DE102015222245A1 - Polarplatte für einen Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Polarplatte (12) für einen Brennstoffzellenstapel (11), umfassend eine erste Seite (21) mit wenigstens einem ersten Kontaktierungsbereich (211, 212), eine zweite Seite (22) mit wenigstens einem zweiten Kontaktierungsbereich (221, 222) und eine äußere Kante (23), wobei auf der ersten Seite (21) ein erster Kontaktierungsbereich (211) der äußeren Kante (23) nächstgelegen ist, wobei auf der zweiten Seite (22) ein zweiter Kontaktierungsbereich (221) der äußeren Kante (23) nächstgelegen ist. Es ist vorgesehen, dass der zweite Kontaktierungsbereich (221) weiter von der äußeren Kante (23) der Polarplatte (12) beabstandet ist als der erste Kontaktierungsbereich (211).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Polarplatte für einen Brennstoffzellenstapel. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens zwei solcher Polarplatten.
• 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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
• Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
• Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
• Die Druckschrift EP 1 454 374 B1 betrifft eine Brennstoffzelle, aufweisend Separatoren, die einen Brenngaskanal enthalten, einen Oxidationsgaskanal und einen Kühlmittelkanal mit Wänden. Jeder der Separatoren ist gebildet durch Stapeln eines Separators, der den Brenngaskanal bildet, und eines Separators, der den Oxidationsgaskanal bildet.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Polarplatte für einen Brennstoffzellenstapel vorzuschlagen, welche die elektrische Isolation zwischen den Elementen des Brennstoffzellenstapels verbessert.
• Diese Aufgabe wird durch eine Polarplatte, sowie einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens zwei solcher Polarplatten mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Die Polarplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ist für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen und umfasst eine erste Seite mit wenigstens einem ersten Kontaktierungsbereich, eine zweite Seite mit wenigstens einem zweiten Kontaktierungsbereich und eine äußere Kante.
• Die Polarplatte erstreckt sich hauptsächlich entlang einer Ebene, wobei die erste und zweite Seite unterschiedliche Flachseiten der Polarplatte sind. Die Polarplatte ist entlang eines Randbereichs der Polarplatte durch eine äußere Kante begrenzt. Die äußere Kante verläuft im Wesentlichen entlang eines Teils des Umfangs, sodass beispielsweise bei einer im Wesentlichen viereckigen Polarplatte vier solcher äußeren Kanten existieren. Die äußere Kante wird in diesem Dokument auch als Seitenkante, die erste Seite als erste Flachseite und die zweite Seite als zweite Flachseite bezeichnet.
• Insbesondere umfasst der wenigstens eine erste Kontaktierungsbereich einen ersten Kontaktierungsbereich und einen weiteren ersten Kontaktierungsbereich und optional noch weitere erste Kontaktierungsbereiche, welche allesamt auf der ersten Seite der Polarplatte angeordnet sind. Des Weiteren umfasst insbesondere der wenigstens eine zweite Kontaktierungsbereich einen zweiten Kontaktierungsbereich und einen weiteren zweiten Kontaktierungsbereich und optional noch weitere zweite Kontaktierungsbereiche, welche allesamt auf der zweiten Seite der Polarplatte angeordnet sind.
