-
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine Anodenplatte mit einer Anodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf der Anodenseite eine erste Strukturierung zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds ausgebildet ist; eine Kathodenplatte mit einer Kathodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf der Kathodenseite eine zweite Strukturierung zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds ausgebildet ist; wobei zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte zur Ausbildung eines Kühlmittel-Flussfelds Strukturelemente angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie ein Fahrzeug, das einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist.
-
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 Spannungen 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 → 2 H+ + 2 e-). 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 O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → 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.
-
Typischerweise bestehen Bipolarplatten aus zwei miteinander verbundenen Halbplatten, die jeweils beidseitig strukturiert sind. Auf den voneinander abgewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport der Betriebsmedien und auf den zueinander zugewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport von Kühlmittel benötigt. Dabei müssen die Halbplatten jeweils aufeinander abgestimmt werden, da drei separate Transportwege mittels zweier Halbplatten zur Verfügung gestellt werden müssen. Das führt zu weiteren Randbedingungen, die die Flexibilität der Ausgestaltungen der Bipolarplatten reduziert. In typischen Ausführungen sind die Halbplatten bekannter Bipolarplatten profiliert ausgebildet, wobei die Profile ineinander eingreifen beziehungsweise verschachtelt sind.
-
Der Brennstoffzellenstapel weist an seinen gegenüberliegenden Stapelenden typischerweise Endplatten auf, welche mittels Spannvorrichtungen als Teil eines Spannsystems miteinander verbunden sind. Mittels der Spannvorrichtungen werden Zugkräfte übertragen, welche die Endplatten zueinander ziehen und die dazwischen angeordneten Einzelzellen verpressen, also gegeneinanderpressen. Teil des Spannsystems sind zudem Druckfedern, um den Stapel gleichmäßig zu belasten und Schädigungen an diesem zu vermeiden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte bereitzustellen, welche die Nachteile einer Bipolarplatte, die diese in Verbindung mit Druckfedern aufweist, zumindest teilweise behebt.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte, einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Die Bipolarplatte umfasst eine Anodenplatte mit einer Anodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf einer Anodenseite eine erste Strukturierung zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds ausgebildet ist. Die Bipolarplatte umfasst ferner eine Kathodenplatte mit einer Kathodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf der Kathodenseite eine zweite Strukturierung zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds ausgebildet ist. Zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte sind zur Ausbildung eines Kühlmittel-Flussfelds Strukturelemente angeordnet, die die Kühlmittelseiten der Anodenplatte und der Kathodenplatte kontaktieren. Erfindungsgemäß besteht eine erste Anzahl der Strukturelemente aus einem elastischen Material und eine zweite Anzahl Strukturelemente sind von der Anodenplatte und/oder der Kathodenplatte ausgebildet. Die Strukturelemente aus einem elastischen Material weisen eine größere Höhe auf als die von der Anodenplatte und/oder der Kathodenplatte ausgebildeten Strukturelemente.
-
Daher kontaktieren im unverbauten Zustand nur die elastischen Strukturelemente sowohl die Anoden- als auch die Kathodenplatte. Verbaut in einem verspannten Brennstoffzellenstapel werden von allen Strukturelementen beide Platten der Bipolarplatte kontaktiert.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Bipolarplatte ist auf dem freien Ende der von Anoden- und/oder Kathodenplatte jeweils ein elastisches Element angeordnet, das die entsprechenden Strukturelemente verlängert. Vorzugsweise weisen dann die erste Anzahl der Strukturelemente und die verlängerte zweite Anzahl der Strukturelemente eine identische Höhe auf. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, dass auch mit der Verlängerung der zweiten Anzahl der Strukturelemente diese eine abweichende Höhe von ersten Anzahl der Strukturelemente aufweisen, vorzugsweise eine geringere. Die entsprechende, einzustellende Höhe der einzelnen Strukturelemente wird der Fachmann aufgrund der spezifischen Anforderungen der entsprechenden Brennstoffzellen auswählen.
-
Die Druckbelastung der Bipolarplatte bzw. des oder der Flussfelder für die Reaktanden und das Kühlmittel ist nicht in allen Bereichen gleich, sondern unterscheidet sich u.a. in Abhängigkeit von der geometrischen Ausformung der Strömungspfade und deren Position zum Einström- oder Ausströmbereich des jeweiligen Flussfeldes.
