenhälften miteinander verfügt, wenn die zweite Bipolarplattenhälfte mindestens eine Nut aufweist. Die Ausgestaltung einer Führung in der ersten Bipolarplattenhälfte nach diesem Nutprofil ermöglicht ein Ineinanderstecken der ersten und zweiten Bipolarplattenhälften. Wenn die Führung, also ein erhabener Bereiche und die Nut vorher mit Klebemittel versehen werden, entsteht eine besonders dichte und druckstabile Fügung zwischen den Bipolarplattenhälften. Wenn Führung und Nuten als Schwalbenschwanzverbindung ausgeführt sind, resultiert daraus eine sehr hohe Druckstabilität.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Aufsicht auf eine Brennstoffzelle mit darin befindlicher Bipolarplattenanordnung;
2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in 1 durch eine Bipolarplatte;
3 eine Vergrößerung des Ausschnitts A aus 2;
4 eine weitere Ausführungsform des Bereichs B aus 2 in Vergrößerung;
5 eine Seitenansicht auf eine Bipolarplattenanordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit Stegen;
6 eine zweite Bipolarplattenhälfte eines dritten Ausführungsbeispiels mit erhobenen Bereichen und Nut,
7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Bipolarplattenanordnung in einer Seitenansicht und
8 eine schematische Aufsicht einer Bipolarplattenhälfte.
In der Figurenbeschreibung sind gleiche oder sich entsprechende Teile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
Folgenden Begriffe sind unter anderem nachstehende Bedeutungen beizumessen:
Als Bipolarplattenanordnung kann eine Bipolarplatte verstanden werden. Diese ist aus zwei Teilen zusammengesetzt. Eine Bipolarplatte zeichnet sich durch ein Anoden- und Kathodenflussfeld aus. Sie ist in einen aktiven und einen inaktiven Bereich unterteilt.
Unter einer Bipolarplattenhälfte ist ein Bauteil zu verstehen, welches mit einem passenden Gegenstück zu einer Bipolarplattenanordnung gefügt wird.
Ein Kühlmittelkanal entsteht durch ein flüssigkeitsdichtes Einhausen eines Bereichs. Üblicherweise hat ein Kanal vier Seitenwände unterschiedlicher Form, die stoffdicht gefügt einen Flusskanal oder Rohr bilden.
Fügeflächen beschreiben alle freien Flächen, auf die Klebemittel aufgetragen werden kann, um die Fläche mit einer anderen Fläche zu verkleben. Fügeflächen sind insbesondere freie Flächen der erhabenen 32 und erhobenen Bereiche 5.
Als Stege 15 können hier Abstandshalter, wie zum Beispiel Röhrchen oder Vollmaterialabstandshalter, Hohlkörper, Gewindestangen, Nieten, Bolzen oder Abstandshalter aus Faserverbundstoff verstanden werden.
Das Brennstoffzellensystem umfasst nach 1 als Kernkomponente einen Stapel aus Brennstoffzellen 2, der eine Vielzahl in Stapelform angeordneter Einzelzellen aufweist. Jede Einzelzelle umfasst jeweils einen Anodenraum sowie einen Kathodenraum, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 41 voneinander getrennt sind. Der Anoden- und Kathodenraum 3 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode 42 beziehungsweise die Kathode 43, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert.
Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 23 ist ferner jeweils eine angedeutete Bipolarplatte 1 angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen herstellt.
Um den Stapel aus Brennstoffzellen 2 mit Kühlmittel, das eine Kühlmittelflüssigkeit 37, also ein flüssiger Stoff 24, sein kann oder aber ein gasförmiger Stoff sein kann, mit Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem Kühlmittelkanäle 6 auf
Im Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion Wasser, das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt werden muss. Bei niedrigen Leistungen der Brennstoffzelle kann sich Wasser in den feinen Strömungskanälen der Bipolarplattenanordnung 1 ansammeln, das aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeiten der Reaktionsgase nicht immer herausgedrückt wird. Beim Abstellen der Brennstoffzelle 2 kann es bei niedrigen Umgebungstemperaturen zum Gefrieren des Wassers kommen. Kondensierendes oder gefrierendes Wasser ist nicht nur für die gleichmäßige Prozessgasversorgung der Brennstoffzelle ein Problem, es fördert darüber hinaus auch die Korrosion der Bipolarplattenanordnung 1.