• Auf der ersten Seite ist ein erster Kontaktierungsbereich der äußeren Kante nächstgelegen und auf der zweiten Seite ist ein zweiter Kontaktierungsbereich der äußeren Kante nächstgelegen. Das bedeutet insbesondere, dass der weitere erste Kontaktierungsbereich und – sofern vorhanden auch die noch weiteren ersten Kontaktierungsbereiche – entlang einer ersten Strecke entlang der ersten Flachseite weiter von der äußeren Kante entfernt sind als der erste Kontaktierungsbereich. Entsprechend sind der weitere zweite Kontaktierungsbereich und – sofern vorhanden auch die noch weiteren zweiten Kontaktierungsbereiche – entlang einer zweiten Strecke entlang der zweiten Flachseite weiter von der äußeren Kante entfernt als der zweite Kontaktierungsbereich. Insbesondere ist ein der äußeren Kante auf einer Flachseite nächstgelegener Kontaktierungsbereich derjenige Kontaktierungsbereich des wenigstens einen Kontaktierungsbereichs der jeweiligen Flachseite, welcher von allen Kontaktierungsbereichen einer einzigen Flachseite der äußeren Kante räumlich am nächsten gelegen ist.
• Die erfindungsgemäße Lösung sieht nun vor, dass der zweite Kontaktierungsbereich weiter von der äußeren Kante der Polarplatte beabstandet ist als der erste Kontaktierungsbereich. Das bedeutet insbesondere, dass ein kleinster erster Abstand – zwischen der äußeren Kante der Polarplatte und dem ersten Kontaktierungsbereich – kleiner ist als ein kleinster zweiter Abstand – zwischen der äußeren Kante der Polarplatte und dem zweiten Kontaktierungsbereich.
• Die unterschiedlichen Abstände der nächstgelegenen Kontaktierungsbereiche der beiden Flachseiten führt zu einer verbesserten Isolation des Brennstoffzellensystems, welches solche Polarplatten umfasst. Es hat sich gezeigt, dass die Kriechstrecke, die ein Kriechstrom überwinden muss, um von einer Polarplatte zu einer anderen zu gelangen, durch die erfindungsgemäße Lösung verlängert wird. Dadurch wird eine vergleichsweise gute Isolation zwischen benachbarten Polarplatten eines Brennstoffzellenstapels erreicht und dennoch eine kompakte Bauform des Brennstoffzellensystems realisiert. Denn durch die verbesserte elektrische Isolation kann ein bei anderen Brennstoffzellensystemen vorgesehener Materialüberstand der Membran-Elektroden-Anordnung eingespart werden. Des Weiteren werden durch den vergleichsweise geringen Materialverbrauch aller Membran-Elektroden-Anordnungen des Brennstoffzellenstapels die Herstellungskosten reduziert.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kontaktierungsbereich und der zweite Kontaktierungsbereich zur mechanischen Kontaktierung jeweils einer Isolationsschicht konfiguriert sind, wobei die jeweils eine Isolationsschicht mit einer Membran-Elektroden-Anordnung oder einer Gasdiffusionslage des Brennstoffzellenstapels verbundenen ist. Dadurch wird erreicht, dass die Polarplatte in einem verbauten Zustand auf der ersten Seite insbesondere nur über den wenigstens einen ersten Kontaktierungsbereich durch eine Membran-Elektroden-Anordnung kontaktiert wird und auf der zweiten Seite insbesondere nur über den wenigstens einen zweiten Kontaktierungsbereich durch eine weitere Membran-Elektroden-Anordnung kontaktiert wird. Insbesondere erstreckt sich die Isolationsschicht entlang eines Randbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung, welcher außerhalb eines aktiven Bereichs der Polarplatte angeordnet ist beziehungsweise den aktiven Bereich umrandet. Beispielsweise ist die Isolationsschicht eine elektrisch isolierende Laminatschicht, die insbesondere auch der mechanischen Stabilisierung der Membran-Elektroden-Anordnung dient. Insbesondere bedeutet, dass ein Kontaktierungsbereich „zur mechanischen Kontaktierung jeweils einer Isolationsschicht konfiguriert“ ist, dass im verbauten Zustand eine räumlich-körperliche Form des jeweiligen Kontaktierungsbereichs an die Form der Membran-Elektroden-Anordnung angepasst ist. So erstreckt sich beispielsweise eine Oberfläche des Kontaktierungsbereichs hauptsächlich entlang einer Ebene, wenn sich die Membran-Elektroden-Anordnung in dem Randbereich ebenfalls hauptsächlich entlang einer Ebene erstreckt.