DE102019220601A1

DE102019220601A1 - Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellenstapel mit einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102019220601A1
Application number: DE102019220601.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Diessner; Thomas Betzitza
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-07-01

Abstract

Bipolarplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel (100), der eine Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen (50) mit Bipolarplatten (1) aufweist, wobei die Bipolarplatte (1) aufweist:
a) eine Anodenplatte (10) zum Führen von Anodengas,
b) eine Kathodenplatte (20) zum Führen von Kathodengas, wobei die Anodenplatte (10) und die Kathodenplatte (20) zum Bilden der Bipolarplatte (1) aneinander angeordnet sind,
c) zumindest einen Stapelhilfebereich (3), wobei in dem Stapelhilfebereich (3) die Dicke (D1) der Bipolarplatte (1) geringer als die maximale Dicke (Dmax) der Bipolarplatte (1) ist,
d) eine Aussparung (6) in dem zumindest einen Stapelhilfebereich (3) zum Aufnehmen einer Stapelhilfe beim Stapeln von der Vielzahl an Brennstoffzellen (50) mit den Bipolarplatten (1) zu dem Brennstoffzellenstapel (100), wobei die Erstreckungsrichtung (ER) der Aussparung (6) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung (LR) der Bipolarplatte (1) ist.

Description

Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Eine Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und die beiden GDL bilden eine sog. Membranelektrodeneinheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC. Zwei benachbarte Bipolarplatten wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Damit kein elektrischer Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten in einem den aktiven Bereich der PEM-FC umgebenden inaktiven Bereich der PEM-FC auftritt, wird die MEA, insbesondere der Rand der PEM der MEA, zwischen zwei elektrisch isolierende, rahmenförmige Folien einlaminiert. Die zwei rahmenförmigen Folien bilden eine Isolationsfolie, bzw. ein sogenanntes Gasket, sodass die übereinander angeordneten Bipolarplatten in dem inaktiven Bereich der PEM-FC elektrisch voneinander isoliert sind.
Um das Stapeln der übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten zu einem Brennstoffzellenstapel zu vereinfachen, können die Bipolarplatten und entsprechend die zwischen den Bipolarplatten angeordneten Isolationsfolien Aussparungen zum Aufnehmen einer Stapelhilfe aufweisen. An den Aussparungen kann die Isolationsfolie nicht über den Rand der Aussparung überstehen bzw. in anderen Worten nicht in die Aussparung überstehen. Aufgrund von Fertigungstoleranzen der Isolationsfolien oder aufgrund ungenauer Positionierung der Isolationsfolien besteht daher die Gefahr, dass ein elektrischer Kurzschluss an diesen Stellen zwischen benachbarten Bipolarplatten auftritt. Weiter können Bipolarplatten ungewollte Verbiegungen und/oder Beschädigungen durch den Transport aufweisen, sodass auch dadurch die Gefahr eines elektrischen Kurschlusses zwischen den Bipolarplatten gegeben ist. Während eines Stapelvorganges, oder beim Verspannen eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere nach dem Entfernen der Stapelhilfen, können die Bipolarplatten sich verbiegen und/oder verrutschen, sodass auch hier die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses gegeben ist.