Die 1 zeigt eine Brennstoffzelle 2 in der Aufsicht. Innerhalb des Gehäuses der Brennstoffzelle 2 sind mehrere Bipolarplattenanordnungen 1 über Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) 23 miteinander verschaltet. Damit die Bipolarplattenanordnungen 1 miteinander in einem Stack, einem Brennstoffzellenstapel 33, verbaubar sind, haben sie einen identischen geometrischen Aufbau. Bipolarplattenanordnungen 1 versorgen die an sie grenzenden Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) mit Reaktionsfluiden. Dazu weisen sie auf beiden Seiten jeweils ein Anoden- 34 oder Kathodenflussfeld 35 auf. Eine Bipolarplatte besteht aus zwei Bipolarplattenhälften 3, 4 (2). Diese beiden Bipolarplattenhälften 3, 4 werden an ihren Außenrändern 36 mittels einer Schweißnaht 39 miteinander verschweißt, um eine Bipolarplattenanordnung zu ergeben.
2 ist ein Schnittbild entlang des Schnittes II-II aus 1. Im Schnittbild ist die Versorgung der Elektro-Membran-Einheit (MEA) mit Kühlmittelflüssigkeit 37 gezeigt. Die Kühlmittelflüssigkeit 37 wird durch den Kühlmittelkanal 6 gefördert, um die Bipolarplattenanordnung 1 von innen zu kühlen. Der Kühlmittelkanal 6 umfasst zwei Kühlmittelkanalseitenflächen 38. Die Kühlmittelkanalseitenflächen 38 werden von den Seitenflächen 26 der erhobenen Bereiche 5 oder den Innenseitenflächen 27 einer Bipolarplattenhälfte gebildet. Der Kühlmittelkanal umfasst damit zwei Kühlmittelkanalseitenflächen 26, 38 sowie eine Grundfläche 28 der ersten Bipolarplattenhälfte 3 und die Grundfläche 29 der zweiten Bipolarplattenhälfte 4. Den Boden des Kühlmittelkanals 6 bildet die Grundfläche der ersten Bipolarplattenhälfte 28. Die Decke des Kühlmittelkanals bildet die Grundfläche der zweiten Bipolarplattenhälfte 29. Die erste Bipolarplattenhälfte 3 ist mittels eines Klebemittels 10 mit der zweiten Bipolarplattenhälfte 4 verklebt. Die Bipolarplattenhälften sind zwischen den freien Enden 7 der erhobenen Bereiche 5 und der Grundfläche 29 der zweiten Bipolarplattenhälfte verklebt 8 (3). 2 zeigt ferner die Schweißnaht 39 an den Außenseiten 36 der Bipolarplattenhälften 3, 4, um eine Bipolarplatte zu erzeugen.
3 zeigt eine Vergrößerung des Bereiches A aus 2. Bereich A vergrößert die Fügestelle zwischen der ersten Bipolarplattenhälfte 3 und der zweiten Bipolarplattenhälfte 4. Die Fügestelle ist die freie Fläche 32 der erhobenen Bereiche 5. 3 ist zu entnehmen, dass die Fügestelle mit Klebemittel 10 versorgt ist. Die Versorgung erfolgt über einen vertikalen Bohrungskanal 13 (2) oder einen horizontalen Bohrungskanal 30, von dem angeschlossene Klebekanäle 31 ausgehen. Diese Zentralbohrung dient vorteilhafter Weise der Zuführung von Klebemittel. Somit ist die Zentralbohrung als Klebekanal ausgebildet. Daher ist eine weitere Bohrung, welche sich von der Mantelfläche der erhobenen Bereiche erstreckt, also der Fläche bestehend aus den Seitenflächen der freien Enden und den Fasenflächen hin zum Klebekanal, ein Klebemittelversorgungskanal. Die Bipolarplattenhälften 3, 4 werden in der vorliegenden Ausführungsform gegossen. Daher sind sie in Richtung 11 der freien Enden 7 der erhobenen Bereich 5 verjüngt. Somit können sie nach dem Gießen einfach von ihrer Gussform (nicht dargestellt) getrennt werden. Damit die erste und zweite Bipolarplattenhälfte 3, 4 stabil verbunden sind, sind sie mit reichlich Klebemittel 10 miteinander 8 verklebt. Dadurch entsteht eine Klebewulst 44.