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polarplatte auf der ersten Seite einen ersten Vertiefungsbereich und auf der zweiten Seite einen zweiten Vertiefungsbereich aufweist, wobei der erste Vertiefungsbereich zwischen dem ersten Kontaktierungsbereich und einem weiteren ersten Kontaktierungsbereich angeordnet ist, wobei sich der zweite Vertiefungsbereich zwischen dem zweiten Kontaktierungsbereich und der äußeren Kante der Polarplatte erstreckt. Insbesondere ist der Vertiefungsbereich ein Vertiefungsbereich der Polarplatte und der Kontaktbereich eine Erhebung in Bezug auf die jeweilige Flachseite. Dadurch wird erreicht, dass der zweite Sickenbereich der zweiten Flachseite – welcher zwischen der äußeren Kante und dem der äußeren Kante auf der zweiten Flachseite nächstgelegenen zweiten Kontaktierungsbereich angeordnet ist – frei zur Verfügung steht, sodass die mechanische Steifigkeit der Polarplatte in ihrem Randbereich erhöht werden kann.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polarplatte eine zwischen dem weiteren ersten Kontaktierungsbereich und dem zweiten Kontaktierungsbereich angeordnete Struktur aufweist. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass die Kontaktbereiche als Erhebungen der Polarplatte derart geformt sind, dass deren Rückseiten jeweils eine Wandung der Struktur bilden. Dadurch wird ein kompaktes Brennstoffzellensystem mit vergleichsweise geringen Herstellungskosten bereitgestellt, wobei das Brennstoffzellensystem dennoch vergleichsweise gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist. Bevorzugt umfasst die Struktur eine Hohlraumstruktur und/oder eine Sickendichtung, wobei die Struktur in diesem Dokument auch als Kanalstruktur bezeichnet wird.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der zweite Vertiefungsbereich entlang einer Strecke vom zweiten Kontaktierungsbereich bis zur äußeren Kante der Polarplatte erstreckt. Dadurch ist es möglich, das Material des zweiten Vertiefungsbereichs der zweiten Flachseite derart zu formen, dass ein Verstärkungselement zur mechanischen Verstärkung des ersten Kontaktierungsbereichs der ersten Flachseite gebildet ist. Alternativ erstreckt sich der zweite Vertiefungsbereich von dem zweiten Kontaktierungsbereich nur bis hin zu einer Position zwischen der äußeren Kante der Polarplatte und dem zweiten Kontaktierungsbereich. Dadurch kann Material im Randbereich der zweiten Seite der Polarplatte eingespart werden.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polarplatte eine erste Teilplatte und eine zweite Teilplatte umfasst, wobei die erste Teilplatte den ersten Kontaktierungsbereich der ersten Seite umfasst, wobei die zweite Teilplatte den zweiten Kontaktierungsbereich und den zweiten Vertiefungsbereich der zweiten Seite umfasst. Durch den zweiteiligen Aufbau der Polarplatte ist es vorteilhaft möglich, die Polarplatte auf einfache Weise aus einem sich flächig erstreckenden Material herzustellen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Polarplatte ein Material umfasst oder daraus besteht, welches ein elektrisch leitfähiges Material ist, vorzugsweise ein Metallmaterial, eine Metalllegierung, Carbon, elektrisch leitfähiger Kunststoff oder ein Kompositmaterial aus Kunststoff und elektrisch leitfähigem Material. Insbesondere umfasst das Grundkörpermaterial der Polarplatte ein Blechmaterial.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Vertiefungsbereich der Form nach räumlich an den ersten Kontaktierungsbereich angepasst ist.
• Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die mechanische Steifigkeit der Polarplatte in dem äußeren Randbereich erhöht und so ein Verstärkungselement gebildet wird.