Die DE202012004926U1 offenbart ein elektrochemisches System enthaltend zwei Bipolarplatten und eine dazwischenliegende Membran-Elektrodeneinheit, wobei die Bipolarplatten und die Membran-Elektrodeneinheit jeweils mindestens zwei Aussparungen zum fluchtenden Ausrichten der Bipolarplatten und der Membran-Elektrodeneinheit an Positioniereinrichtungen bei der Montage des elektrochemischen Systems aufweisen. Die EP2911228A1 offenbart ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle durch Stapeln einer Vielzahl an Bipolarplatten mit Aussparungen als Stapelhilfe. Nachteiligerweise sind in den beiden Schriften die Bipolarplatten an den Aussparungen zum Ausrichten der Bipolarplatten derart ausgebildet, dass sich benachbarte Bipolarplatten im Bereich der Aussparungen, bspw. bei einer Fehlpositionierung einer Isolationsfolie, besonders nahekommen oder sogar berühren können. Ein ungewollter elektrischer Kurzschluss tritt dann auf.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Bipolarplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und sowie einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen mit Bipolarplatten aufweist. Die Bipolarplatte weist eine Anodenplatte zum Führen von Anodengas und eine Kathodenplatte zum Führen von Kathodengas auf, wobei die Anodenplatte und die Kathodenplatte zum Bilden der Bipolarplatte aneinander angeordnet sind. Weiter weist die Bipolarplatte zumindest einen Stapelhilfebereich auf, wobei in dem Stapelhilfebereich die Dicke der Bipolarplatte geringer als die maximale Dicke der Bipolarplatte ist. Ferner umfasst die Bipolarplatte eine Aussparung in dem zumindest einen Stapelhilfebereich zum Aufnehmen einer Stapelhilfe beim Stapeln von der Vielzahl an Brennstoffzellen mit den Bipolarplatten zu dem Brennstoffzellenstapel, wobei die Erstreckungsrichtung der Aussparung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Bipolarplatte ist.
Als Längsrichtung der Bipolarplatte kann die Richtung der längsten Ausdehnung der Bipolarplatte verstanden werden. Insbesondere ist die Ebene, in der die Aussparung liegt, parallel oder deckungsgleich mit der Ebene der Bipolarplatte.
Die Anodenplatte und die Kathodenplatte können jeweils eine Unterseite und einer der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite aufweisen, wobei die Anodenplatte mit der Unterseite an die Unterseite der Kathodenplatte zum Bilden der Bipolarplatte angeordnet werden kann. Als die Dicke der Bipolarplatte kann der Abstand zwischen der Oberseite der Anodenplatte und der Oberseite der Kathodenplatte verstanden werden. Die Anodenplatte und/oder die Kathodenplatte können Strukturen, bspw. Kanäle zum Führen von einem Gas, aufweisen. Die Bipolarplatte kann an einer ersten Stelle eine erste Dicke aufweisen und an einer anderen Stelle eine von der ersten Dicke unterschiedliche zweite Dicke aufweisen. In anderen Worten kann die Bipolarplatte unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte können jeweils ein Blech oder Graphit oder ein Graphit-Compound aufweisen, insbesondere aus einem Blech oder Graphit oder einem Graphit-Compound bestehen. Wird die Bipolarplatte aus einer Anodenplatte aus Blech und einer Kathodenplatte aus Blech gebildet, so kann der zumindest eine Stapelhilfebereich und/oder die Aussparung durch einen Prägeprozess verwirklicht werden. Wird die Bipolarplatte aus einer Graphit-Compound-Anodenplatte und einer Graphit-Compound-Kathodenplatte gebildet, so kann der zumindest eine Stapelhilfebereich durch eine entsprechende Bipolarplattenspritzgussform verwirklicht werden oder durch einen Prägeprozess unter Einfluss von Wärme bzw. einem Warmumformprozess. Wird die Bipolarplatte aus einer Graphit-Anodenplatte und einer Graphit-Kathodenplatte gebildet, so kann der zumindest eine Stapelhilfebereich durch einen entsprechenden Aussparungsprozess, wie einem Fräsprozess, verwirklicht werden.
Mit der maximalen Dicke der Bipolarplatte kann auch eine lokale maximale Dicke der Bipolarplatte gemeint sein. Als eine lokale maximale Dicke der Bipolarplatte kann insbesondere die maximale Dicke der Bipolarplatte in einem lokalen Bereich um den zumindest einen Stapelhilfebereich zusammen mit dem zumindest einen Stapelhilfebereich verstanden werden.
Der zumindest eine Stapelhilfebereich kann als ein Körperbereich der Bipolarplatte verstanden werden. Weiter kann der zumindest eine Stapelhilfebereich eine äußere Mantelfläche aufweisen, wobei ein Normalenvektor, insbesondere alle Normalenvektoren, der äußeren Mantelfläche des Stapelhilfebereichs im Wesentlichen senkrecht oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Aussparung ist/sind. Insbesondere begrenzt die äußere Mantelfläche des zumindest einen Stapelhilfebereichs den zumindest einen Stapelhilfebereich. Die Aussparung in dem zumindest einen Stapelhilfebereich kann auch als Durchbruch von einer ersten Oberflächenseite der Bipolarplatte zu einer der ersten Oberflächenseite gegenüberliegen zweiten Oberflächenseite der Bipolarplatte verstanden werden.