-
Diese Strukturelemente dienen als eingebettete Federn in einem Brennstoffzellenstapel mit den erfindungsgemäßen Bipolarplatten unter anderem zur Optimierung der Kompression bei gleichzeitiger Erhöhung einer strukturellen Robustheit.
-
Zudem kann dadurch die Stapelhöhe des Brennstoffzellenstapels im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden, da die üblicherweise verwendeten Druckfedern verzichtbar sind. Diese Druckfedern nach dem Stand der Technik bieten zudem keine gute Kontrolle des Anpressdrucks auf die aktive Fläche der Bipolarplatte, wobei es durch die daraus resultierende ungleichmäßige Stapelverdichtung zu Plattenbruch führen kann. Dies wird durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte vermieden. Zudem kann durch den Verzicht auf Druckfedern Gewicht eingespart werden. Auch eine Durchbiegung der Endplatte wird minimiert. Besonders vorteilhaft ist zudem, dass die Auswirkungen des Eindringens von GDL/MEA minimiert werden können.
-
Ferner kann eine Kostenreduzierung bei der Plattenherstellung realisiert werden, beispielsweise durch den Verzicht auf die Druckfedern und durch die Möglichkeit, das Form-In-Place (FIP)-Verfahrens zur Großserienfertigung einzusetzen.
-
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte, abgesehen von den elastischen Strukturelementen und den elastischen Elementen, besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise kohlenstoffbasierten Material, vorzugsweise Graphit oder einem Kompositmaterial aus Graphit und Kohlenstoff. Auch der Einsatz von Metall ist vorgesehen.
-
Die erfindungsgemäß vorgesehene erste Anzahl der Strukturelemente und die elastischen Elemente bestehen vorzugsweise aus einem elastischen, vorzugsweise elektrisch leitfähigen Polymer, dass in dem Temperaturbereich des Brennstoffzellenbetriebs stabil ist, wobei vorzugsweise zumindest ein Strukturelement und/oder elastisches Element leitfähig ist.
-
Vorzugsweise bestehen alle elastischen Strukturelemente und Elemente aus dem gleichen Material, sodass die Federeigenschaften der Strukturelemente und der elastischen Elemente, abgesehen von der Auswahl des Materials, durch deren Höhe eingestellt wird.
-
Bevorzugt ist, dass die das Oxidationsmittel führende Kathodenplatte die Strukturelemente ausbildet.
-
Die Höhen der unterschiedlichen Strukturelemente ergeben sich durch die spezifischen Anforderungen im jeweiligen Bereich.
-
Beispielhaft kann bei einer Höhe der Bipolarplatte von 1100 µm und einer Höhe des Kühlmittelflussfeldes von 400 µm von einer Höhe der Strukturelemente von 400 µm für die elastischen Strukturelemente, 300 µm für die von der Anoden- oder Kathodenplatte ausgebildeten Strukturelemente und 100 µm für die elastischen Elemente sowie einer Breite von 500 µm der Strukturelemente ausgegangen werden.
-
Vorzugsweise werden Silicone bzw. Siloxane verwendet, wobei Polydimethylsiloxan besonders bevorzugt ist.
-
Das Polymer weist vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von >100 S/cm auf. Ein elektrischer Widerstand liegt vorzugsweise bei 0,0008 Ω cm und das Kompressionsmodul vorzugsweise bei 5 MPa.
-
Die Strukturelemente sind zwischen Anodenplatte und Kathodenplatte voneinander beabstandet angeordnet, sodass das Kühlmittel mit möglichst geringen Druckverlusten das Kühlmittel-Flussfeld der Bipolarplatte durchströmen kann.
-
Die Strukturelemente sind dazu säulenförmig ausgestaltet, vorzugsweise mit einem gleichbleibenden Querschnitt über die gesamte Länge des einzelnen Strukturelements oder auch mit einem über die Länge variierenden Querschnitt, beispielsweise mit einem reduzierten Querschnitt in der Mitte der Strukturelemente.
-
Die Strukturelemente können unterschiedlich große Querschnittsflächen verteilt über die Fläche der Bipolarplatte aufweisen, um unterschiedlichen Anforderungen an die Federkraft in unterschiedlichen Bereichen der Bipolarplatte gerecht zu werden.
-
Vorzugsweise weisen die Strukturelemente einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf, sodass eine sehr einfache Fertigung möglich ist. Bevorzugt sind auch runde oder ovale Querschnitte mit einer oder zwei Symmetrieachsen.