• Optional sind die erste Teilplatte und die zweite Teilplatte zusammengefügt, insbesondere in einem äußeren Randbereich der Polarplatte.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die äußere Kante der Polarplatte ein Grundkörpermaterial des ersten Kontaktierungsbereichs umfasst. Bevorzugt ist die äußere Kante, eine äußere Kante des ersten Kontaktierungsbereichs. Insbesondere ist die äußere Kante aus einem Blechmaterial geformt. Die äußere Kante der Polarplatte ist insbesondere aus einem Grundkörpermaterial des Vertiefungsbereichs der zweiten Seite der Polarplatte gebildet.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte. Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung umfasst insbesondere einen Stapel abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßer Polarplatten.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung – insbesondere des Brennstoffzellenstapels – ist vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel wenigstens zwei Polarplatten gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung umfasst. Die erste Seite der einen Polarplatte und eine zweite Seite der anderen Polarplatte sind einander zugewandt, wobei die eine Polarplatte über den ersten Kontaktierungsbereich mit einer Membran-Elektroden-Anordnung verbunden ist und die andere Polarplatte über den zweiten Kontaktierungsbereich mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden ist, wobei der erste Kontaktierungsbereich der einen Polarplatte geringer von einer äußeren Kante der Membran-Elektroden-Anordnung beabstandet ist als der zweite Kontaktierungsbereich der anderen Polarplatte.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient.
• 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 Brennstoffzelle, umfassend eine Polarplatte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
• 2 eine erfindungsgemäße Polarplatte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
• 3 eine Polarplatte für eine nicht erfindungsgemäße Brennstoffzelle,
• 4 mehrere gestapelte Polarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen für eine nicht erfindungsgemäße Brennstoffzelle,
• 5 bis 8 erfindungsgemäße Polarplatten gemäß bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung, und
• 9 und 10 erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel gemäß bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung.
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennstoffzelle 10, umfassend eine Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 umfasst mehrere Polarplatten 12. Die Polarplatten 12 können abwechselnd mit Membran-Elektroden-Anordnungen 14 der Brennstoffzelle 10 gestapelt sein. Die Membran-Elektroden-Anordnungen 14 umfassen eine (nicht dargestellte) Membran. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Polarplatten 12 sind insbesondere Dichtungen 16 angeordnet, welche Bereiche zwischen den Polarplatten 12 und den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 umlaufend begrenzen und dichten. Die gestapelte Anordnung der Polarplatten 12 und der Membran-Elektroden-Anordnung 14 kann auch als Brennstoffzellenstapel 11 bezeichnet werden.
• Ferner kann die Brennstoffzelle 10 Endplatten 18 aufweisen, zwischen welchen der Brennstoffzellenstapel 11 mittels Zugstangen 20 geklemmt werden kann.
• Die im Brennstoffzellenstapel 11 äußersten Polarplatten 12 werden auch als Monopolarplatten bezeichnet, während die zwischen den Monopolarplatten angeordneten Polarplatten 12 als Bipolarplatten bezeichnet werden. Die äußeren Kanten 23 sind zur besseren Sichtbarkeit übertrieben dick dargestellt. Durch das Verpressen des Brennstoffzellenstapels 11 mittels der Zugstangen 20 wird insbesondere ein notwendiger Anpressdruck auf die Dichtungen 16 gewährleistet. Dadurch wird im Betrieb der Brennstoffzelle 10 ein Austreten von Betriebsmitteln aus der Brennstoffzelle 10 verhindert.
• 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Polarplatte 12 weist einen elektrisch leitfähigen Grundkörper 15 auf, welcher zum Beispiel im Wesentlichen aus zwei miteinander verschweißten Lagen Blech gebildet sein kann.