Die Dicke der Bipolarplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich kann im Wesentlichen konstant sein, insbesondere konstant sein. Die Dicke der Anodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich und die Dicke der Kathodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich kann ebenfalls im Wesentlichen konstant sein, insbesondere konstant sein. Als Dicke der Anodenplatte kann der Abstand zwischen der Oberseite und der Unterseite der Anodenplatte verstanden werden und als Dicke der Kathodenplatte kann der Abstand zwischen der Oberseite und der Unterseite der Kathodenplatte verstanden werden. Weiter können die Dicke der Anodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich und die Dicke der Kathodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich gleich sein. Vorteilhafterweise können die Anodenplatte und die Kathodenplatte in dem Stapelhilfebereich spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Somit kann besonders vorteilhaft ein elektrischer Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten verhindert werden.
Eine Isolationsfolie kann, bspw. bei einer zylindrischen Aussparung und einer entsprechenden in der zylindrischen Aussparung aufgenommenen zylindrischen Stapelhilfe, nicht über den Rand der Aussparung hinausstehen, da beim Stapeln der einzelnen Komponenten, insbesondere der Bipolarplatten, des Brennstoffzellenstapels in der Aussparung die Stapelhilfe aufgenommen ist. Dadurch, dass die Dicke der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich geringer als die maximale Dicke der Bipolarplatte ist, kann besonders vorteilhaft die Gefahr geringgehalten werden, dass sich benachbarte Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels in dem zumindest einem Stapelhilfebereich gefährlich nahekommen oder sich berühren. In dem zumindest einen Stapelhilfebereich kann sich zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und der Isolationsfolie ein Luftraum ausbilden. Fertigungstoleranzen der Isolationsfolien, ungenaue Positionierung der Isolationsfolien und/oder ungewollte Verbiegungen in der Bipolarplatte sowie ungewolltes Verrutschen beim Stapeln oder während des Transportes des fertigen Brennstoffzellenstapels, falls die Stapelhilfe im Brennstoffzellenstapel verbleibt, können daher vorteilhafterweise mitberücksichtigt werden. Ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten kann somit vorteilhafterweise verhindert werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Bipolarplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich einen radial um die Erstreckungsrichtung der Aussparung laufenden Vorsprung aufweist. Die Isolationsfolie kann somit in den zumindest einen Stapelhilfebereich überstehen und ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten kann besonders vorteilhaft vermieden werden. Der radial umlaufende Vorsprung in dem zumindest einen Stapelhilfebereich kann die in Bezug auf die maximale Dicke der Bipolarplatte geringere Dicke aufweisen. Weiter kann durch den radial umlaufenden Vorsprung in dem zumindest einen Stapelhilfebereich die Aussparung gebildet bzw. festgelegt werden. Ferner kann durch den radial umlaufenden Vorsprung besonders vorteilhaft sichergestellt werden, dass eine in der Aussparung aufgenommene Stapelhilfe die Bipolarplatte nur an dem radial umlaufenden Vorsprung, insbesondere an einer inneren Mantelfläche des radial umlaufenden Vorsprungs, kontaktiert. Insbesondere weist eine Isolationsfolie eine zu der Aussparung