-
Die elastischen Elemente weisen vorzugsweise einen mit den von einer der beiden Platten ausgebildeten Strukturelementen korrespondierenden Querschnitt auf.
-
Nach besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sind die Strukturierungen der Anodenplatte und der Kathodenplatte derart ausgestaltet, dass zumindest die Kontaktfläche der Strukturelemente auf den jeweils anderen Seiten von Anodenplatte und Kathodenplatte von den Strukturierungen zumindest teilweise überdeckt wird, um den Druck über die gesamte Stapelhöhe zu verteilen.
-
Somit werden die erste Strukturierung der Anodenseite und die zweite Strukturierung der Kathodenplatte sowie die Strukturelemente in Stapelrichtung der Bipolarplatten direkt übereinander angeordnet. Vorteilhafterweise können so Beschädigungen der Bipolarplatte vermieden werden.
-
Darüberhinausgehende räumliche Ausgestaltungen der Strukturierungen von Anodenplatte und Kathodenplatte sind zur Optimierung der Strömungsverhältnisse problemlos möglich. Bevorzugt ist eine äquivalente Ausgestaltung wie die der Strukturelemente.
-
Auch das Mischen von Strukturelementen mit unterschiedlichen Querschnitten ist erfindungsgemäß möglich.
-
Die Strukturelemente können unter Ausbildung von Strömungsbereichen regelmäßig oder unregelmäßig im Kühlmittelflussfeld angeordnet sein, um Druckverluste zu vermeiden und die notwendige Federkraft bedarfsorientiert einzusetzen. Bevorzugt bilden die Strukturelemente und optional die Strukturierungen bei regelmäßiger Anordnung ein Gittermuster aus.
-
Besonders bevorzugt ist es, die erste Anzahl und die zweite Anzahl der Strukturelemente alternierend in Reihen anzuordnen, wobei diese in benachbarten Reihen um ein Strukturelement versetzt sind. Dadurch ergeben sich diagonale Reihen gleicher Strukturelemente.
-
Die elastischen Strukturelemente sind vorzugsweise an zumindest der Anodenplatte oder der Kathodenplatte fixiert, beispielsweise durch Verkleben, wobei eine einseitige Fixierung die Montage der Bipolarplatten erleichtern kann und im Allgemeinen ausreicht. Bevorzugt ist hierbei das Fixieren mit der das Oxidationsmittel führenden Kathodenplatte.
-
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte werden die erste Anzahl der Strukturelemente auf zumindest einer Trägerplatte angeordnet bereitgestellt. Diese zumindest eine Trägerplatte besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die Strukturelemente und ist vorzugsweise einstückig mit den Strukturelementen hergestellt.
-
Die Trägerplatte kann entweder an der Anodenplatte oder an der Kathodenplatte anliegend angeordnet sein. Vorzugsweise an der Platte, bei der nicht die zweite Anzahl der Strukturelemente ausgebildet ist. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht eine wesentlich vereinfachte Montage der erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Auch bei dieser Ausführungsform kann eine Fixierung, beispielsweise eine Verklebung mit zumindest der Anodenplatte und der Kathodenplatte analog zu den einzelnen Strukturelementen erfolgen.
-
An der Trägerplatte können die elastischen Elemente ausgebildet sein, was den Fertigungsaufwand reduziert oder diese können auch als separate Teile ausgebildet sein, sodass gegebenenfalls ein anderes elastisches Material gewählt werden kann.
-
Abgesehen von den vorab beschriebenen Vorgaben können die Flussfelder der Anodenplatte und der Kathodenplatte sowie das Kühlmittelflussfeld unabhängig voneinander individuell ausgestaltet werden.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßen Bipolarplatten umfasst.
-
Ferner betrifft die Erfindung 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 dient.
-
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 Darstellung eines Brennstoffzellenstapels;
- 2 in perspektivischer Ansicht ein Detail einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
- 3 in einer Schnittansicht ein Detail einer Bipolarplatte nach einer zweiten Ausführungsform,
- 4 in perspektivischer Ansicht ein Detail einer Kathodenplatte mit Strukturelementen gemäß 2,
- 5 in einer Schnittansicht ein Detail einer Bipolarplatte nach einer dritten Ausführungsform,
- 6 in perspektivischer Ansicht ein Detail einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach einer vierten Ausführungsform,
- 7 in perspektivischer Ansicht ein Detail einer Kathodenplatte mit einer Trägerplatte gemäß 6,
- 8 in einer Aufsicht Strukturelemente mit ovalem Querschnitt auf einer Trägerplatte, und
- 9 in einer Aufsicht Strukturelemente mit ovalem Querschnitt auf einer Trägerplatte nach einer zweiten Ausführungsform.