• Die Polarplatte weist zumindest auf einer ihrer Flachseiten 22 (auf welche die Blickrichtung in 2 rechtwinkelig gerichtet ist) aktive Bereiche 24 und inaktive Bereiche 13 auf. Polarplatten mit einem aktiven Bereich 24 auf nur einer ihrer Flachseiten 22 werden Monopolarplatten genannt, während Polarplatten mit aktiven Bereichen 24 auf beiden Flachseiten Bipolarplatten genannt werden. Die aktiven Bereiche 24 weisen eine Kanalstruktur 25 (siehe beispielsweise 6) auf, welche zum Beispiel in die Bleche der Polarplatte 12 eingeprägt sein kann. Die aktiven Bereiche 24 zeichnen sich dadurch aus, dass in diesen die chemischen Brennstoffzellenreaktionen im zusammengebauten Brennstoffzellenstapel stattfinden. Zu diesem Zweck stehen im Stapel 10 die aktiven Bereiche 24 mit einer Elektrode einer der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 in Kontakt, entweder direkt oder über eine dazwischen angeordnete Gasdiffusionslage (hier nicht dargestellt).
• Bei der dargestellten Polarplatte 12 kann angenommen werden, dass es sich exemplarisch um eine Bipolarplatte handelt. Die aktiven Bereiche 24 auf beiden Flachseiten 22 der Polarplatte 12 sind innerhalb der Brennstoffzelle 10 von jeweils einer Dichtung 16 (deren Umrisse gestrichelt angedeutet sind) der Brennstoffzelle 10 umlaufend umschlossen. Ferner kann die Polarplatte 12 Zentrieröffnungen 28 aufweisen. Ferner kann die Polarplatte 12 Betriebsmittelöffnungen 30 aufweisen, welche die Polarplatte 12 durchdringen. Zwei der Betriebsmittelöffnungen 30 sind mit der Kanalstruktur 25 des sichtbaren aktiven Bereichs 24 verbunden. Weitere zwei der Betriebsmittelöffnungen 30 sind mit der nicht sichtbaren Kanalstruktur auf der gegenüberliegenden Flachseite (hier nicht dargestellt) verbunden. Die anderen zwei Betriebsmittelöffnungen 30 sind innerhalb der Polarplatte 12 über Kanäle miteinander verbunden und dienen als Zuführung für ein Kühlmittel. Auch die Betriebsmittelöffnungen 30 können beidseitig der Polarplatte 12 umlaufend von den Dichtungen 16 umschlossen sein, oder eigene (separate) Dichtungen aufweisen. Die Betriebsmittelöffnungen 30 fluchten im gestapelten Zustand miteinander und bilden Hauptversorgungskanäle aus, die den Brennstoffzellenstapel in seiner Stapelrichtung durchsetzen. Die Betriebsmittelöffnungen 30 werden nachfolgend daher auch als Hauptversorgungskanäle bezeichnet. In diesem Dokument umfasst der Begriff „äußere Kante“ der Polarplatte insbesondere eine Kante innerhalb der Betriebsmittelöffnungen/Hauptversorgungskanäle 30 oder eine äußerste Kante 23 der Polarplatte 12. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die äußere Kante 23 der Polarplatte 12 ein Randbereich der Flachseite der gesamten Polarplatte 12 ist, besonders bevorzugt ein Seitenrand der Längsseite der Polarplatte 12 (wie in 2 dargestellt).
• 3 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Polarplatte 300 für eine Brennstoffzelle. Die in diesem Beispiel gezeigte Polarplatte 300 besteht aus zwei Halbplatten, die derart geformt und angeordnet sind, dass zwischen den zwei Halbplatten eine Kanalstruktur 25 gebildet ist und die Polarplatte erste Hochsicken beziehungsweise Erhebungen 311, 312 auf einer Oberseite 301 und zweite Hochsicken 321, 322 auf einer Unterseite 302 aufweist. Zwischen den ersten und zweiten Hochsicken 311, 312, 321, 322 sind erste beziehungsweise zweite Tiefsicken beziehungsweise Vertiefungen 310, 320 angeordnet.
• Ein äußerer Randbereich (in der Abbildung links) der hier dargestellten Polarplatte 300 weist sowohl auf der Oberseite 301, als auch auf der Unterseite 302 Hochsicken 311, 312 auf.
• 4 zeigt mehrere gestapelte Polarplatten 300 gemäß der in 3 gezeigten Darstellung, welche hier mit den Bezugszeichen 300a, 300b, 300c versehen sind. Zwischen benachbarten Polarplatten 300a, 300b ist eine Membran-Elektroden-Anordnung 314 mit einer ersten und zweiten Elektrode 314a, 314b angeordnet, welche durch eine dazwischenliegende, nicht dargestellte Membran elektrisch isoliert sind. In der dargestellten Ausgestaltung der Polarplatten 300a, 300b, 300c ist die durch Bezugszeichen 41, 42 angedeutete Kriechstrecke zwischen einem ersten Kontaktierungsbereich 301a der einen Polarplatte 300a und einem zweiten Kontaktierungsbereich 301b der benachbarten Polarplatte 300b relativ kurz.