4 zeigt eine Vergrößerung des Ausschnitts B aus 2. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist in den erhobenen Bereich 5 eine Fase 9 gefräst. Eine weitere Möglichkeit, Klebemittel 10 auf die freien Flächen der erhobenen Bereiche 5 aufzutragen, ist das Klebemittel 10 auf den Fasen aufzuwalzen. Diese Fasen 9 erleichtern ein Aufbringen von Klebemittel 10 schräg zu den Fügeflächen, welche die freien Flächen 32 der erhobenen Bereiche 5 sind. Der 4 können somit unterschiedliche Flächen zum Auftrag für Klebemittel 10 entnommen werden, die erhobenen Bereiche 5, die freie Fläche 32 dieser Bereiche, die Fasen 9 oder die Seitenfläche 26 der erhabenen Bereiche 5. Üblicherweise wird das Klebemittel 10 aufgewalzt, aufgesprüht, aufgestrichen oder aufgetaucht. Damit das Klebemittel 10 am erhobenen Bereich 5 gut haftet, ist dieser aufgeraut 12. Ein einfaches Verfahren, um aufgeraute freie Enden 12 der erhobenen Bereiche 5 herzustellen, besteht darin, die Gussform durch Kratzen aufzurauen. Auch ein Ein- oder Aufpressen eines Noppenmusters in die Gussform ist einfach. Die Kratzer oder Noppen der Gussform bilden sich nach dem Gießen als raue Oberflächenstruktur 12 ab. Alternativ kann die Oberfläche aufgeraut werden, indem sie grob geschliffen oder gestrahlt wird. Durch die verjüngten freien Enden 14 kann auch eine Bipolarplattenhälfte 3, 4 mit aufgerauter Oberfläche einer Gussform gut entnommen werden.
5 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel zwei gefügte Bipolarplattenhälften 3, 4 mittels Stegen 15. Um die Platten zu fügen, sind die Stege 15 an ihren beiden freien Stegenden 16, 17 jeweils mit der ersten Bipolarplattenhälfte 3 oder der zweiten Bipolarplattenhälfte 4 verklebt. Die Stege 15 weisen optimierte Formen für ein Auftragen von Klebemittel 10 auf. Ferner sind die Stege 15 an ihren Seitenflächen feinbearbeitet, um wenig Reibung zu erzeugen.
6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der zweiten Bipolarplattenhälfte 4 mit unterschiedlichen profilierten erhabenen Bereichen 18. Die Profilformen sind ein Rechteck-, Trapez- oder Rundprofil. Ferner ist in dieser Ausführungsform in die zweite Bipolarplattenhälfte 4 eine Nut 20 gefräst. Die Seitenflächen 22 der profilierten erhabenen Bereiche 18 bilden Barrieren für Klebemittel 10, wenn Klebemittel 10 beim Verkleben zweier Bipolarplattenhälften verläuft. Die Barriere hält den Klebstoff auch an der Barriere auf, wenn die Bipolarplattenhälften unter Druck 40 verklebt werden.
7 zeigt eine Seitenansicht einer Bipolarplattenanordnung 1, bei der die erste 3 und die zweite Bipolarplattenhälfte 4 miteinander verklebt sind. Die zweite Bipolarplattenhälfte 4 weist einen rechteckig profilierten erhabenen Bereich 18 sowie eine Nut 20 auf. Die Längsfläche 19 des erhabenen Bereichs 5 der ersten Bipolarplattenhälfte 3 ist als Führung für die Nut 20 der zweiten Bipolarplattenhälfte 4 ausgegossen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verklebung der Bipolarplattenhälften 8 daher erhöht, denn die Längsfläche 19 der erhobenen Bereiche 5 sind großflächig mit der seitlichen Nutfläche 21 verklebt.
8 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine erste Bipolarplattenhälfte 3. Von links nach rechts weist eine Bipolarplattenhälfte 3 somit fünf aufeinanderfolgende Bereiche auf, einen ersten Austauschbereich 45, einen ersten Weiterleitungsbereich 46, einen Reaktionsbereich 47, einen zweiten Weiterleitungsbereich 46 und einen zweiten Austauschbereich 45. Der Reaktionsbereich 47 liegt also zwischen zwei Weiterleitungsbereichen 46.
Sowohl die erste Bipolarplattenhälfte 3 als auch die zweite Bipolarplattenhälfte 4 ist damit in die drei Funktionsbereiche Austauschbereich 45, Weiterleitungsbereich 46 und Reaktionsbereich 47 untergliedert. Im Austauschbereich 45 werden Fluide, wie z.B. Flüssigkeiten von Kanälen der Bipolarplattenhälfte 3, 4 geführt. Im Weiterleitungsbereich 46 werden diese aufgeteilt. Im Reaktionsbereich 47 können die Fluide an Kathoden (nicht dargestellt) bzw. Anoden (nicht dargestellt) reagieren.