der Bipolarplatte gleiche Aussparung auf. Weiter kann der radial umlaufende Vorsprung der Bipolarplatte in dem zumindest einem Stapelhilfebereich durch die Anodenplatte oder die Kathodenplatte gebildet werden. Bevorzugterweise weisen die Anodenplatte und die Kathodenplatten jeweils einen radial umlaufenden Vorsprung auf, wobei insbesondere der radial umlaufende Vorsprung der Anodenplatte und Kathodenplatte gleich ausgebildet ist und/oder sich kontaktieren bzw. aneinander angeordnet sind. Der radial umlaufende Vorsprung, der durch die sich kontaktierenden, gleich ausgebildeten, radial umlaufenden Vorsprünge der Anodenplatte und der Kathodenplatte gebildet wird, kann besonders stabil sein. Der radial umlaufende Vorsprung kann auch freie Abschnitte aufweisen. Damit ist gemeint, dass der radial umlaufende Vorsprung auch ein nicht-zusammenhängender Vorsprung mit mehreren einzelnen Vorsprüngen sein kann, wobei zwischen den einzelnen Vorsprüngen die freien Abschnitte ausgebildet sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte der radial um die Erstreckungsrichtung der Aussparung laufende Vorsprung eine im Wesentlichen konstante Breite, insbesondere eine konstante Breite, aufweisen. Der radial umlaufende Vorsprung mit der im Wesentlichen konstanten Breite, insbesondere der konstanten Breite, kann besonders einfach hergestellt werden. Weiter kann eine zwischen zwei Bipolarplatten angeordnete Isolationsfolie besonders gleichmäßig in den zumindest einen Stapelhilfebereich überstehen und ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden bzw. verhindert werden. Als Breite des radial umlaufenden Vorsprungs kann der Abstand zwischen der inneren Mantelfläche des radial umlaufenden Vorsprungs und der äußeren Mantelfläche des radial umlaufenden Vorsprungs verstanden werden. Die innere Mantelfläche des radial umlaufenden Vorsprungs ist insbesondere die Fläche des radial umlaufenden Vorsprungs, die an die Aussparung des zumindest einen Stapelhilfebereichs grenzt. Die äußere Mantelfläche des radial umlaufenden Vorsprungs kann insbesondere einen Teil der äußeren Mantelfläche des Stapelhilfebereichs ausbilden.
Es kann von Vorteil sein, wenn der radial um die Erstreckungsrichtung der Aussparung laufende Vorsprung derart ausgebildet ist, dass der radial umlaufende Vorsprung bei einem Verbiegen des radial umlaufenden Vorsprungs nicht über eine die Bipolarplatte begrenzende Ebene übersteht. Als eine die Bipolarplatte begrenzende Ebene kann eine durch eine Oberseite einer Anodenplatte gebildete Ebene verstanden werden. Als eine die Bipolarplatte begrenzende Ebene kann auch eine durch eine Oberseite der Kathodenplatte gebildete Ebene verstanden werden. Ein Verbiegen des radial umlaufenden Vorsprungs kann beispielsweise ungewollte durch die in der Aussparung in dem zumindest einen Stapelhilfebereich aufgenommene Stapelhilfe erfolgen. Dadurch, dass der radial umlaufende Vorsprung bei einem Verbiegen des Vorsprungs nicht über eine die Bipolarplatte begrenzende Ebene übersteht, kann ein Kurzschluss zu einer benachbarten Bipolarplatte besonders vorteilhaft vermieden werden. Vorteilhafterweise kann die Breite des radial umlaufenden Vorsprungs kleiner als ein Abstand des radial umlaufenden Vorsprungs zu der die Bipolarplatte begrenzenden Ebene sein. Somit kann der radial umlaufende Vorsprung bei einem ungewollten Verbiegen nicht bis zu einer benachbarten Bipolarplatte reichen und ein Kurzschluss kann besonders vorteilhaft vermieden werden.