• 5 zeigt eine erfindungsgemäße Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Polarplatte 12 umfasst eine erste Seite 21, eine zweite Seite 22 und eine äußere Kante 23. Auf der ersten Seite 21 – das heißt der ersten Flachseite 21 – weist die Polarplatte 12 wenigstens einen ersten Kontaktierungsbereich 211, 212 auf. In dem hier dargestellten Beispiel sind ein erster Kontaktierungsbereich 211 und ein weiterer erster Kontaktierungsbereich 212 dargestellt, welche Erhebungen auf der ersten Seite 21 der Polarplatte 12 sind. Eine Vertiefung 210 ist zwischen den beiden, die zwei ersten Kontaktierungsbereiche 211, 212 bildenden Erhebungen angeordnet. Entsprechend umfasst die zweite Seite 22 einen zweiten Kontaktierungsbereich 221 und einen weiteren Kontaktierungsbereich 222.
• In 5 ist gezeigt, dass auf der ersten Seite 21 ein erster Kontaktierungsbereich 211 der äußeren Kante 23 nächstgelegen – das heißt räumlich am nächsten gelegen – ist und auf der zweiten Seite 22 ein zweiter Kontaktierungsbereich 221 der äußeren Kante 23 nächstgelegen ist. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der zweite Kontaktierungsbereich 221 weiter von der äußeren Kante 23 der Polarplatte 12 beabstandet ist als der erste Kontaktierungsbereich 211. Dies hat den Vorteil, dass bei einem solche Polarplatten 12 umfassenden Brennstoffzellenstapel 11 die elektrische Isolierung zwischen den Polarplatten 12 verbessert wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Brennstoffzellenstapel mit den erfindungsgemäßen Polarplatten 12 eine Kriechstrecke vergrößert wird.
• Die in 5 gezeigte Polarplatte 12 umfasst einen ersten Vertiefungsbereich 210 auf der ersten Seite 21 und einen zweiten Vertiefungsbereich 220 auf der zweiten Seite 22. Der erste Vertiefungsbereich 210 ist zwischen dem ersten Kontaktierungsbereich 211 und einem weiteren ersten Kontaktierungsbereich 212 angeordnet und der zweite Vertiefungsbereich 220 erstreckt sich zwischen dem zweiten Kontaktierungsbereich 221 und der äußeren Kante 23 der Polarplatte 12. Weiterhin ist ein weiterer zweiter Kontaktierungsbereich 222 dargestellt.
• 6 bis 8 zeigen erfindungsgemäße Polarplatten 12 gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung, wobei hier jeweils eine Schnittbildansicht einer Polarplatte 12 gemäß der in 2 gezeigten Strecke A-A dargestellt ist.
• 6 zeigt eine erfindungsgemäße Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, wobei in diesem Beispiel einer erfindungsgemäßen Polarplatte 12 eine erste Teilplatte 121 und eine zweite Teilplatte 122 der Polarplatte 12 dargestellt ist. Die erste Teilplatte 121 umfasst den ersten Kontaktierungsbereich 211 – hier als Hochsicke 211 dargestellt – der ersten Seite 21 und die zweite Teilplatte 122 den zweiten Kontaktierungsbereich 221 – hier ebenfalls als Hochsicke dargestellt. Weiterhin weist die zweite Teilplatte 122 den zweiten Vertiefungsbereich 220 der zweiten Seite 22 auf.
• Der zweite Vertiefungsbereich 220 erstreckt sich zwischen dem zweiten Kontaktierungsbereich 221 und der äußeren Kante 23 der Polarplatte 12, jedoch nicht bis zur äußeren Kante 23 hin. Daher umfasst die äußere Kante 23 der Polarplatte 12 in diesem Ausführungsbeispiel ein Grundkörpermaterial des ersten Kontaktierungsbereichs 211 der ersten Teilplatte 121, jedoch kein Grundkörpermaterial der zweiten Teilplatte 122.
• Ferner ist eine Kanalstruktur 25 der Polarplatte 12 dargestellt, welche zwischen dem weiteren ersten Kontaktierungsbereich 212 und dem zweiten Kontaktierungsbereich 221 angeordnet ist. Der weitere erste Kontaktierungsbereich 212 überlappt mit dem zweiten Kontaktierungsbereich 221 und der Kanalstruktur 25 entlang einer zu einer Haupterstreckungsebene der Polarplatte 12 senkrechten Projektionsrichtung.