Alternativ können zwei Bipolarplattenhälften im Austauschbereich 45, im Weiterleitungsbereich 46 oder im Reaktionsbereich 47 miteinander gefügt werden. Auch ein Fügen über alle drei Bereiche, also der gesamten Oberfläche ist möglich.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplattenanordnung
2: Brennstoffzelle
3: erste Bipolarplattenhälfte
4: zweite Bipolarplattenhälfte
5: erhobener Bereich
6: Kühlmittelkanal
7: freie Enden eines erhobenen Bereichs
8: verklebte Bipolarplatten
9: Fasen
10: Klebemittel
11: Richtung der freien Enden
12: aufgeraute freie Enden der erhobenen Bereiche
13: Bohrungskanal
14: verjüngte freie Enden
15: Steg
16: erstes freies Stegende
17: zweites freies Stegende
18: erhabener Bereich der zweiten Bipolarplatte
19: Längsfläche
20: Nut
21: seitliche Nutfläche
22: Seitenfläche
23: Membran-Elektronen-Einheit (MEA)
24: flüssige Stoffe
26: Seitenfläche der erhabenen Bereiche
27: Innenseitenfläche einer Bipolarplattenhälfte
28: Grundfläche der ersten Bipolarplattenhälfte
29: Grundfläche der zweiten Bipolarplattenhälfte
30: Bohrungskanal
31: Klebekanal
32: freie Fläche der erhabenen Bereiche
33: Brennstoffzellenstapel, Stack
34: Anodenflussfeld
35: Kathodenflussfeld
36: Außenrand einer Bipolarplattenhälfte
37: Kühlmittelflüssigkeit
38: Kühlmittelkanalseitenfläche
39: Schweißnaht
40: Druck
41: Polymermembran
42: Anode
43: Kathode
44: Klebewulst
45: Austauschbereich
46: Weiterleitungsbereich
47: Reaktionsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013217759 A1 [0005]
DE 60309312 T2 [0006]
DE 102011116998 A1 [0008]
DE 102008024478 A1 [0010]

Claims

Bipolarplattenanordnung (1) für eine Brennstoffzelle (2), wobei die Bipolarplattenanordnung eine erste Bipolarplattenhälfte (3) und eine zweite Bipolarplattenhälfte (4) umfasst, wobei die erste Bipolarplattenhälfte (3) der zweiten Bipolarplattenhälfte (4) benachbart angeordnet ist und die erste Bipolarplattenhälfte (3) eine Mehrzahl erhobener Bereiche (5) aufweist, sodass zwischen zwei erhobenen Bereichen (5) und der ersten Bipolarplattenhälfte (3) mindestens ein Kühlmittelkanal (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bipolarplattenhälfte (4) an mindestens einem freien Ende (7) eines erhobenen Bereichs (5) der ersten Bipolarplattenhälfte (3) gefügt ist, sodass der Kühlmittelkanal (6) mittels der zweiten Bipolarplattenhälfte (4) verschlossen ausgebildet ist.
Bipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen außerhalb des Reaktionsbereichs (47) stattfindet.
Bipolarplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bipolarplattenhälfte (4) mit den freien Enden (7) der ersten Bipolarplattenhälfte (3) punktuell oder kontinuierlich verklebt (8) ist.
Bipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den freien Enden (7) Fasen (9) zur Aufnahme von aufgewalztem Klebemittel (10) ausgebildet sind.
Bipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erhobenen Bereiche (5) in Richtung ihrer freien Enden (7) aufgeraut sind.
Bipolarplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhobenen Bereiche (5) in Richtung (11) ihrer freien Enden (7) verjüngt ausgebildet sind.
Bipolarplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplattenanordnung (1) zwischen zwei erhobenen Bereichen (5) der ersten Bipolarplattenhälfte (3) und zwischen der ersten und der zweiten Bipolarplattenhälfte mindestens einen Steg (15) aufweist.
Bipolarplattenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes freies Stegende (16) mit der ersten Bipolarplattenhälfte (3) verklebt ist und ein zweites freies Stegende (17) mit der zweiten Bipolarplattenhälfte (4) verklebt ist.
Bipolarplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bipolarplattenhälfte (4) mindestens einen erhobenen Bereich (18) aufweist, dessen Seitenfläche (22) einer Längsseitenfläche (19) der ersten Bipolarplattenhälfte (3) benachbart angeordnet ist.
Bipolarplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bipolarplattenhälfte (4) mindestens eine Nut (20) aufweist.