Vorteilhafterweise kann sich bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte der zumindest eine Stapelhilfebereich in einem inaktiven Bereich der Bipolarplatte, insbesondere in einem inaktiven Bereich an einer Kante der Bipolarplatte, befinden. Der zumindest eine Stapelhilfebereich kann derart in dem inaktiven Bereich ausgebildet sein, dass dieser Kanten der Bipolarplatte nicht berührt. Damit ist gemeint ist, dass der zumindest eine Stapelhilfebereich, insbesondere mit der Aussparung, vollständig in dem inaktiven Bereich der Bipolarplatte liegen kann. Ferner kann der zumindest einen Stapelhilfebereich an der Kante besonders einfach ausgebildet werden. Als Kante kann eine Begrenzung einer Fläche der Bipolarplatte verstanden werden. Die Kante kann der äußere Rand der Bipolarplatte sein, welcher die Bipolarplatte begrenzt. Vorteilhafterweise sind am äußeren Rand der Bipolarplatte keine Kanäle zum Führen von einem Fluid, wie z. B. Kathodengas, Anodengas und/oder Kühlfluid. Somit kann sich der zumindest eine Stapelhilfebereich mit der Aussparung besonders günstig ohne Einschränkung der Funktion des Brennstoffzellenstapels an dem äußeren Rand der Bipolarplatte befinden. Ferner kann die Kante ein Portrand der Bipolarplatte sein, welcher einen sogenannten Port umrandet bzw. umschließt. Als Ports können Öffnungen in der Bipolarplatte verstanden werden, welche in dem Brennstoffzellenstapel Führungskanäle zur Führung von Fluiden, wie Kathodengas, Anodengas und Kühlfluid, zu bzw. von den übereinander angeordneten Bipolarplatten bilden. Vorteilhafterweise weist ein Portrand der Bipolarplatte zumindest teilweise Bereiche auf, in welchen keine Kanäle zum Führen von einem Fluid, wie z. B. Kathodengas, Anodengas und/oder Kühlfluid angeordnet sind. An diesen Bereich kann sich folglich der zumindest eine Stapelhilfebereich mit der Aussparung besonders günstig ohne Einschränkung der Funktion des Brennstoffzellenstapels an dem äußeren Rand der Bipolarplatte befinden.
Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Aussparung eine Bohrung sein, wobei insbesondere sich die Bohrung in einem inaktiven Bereich der Bipolarplatte befindet. Die Bohrung kann besonders einfach und kostengünstig in der Bipolarplatte realisiert werden. Die Bohrung weist vorzugsweise eine runde Querschnittsfläche auf, wobei insbesondere der Stapelhilfebereich ebenfalls eine runde Querschnittsfläche aufweist. In die Bohrung mit der runden Querschnittsfläche kann besonders einfach eine zylindrische Stapelhilfe aufgenommen werden. Ferner kann die Bohrung eine besonders kleine Aussparung bilden. Damit kann auch der Stapelhilfebereich besonders klein gehalten werden und vorteilhafterweise wird die Bipolarplatte durch den Stapelhilfebereich im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Mit anderen Worten kann bspw. ein aktiver Bereich der Bipolarplatte seine Größe beibehalten und muss nicht aufgrund des Stapelhilfebereichs verkleinert werden. Weiter ist denkbar, dass nach dem Stapeln der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels zu dem Brennstoffzellenstapel die Aussparung, insbesondere die Bohrung, ein Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels aufnehmen kann. Somit kann Platz auf der Bipolarplatte gespart werden. Insbesondere kann der zumindest eine Stapelhilfebereich mit der Aussparung, insbesondere der Bohrung, in dem Teil des inaktiven Bereiches der Bipolarplatte angeordnet sein, in welchem keine Kanäle zum Führen von einem Fluid, wie z. B. Kathodengas, Anodengas und/oder Kühlfluid zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte angeordnet sind. Beispielsweise zwischen einem äußeren Rand der Bipolarplatte und den Ports.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte das Verhältnis der Querschnittsfläche des Bereichs des zumindest einen Stapelhilfebereichs, der die Aussparung umrandet, zu der Querschnittsfläche der Aussparung größer als 1 ist, insbesondere zwischen 1 und 5 ist. Somit kann sichergestellt werden, dass eine zwischen zwei Bipolarplatten angeordnete Isolationsfolie ausreichend in den zumindest einen Stapelhilfebereich überstehen kann. Somit kann ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden werden. Ferner kann somit der Bereich des zumindest einen Stapelhilfebereichs, der die Aussparung umrandet, besonders stabil sein.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Aussparung im Querschnitt eine der folgenden Querschnittsflächen aufweisen:

- eine Kegelschnittfläche,
- einen Kreissektor oder ein Kreissegment,
- eine Vielecksfläche, insbesondere eine Dreiecks- oder Vierecksfläche.