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
-
Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von abwechselnd, an deren Flachseiten aneinandergereihten (gestapelten) Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Bipolarplatten 12. Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen 11 den Brennstoffzellenstapel 100, wobei sowohl eine der Einzelzellen 11, als auch der Brennstoffzellenstapel 100 allgemein als Brennstoffzelle bezeichnet werden können. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist beiderseitig Endplatten 18 auf. Zwischen den Bipolarplatten 12 und den jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 sind nicht dargestellte Anoden- und Kathodenräume angeordnet, welche von umlaufenden Dichtungen 20 begrenzt werden. Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen 20 herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels eines Spannsystems zusammengepresst (verpresst).
-
Das Spannsystem umfasst eine äußere Spannvorrichtung 22, sowie hier nicht sichtbare elastische Strukturelemente, die im Kühlmittelbereich der Bipolarplatten 12 angeordnet sind. Diese werden nachstehend noch näher beschrieben.
-
Zum Aufbau einer äußeren Spannung, welche auf die Strukturelemente im Brennstoffzellenstapel 100 übertragen wird, leiten längliche Zugkörper 24 der äußeren Spannvorrichtungen 22 Zugkräfte zwischen den beiden Endplatten 18 weiter, sodass die Endplatten 18 mittels der Zugkörper 24 zueinander gezogen werden. Dazu erstrecken sich die Zugkörper 24 in einer Stapelrichtung S des Brennstoffzellenstapels 100.
-
2 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 12 nach einer ersten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht. Die Bipolarplatte 12 umfasst hierbei zwei Einzelplatten eine Anodenplatte 30 sowie eine Kathodenplatte 40. Die Anodenplatte 30 weist eine Anodenseite 31 und eine Kühlmittelseite 32 auf, die zur Kathodenplatte 40 weist. Die Kathodenplatte 40 weist eine Kathodenseite 41 und eine zur Anodenplatte 30 weisende Kühlmittelseite 42 auf. Zur Ausbildung eines Kühlmittelflussfeldes 50 sind zwischen der Anodenplatte 30 und der Kathodenplatte 40, jeweils auf der Kühlmittelseite 32, 42, elastische Strukturelemente 51a angeordnet. Alternierend zu den elastischen Strukturelementen 51a weist die Kathodenplatte 40 Strukturelemente 51b auf, die eine geringere Höhe h aufweisen als die elastischen Strukturelemente 51a. Im unverbauten Zustand der Bipolarplatte 12 kontaktieren nur die elastischen Strukturelemente 51a die Anodenplatte 30 und die Kathodenplatte 40. Im verbauten Zustand kontaktieren alle Strukturelemente 51a, 51b die Anodenplatte 30 und die Kathodenplatte 40, da der entsprechende Brennstoffzellenstapel 100 verspannt ist, so eine Höhendifferenz zwischen den Strukturelementen 51a, 51b ausgeglichen wird.
-
Die Strukturelemente 51a, 51b sind säulenförmig und weisen einen quadratischen Querschnitt auf. Diese sind gleichmäßig verteilt und bilden somit Strömungspfade 52 in Form eines Gitternetzes aus, die von einem Kühlmittel in Längs- und Querrichtung bezogen auf eine Hauptachse der Bipolarplatte 12 durchströmt werden können.
-
Auf der vom Kühlmittelflussfeld 50 abgewandten Anodenseite 31 und Kathodenseite 41 sind eine erste Strukturierung 33 bzw. eine zweite Strukturierung 43 vorgesehen, die beide analog zu den Strukturelementen 51a, 51b des Kühlmittelflussfeldes 50 ausgestaltet sind und ein Anodenflussfeld 34 und ein Kathodenflussfeld 44 ausbilden. D.h. diese sind säulenförmig mit einem quadratischen Querschnitt. Zudem bilden sie Strömungspfade 35, 45 für die beiden Reaktionsmedien aus, wobei diese in den 2 bis 4 in Stapelrichtung S mit den Strukturelementen 51a, 51b deckungsgleich sind.