• 7 zeigt eine erfindungsgemäße Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. In dieser beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich der zweite Vertiefungsbereich 220 entlang einer Strecke vom zweiten Kontaktierungsbereich 221 bis hin zur äußeren Kante 23 der Polarplatte 12. Das bedeutet, dass die äußere Kante 23 der Polarplatte 12 ein Grundkörpermaterial des ersten Kontaktierungsbereichs 211 – das heißt der ersten Teilplatte 121 – und ein Grundkörpermaterial des zweiten Vertiefungsbereichs 220 – das heißt der zweiten Teilplatte 122 – umfasst. Auf diese Weise werden in vorteilhafter Weise die mechanische Stabilität der Struktur der Polarplatte 12 verbessert und zugleich die verbesserten elektrischen Isolationseigenschaften erhalten.
• 8 zeigt eine erfindungsgemäße Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die äußere Kante 23 der Polarplatte 12 ebenfalls ein Grundkörpermaterial des ersten Kontaktierungsbereichs 211 – das heißt der ersten Teilplatte 121 – und ein Grundkörpermaterial des zweiten Vertiefungsbereichs 220 – das heißt der zweiten Teilplatte 122. Darüber hinaus ist der zweite Vertiefungsbereich 220 der Form nach räumlich an den ersten Kontaktierungsbereich 211 angepasst. Beispielsweise ist der Randbereich der Polarplatte 12 dadurch gebildet, dass die erste und zweite Teilplatte 121, 122 in dem Randbereich zeitgleich umgeformt werden. Bevorzugt sind die erste und zweite Teilplatte 121, 122 in dem Randbereich ineinander geschachtelt. Insbesondere erstrecken sich die erste und zweite Teilplatte 121, 122 in einem äußeren Randbereich der Polarplatte 12 – insbesondere in einem Längsseitenbereich der Polarplatte 12 – hauptsächlich parallel zueinander. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die mechanische Stabilität der Polarplatte 12 in dem Randbereich noch stärker erhöht.
• 9 und 10 zeigen erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel gemäß bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung.
• Der Brennstoffzellenstapel 11 umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte 12. Hier sind drei übereinander gestapelte und durch Membran-Elektroden-Anordnungen 14, 14‘ getrennte Polarplatten 12a, 12b, 12c gezeigt. Optional kann jeweils zwischen einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 und einer Polarplatte 12 eine nicht dargestellte, elektrisch leitfähige Gasdiffusionslage angeordnet sein.
• Die erste Seite 21a der einen Polarplatte 12a – in der 9 die unterste Polarplatte 12a – und eine zweite Seite 22b der anderen Polarplatte 12b – in 9 die mittlere Polarplatte 12b – sind einander zugewandt. Die eine Polarplatte 12a ist über den ersten Kontaktierungsbereich 211a mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 (insbesondere mit einer Isolationsschicht auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung 14) mechanisch verbunden. Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 (insbesondere eine Isolationsschicht auf der anderen Seite der Membran-Elektroden Anordnung 14) ist ferner mit der anderen Polarplatte 12b über den zweiten Kontaktierungsbereich 221b mechanisch verbunden. Die verbesserten Isolationseigenschaften eines solchen Brennstoffzellenstapels werden dadurch erzielt, dass – wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt – der erste Kontaktierungsbereich 211a der einen Polarplatte 12a geringer von einer äußeren Kante 140 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beabstandet ist als der zweite Kontaktierungsbereich 221b der anderen Polarplatte 12b.
• 10 zeigt die Ausführungsform gemäß 9 mit einer zusätzlichen Darstellung einer Kriechstrecke 201 beziehungsweise 202, welche im Vergleich zu der in 4 gezeigten Ausführungsform länger ist.
• Bezugszeichenliste