Die Kegelschnittfläche kann eine Kreisfläche, eine Ellipsenfläche oder eine Hyperbelfläche sein. Der Kreissektor kann auch als Kreisausschnitt verstanden werden und das Kreissegment kann als Kreisabschnitt verstanden werden. Insbesondere ist der Kreisausschnitt eine Halbkreisfläche. Die Halbkreisfläche kann besonders vorteilhaft eine zylindrische Stapelhilfe aufnehmen. Ferner kann die Aussparung, die im Querschnitt das Kreissegment aufweist, sich besonders vorteilhaft an einer Kante der Bipolarplatte, insbesondere an dem äußeren Rand der Bipolarplatte oder einem Portrand der Bipolarplatte, befinden ohne die Funktion des Brennstoffzellenstapels wesentlich einzuschränken. Ein Verhältnis des Radius des Kreises des Kreissegments zu der Segmenthöhe des Kreissegments kann vorteilhafterweise zwischen 3 und 6 liegen. Somit kann einerseits besonders vorteilhaft eine zylindrische Stapelhilfe in der Aussparung aufgenommen werden. Andererseits kann die Ausdehnung der Aussparung entlang der Kante der Bipolarplatte groß sein. Mit anderen Worten kann die Aussparung eine geringe Tiefe, aber eine große Breite aufweisen. Die Aussparung, die im Querschnitt die Dreiecksfläche aufweist, kann besonders vorteilhafte eine dreiecksflächige Stapelhilfe aufnehmen. Es ist auch denkbar, dass die dreiecksflächige Aussparung eine zylindrische Stapelhilfe aufnimmt. Somit kann eine Isolationsfolie in den zumindest einen Stapelhilfebereich überstehen und sogar zumindest teilweise in die Aussparung überstehen. Ein Kurzschluss kann folglich besonders vorteilhaft vermieden bzw. verhindert werden. Die Aussparung mit dem vierecksflächigen Querschnitt kann besonders einfach mit einem Vierecksbohrer geschaffen werden.
Mit besonderem Vorteil können sich bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Anodenplatte und die Kathodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich kontaktieren. Somit kann der Bereich des zumindest einen Stapelhilfebereichs, der die Aussparung umrandet, besonders stabil sein und eine besonders hohe mechanische Steifigkeit aufweisen. Mit dem Kontaktieren der Anodenplatte und der Kathodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich, kann ein Zusammenfügen der Anodenplatte und der Kathodenplatte in dem zumindest einen Stapelhilfebereich gemeint sein. Insbesondere können eine Anodenplatte aus Blech und eine Kathodenplatte aus Blech in dem zumindest einen Stapelhilfebereich zusammengefügt sein und damit eine besonders hohe mechanische Steifigkeit in dem zumindest einen Stapelhilfebereich aufweisen. Somit kann ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel zumindest zwei jeweils erfindungsgemäße Bipolarplatten aufweist.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel die zumindest zwei Bipolarplatten übereinander angeordnet sind, wobei im inaktiven Bereich der beiden Bipolarplatten zwischen den beiden Bipolarplatten eine Isolationsfolie angeordnet ist. Die Isolationsfolie kann als ein sogenanntes Gasket verstanden werden. Ferner kann die Isolationsfolie in dem zumindest einen Stapelhilfebereich zwischen der äußeren Mantelfläche des zumindest einen Stapelhilfebereichs und der Mantelfläche der Aussparung enden. Bevorzugterweise kann die Isolationsfolie in den zumindest einen Stapelhilfebereich bündig bis zur Mantelfläche der Aussparung, insbesondere bündig bis zur inneren Mantelfläche des radial umlaufenden Vorsprungs, überstehen. An den Bereichen der Kanten der Bipolarplatten, an welchen sich keine Stapelhilfebereiche befinden, kann die Isolationsfolie über die Kanten der Bipolarplatten hinausstehen. Somit kann elektrischer Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden bzw. verhindert werden.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Bipolarplatte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen schematisch:

1 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
2 die erfindungsgemäße Bipolarplatte aus 1 in einem Vertikalschnitt,
3 in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen teilweise dargestellten Bipolarplatte,
4 in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen teilweise dargestellten Bipolarplatte,
5 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte einer weiteren Ausführungsform,
6 den erfindungsgemäßen Teil der Bipolarplatte aus 5 in einer Draufsicht,
7 in einer perspektivischen Ansicht erfindungsgemäße Bipolarplatten einer weiteren Ausführungsform,
8 in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
9 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle in einem Vertikalschnitt, und
10 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bren nstoffzellenstapels.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Teil einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 mit einer Anodenplatte 10 und einer Kathodenplatte 20, wobei die Anodenplatte 10 und die Kathodenplatte 20 die Bipolarplatte 1 bilden. Die Bipolarplatte weist an einer Kante 2 der Bipolarplatte 1 einen Stapelhilfebereich 3 auf. In dem Stapelhilfebereich weist die Bipolarplatte 1 eine Aussparung 6 auf. Die Erstreckungsrichtung ER der Aussparung 6 ist senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung LR der Bipolarplatte 1. Wie in 1 dargestellt, ist die Dicke D1 der Bipolarplatte 1 in dem Stapelhilfebereich 3 geringer als die maximale Dicke Dmax der Bipolarplatte 1. Die maximale Dicke Dmax der Bipolarplatte 1 ist hier als eine lokale maximale Dicke der Bipolarplatte 1 in einem lokalen Bereich um den zumindest einen Stapelhilfebereich 3 zusammen mit dem zumindest einen Stapelhilfebereich 3 dargestellt. Durch die geringere Dicke D1 kann sichergestellt werden, dass eine zwischen zwei Bipolarplatten 1 angeordnete Isolationsfolie 40 ausreichend in den zumindest einen Stapelhilfebereich 3 überstehen kann. Ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten 1 kann daher besonders vorteilhaft vermieden werden. In 1 weist ein radial umlaufender Vorsprung 8 in dem Stapelhilfebereich 3 in Bezug auf die maximale Dicke Dmax der Bipolarplatte 1 die geringere Dicke D1 auf. Der Vorsprung 8 wird teilweise durch die Anodenplatte 10 und zum anderen Teil durch die Kathodenplatte 20 gebildet. Der Stapelhilfebereich 3 kann hier als der quaderförmige Körperbereich der Bipolarplatte 1 angesehen werden, welcher sich ergibt, wenn man sich den radial umlaufenden Vorsprung 8 wegdenkt. 2 zeigt die erfindungsgemäße Bipolarplatte aus 1 in einem Vertikalschnitt mit der Schnittachse A1-A1 (siehe 1).
3 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen teilweise dargestellten Bipolarplatte 1 mit einer Anodenplatte 10 und einer Kathodenplatte 20. Ein Stapelhilfebereich 3 an einem Rand 2 der Bipolarplatte 1 weist in der Draufsicht eine Halbkreisfläche auf. Eine Aussparung 6 weist ebenfalls eine Halbkreisfläche auf. Der Stapelhilfebereich 3 kann als ein halb-zylindrische Körperbereich der Bipolarplatte 1 angesehen werden. Ein radial um die Erstreckungsrichtung ER der Aussparung 6 laufender Vorsprung 8 ist kreisringförmig ausgebildet. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis der Fläche, insbesondere der Querschnittsfläche QFS, des Bereiches des zumindest einen Stapelhilfebereichs 3, der die Aussparung 6 umrandet, zu der Fläche, insbesondere der Querschnittsfläche QFA, der Aussparung 6 größer als 1. Die Fläche des Bereiches des zumindest einen Stapelhilfebereichs 3, der die Aussparung 6 umrandet, wird hier durch den radial umlaufenden Vorsprung 8 gebildet.