-
Die abweichenden Größen der Strukturelemente 51a, 51b im Zentrum der Kathodenplatte 40 im Gegensatz zu denen an den Rändern ist lediglich auf den gezeigten Ausschnitt der Biopolarplatte 12 zurückzuführen und hat keine technische Bedeutung. Wobei es natürlich grundsätzlich möglich ist, die Strukturelemente 51a, 51b, 51c unterschiedlich zu dimensionieren und ungleichmäßig zu verteilen.
-
Zur Vereinfachung der Montage der Bipolarplatte 12 werden die elastischen Strukturelemente 51a zumindest auf der Kühlmittelseite 42 der Kathodenplatte 40 fixiert, vorzugsweise geklebt.
-
3 zeigt eine Ausführungsform einer Bipolarplatte 12 im Schnitt, die sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass die von der Kathodenplatte 40 ausgebildeten Strukturelemente 51b an ihrem freien Ende mit einem elastischen Element 51c versehen sind, dessen Außenabmessungen mit den Strukturelementen 51b korrespondieren. Mit diesen elastischen Elementen 51c wird die Höhendifferenz zu den elastischen Strukturelementen ausgeglichen, sodass die elastischen Strukturelemente und die Strukturelemente 51b mit den elastischen Elementen 51c sowohl Anodenplatte 30 als auch die Kathodenplatte 40 im unverbauten Zustand kontaktieren.
-
In 4 ist eine Kathodenplatte 40 gemäß 2 dargestellt. Hierbei ist die alternierende Anordnung der elastischen Strukturelemente 51a und der Strukturelemente 51b erkennbar.
-
5 bis 7 zeigen ein Detail einer Bipolarplatte 12 nach verschiedenen Ausführungsformen, bei denen die elastischen Strukturelemente 51a einstückig mit einer Trägerplatte 53 ausgebildet sind, die mit der flachen Seite auf der Kühlmittelseite 32 der Anodenplatte 30 aufliegt, sodass die elastischen Strukturelemente 51a mit den Strukturelementen 51b der Kathodenplatte im Kühlmittelflussfeld 50 miteinander angeordnet sind.
-
5 zeigt wiederum eine Ausführungsform, bei der die freien Enden der Strukturelemente 51b der Kathodenplatte 40 mit elastischen Elementen 51c versehen sind, um auf die gleiche Höhe zu kommen wie die elastischen Elemente 51a. Die elastischen Elemente 51c fehlen bei den Varianten in den 6 und 7, wobei 6 ein Detail einer Bipolarplatte 12 zeigt und 7 eine Ansicht gemäß 6 ohne Anodenplatte 30. Der Einsatz dieser Trägerplatte 53 erleichtert die Montage der Bipolarplatte 12 deutlich. Auch bei dieser Variante kann ein Fixieren, beispielsweise durch Verkleben der Trägerplatte 53 bzw. der elastischen Strukturelemente 51a und optional der elastischen Elemente 51c erfolgen.
-
Die 8 und 9 zeigen jeweils eine Trägerplatte 53 mit darauf aufgebrachten Strukturelementen 51a, 51b, die einen ovalen Querschnitt mit zwei Symmetrieachsen (8) und einen Querschnitt mit einer Symmetrieachse (9) aufweisen. Diese Ausführungsformen dienen zur Optimierung der Strömungsverhältnisse eines Kühlmittels. Diese Querschnitte können auch als erste Strukturierung 33 und/oder zweite Strukturierung 43 gewählt werden.
-
Sofern nicht explizit angegeben, betreffen die Ausführungen alle Ausführungsformen gleichermaßen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Brennstoffzellenstapel
- 10
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 11
- Einzelzelle
- 12
- Bipolarplatte
- 18
- Endplatte
- 20
- Dichtung
- 22
- Spannvorrichtung
- 24
- länglicher Zugkörper
- 30
- Anodenplatte
- 31
- Anodenseite
- 32
- Kühlmittelseite
- 33
- erste Strukturierung
- 34
- Anodenflussfeld
- 35
- Strömungspfad
- 40
- Kathodenplatte
- 41
- Kathodenseite
- 42
- Kühlmittelseite
- 43
- zweite Strukturierung
- 44
- Anodenflussfeld
- 45
- Strömungspfad
- 50
- Kühlmittelflussfeld
- 51a
- elastische Strukturelemente
- 51b
- Strukturelemente
- 51c
- elastisches Element
- 52
- Strömungspfad
- 53
- Trägerplatte
- S
- Stapelrichtung