10

Brennstoffzelle

11

Brennstoffzellenstapel

12, 12a, 12b, 12c, 300, 300a, 300b, 300c

Polarplatte

13

Inaktiver Bereich

14, 14‘

Membran-Elektroden-Anordnung

15

Grundkörper

16

Dichtung

18

Endplatte

20

Zugstange

21, 21a

Erste Seite

22, 22a

Zweite Seite

23

Äußere Kante

24

Aktiver Bereich

25

Struktur

28

Zentrieröffnung

30

Betriebsmittelöffnung

121

Erste Teilplatte

122

Zweite Teilplatte

140

Äußere Kante der Membran-Elektroden-Anordnung

210

Erster Vertiefungsbereich

211, 211a, 212

Erster Kontaktierungsbereich

220

Zweiter Vertiefungsbereich

221, 221b, 222

Zweiter Kontaktierungsbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1454374 B1 [0005]

Claims (10)

1. Polarplatte (12) für einen Brennstoffzellenstapel (11), umfassend eine erste Seite (21) mit wenigstens einem ersten Kontaktierungsbereich (211, 212), eine zweite Seite (22) mit wenigstens einem zweiten Kontaktierungsbereich (221, 222) und eine äußere Kante (23), wobei auf der ersten Seite (21) ein erster Kontaktierungsbereich (211) der äußeren Kante (23) nächstgelegen ist, wobei auf der zweiten Seite (22) ein zweiter Kontaktierungsbereich (221) der äußeren Kante (23) nächstgelegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktierungsbereich (221) weiter von der äußeren Kante (23) der Polarplatte (12) beabstandet ist als der erste Kontaktierungsbereich (211).
2. Polarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktierungsbereich (211) und der zweite Kontaktierungsbereich (221) zur mechanischen Kontaktierung jeweils einer Isolationsschicht konfiguriert sind, wobei die jeweils eine Isolationsschicht mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (14, 14‘) oder einer Gasdiffusionslage des Brennstoffzellenstapels (11) verbunden ist.
3. Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarplatte (12) auf der ersten Seite (21) einen ersten Vertiefungsbereich (210) und auf der zweiten Seite (22) einen zweiten Vertiefungsbereich (220) aufweist, wobei der erste Vertiefungsbereich (210) zwischen dem ersten Kontaktierungsbereich (211) und einem weiteren ersten Kontaktierungsbereich (212) angeordnet ist, wobei sich der zweite Vertiefungsbereich (220) zwischen dem zweiten Kontaktierungsbereich (221) und der äußeren Kante (23) der Polarplatte (12) erstreckt.
4. Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarplatte (12) eine zwischen dem weiteren ersten Kontaktierungsbereich (212) und dem zweiten Kontaktierungsbereich (221) angeordnete Struktur (25) aufweist.
5. Polarplatte (12) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Vertiefungsbereich (220) entlang einer Strecke vom zweiten Kontaktierungsbereich (221) bis zur äußeren Kante (23) der Polarplatte (12) erstreckt.
6. Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarplatte (12) eine erste Teilplatte (121) und eine zweite Teilplatte (122) umfasst, wobei die erste Teilplatte (121) den ersten Kontaktierungsbereich (211) der ersten Seite (21) umfasst, wobei die zweite Teilplatte (122) den zweiten Kontaktierungsbereich (221) und den zweiten Vertiefungsbereich (220) der zweiten Seite (22) umfasst.
7. Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vertiefungsbereich (220) der Form nach räumlich an den ersten Kontaktierungsbereich (211) angepasst ist.
8. Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kante (23) der Polarplatte (12) durch den ersten Kontaktierungsbereich (211) gebildet ist.
9. Brennstoffzellenstapel (11), umfassend wenigstens eine Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Brennstoffzellenstapel (11) nach Anspruch 9, umfassend wenigstens zwei Polarplatten (12a, 12b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (21a) der einen Polarplatte (12a) und eine zweite Seite (22b) der anderen Polarplatte (12b) einander zugewandt sind, wobei die eine Polarplatte (12a) über den ersten Kontaktierungsbereich (211a) mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (14) verbunden ist und die andere Polarplatte (12b) über den zweiten Kontaktierungsbereich (221b) mit der Membran-Elektroden-Anordnung (14) verbunden ist, wobei der erste Kontaktierungsbereich (211a) der einen Polarplatte (12a) geringer von einer äußeren Kante (140) der Membran-Elektroden-Anordnung (14) beabstandet ist als der zweite Kontaktierungsbereich (221b) der anderen Polarplatte (12b).

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