4 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 mit einer Anodenplatte 10 und einer Kathodenplatte 20, wie in 3 dargestellt. Der Stapelhilfebereich 3 an einem Rand 2 der Bipolarplatte 1 weist in der Draufsicht eine Halbkreisfläche auf. Die Aussparung 6 weist im Gegensatz zu 3 dagegen in der Draufsicht eine Dreiecksfläche auf.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1. In einer perspektivischen Ansicht ist, wie in 1, ein Teil einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 mit einer Anodenplatte 10 und einer Kathodenplatte 20, wobei die Anodenplatte 10 und die Kathodenplatte 20 die Bipolarplatte 1 bilden, offenbart. Die Bipolarplatte 1 weist an einer Kante 2 der Bipolarplatte 1 einen Stapelhilfebereich 3 auf, wobei der Stapelhilfebereich hier als ein halb-zylindrischer Körperbereich der Bipolarplatte 1 angesehen werden kann. In dem Stapelhilfebereich weist die Bipolarplatte 1 eine Aussparung 6 auf. Ein radial um die Erstreckungsrichtung ER der Aussparung 6 umlaufender Vorsprung 8 wird teilweise durch die Anodenplatte 10 und zum anderen Teil durch die Kathodenplatte 20 gebildet. Insbesondere weist der radial um die Erstreckungsrichtung ER der Aussparung 6 laufende Vorsprung 8 eine im Wesentlichen konstante Breite B auf (siehe auch 6). Wie weiter in 5 ersichtlich steht eine Isolationsfolie 40 in den Stapelhilfebereich 3 über und weiter steht die Isolationsfolie 40 über den Rand 2 der Bipolarplatte 1 über. 6 zeigt den erfindungsgemäßen Teil der Bipolarplatte 1 aus 5 in einer Draufsicht. Der Stapelhilfebereich 3 ist hier in der Draufsicht halbkreisförmig ausgebildet. Ebenfalls ist auch die Aussparung 6 in der Draufsicht halbkreisförmig ausgebildet. Vorzugsweise weisen der Stapelhilfebereich 3 und die Aussparung 6 in einem Querschnitt die gleiche Querschnittsfläche auf. Vorteilhafterweise ist die Breite B des radial umlaufenden Vorsprungs 8 kleiner als ein Abstand AB des radial umlaufenden Vorsprungs 8 zu der die Bipolarplatte 1 begrenzenden Oberseite der Kathodenplatte 20 und kleiner als ein Abstand AB' des radial umlaufenden Vorsprungs 8 zu der die Bipolarplatte 1 begrenzenden Oberseite der Anodenplatte 10. Somit kann der radial umlaufende Vorsprung 8 bei einem ungewollten Verbiegen nicht bis zu einer benachbarten Bipolarplatte 1 reichen und ein Kurzschluss kann besonders vorteilhaft vermieden werden.
7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht drei übereinander angeordnete Bipolarplatten 1 einer weiteren Ausführungsform. Zwischen übereinander angeordnete, benachbarte Bipolarplatten 1 ist jeweils eine Isolationsfolie 40 angeordnet. Die Bipolarplatten 40 weisen jeweils eine Anodenplatte 10 aus Blech und eine Kathodenplatte 20 aus Blech auf. Die Dicke des Bleches der Anodenplatte 10 und der Kathodenplatte 20 ist insbesondere im Wesentlichen gleich. Durch einen Prägeschritt eines Prägeprozesses kann in die Anodenplatte 10 aus Blech bzw. in die Kathodenplatte 20 aus Blech eine Struktur, z. B. eine Kanalstruktur zum Leiten von einem Fluid, geprägt werden. Vorteilhafterweise werden nun die Anodenplatte 10 und die Kathodenplatte 20, insbesondere in demselben Prägeschritt, in einem Stapelhilfebereich 3 der Bipolarplatte 1 zusammengefügt. Somit ist die Dicke D1 der Bipolarplatte 1 in dem Stapelhilfebereich 3 geringer als die maximale Dicke Dmax der Bipolarplatte 1. Somit kann ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten 1 aus Blechen besonders vorteilhaft vermieden werden. Durch das Zusammenfügen kann die Bipolarplatte 1 in dem Stapelhilfebereich 3 besonders stabil sein und eine besonders hohe mechanische Steifigkeit aufweisen. Eine Aussparung 6 in dem Stapelhilfebereich 3 kann dann besonders vorteilhaft eine Stapelhilfe aufnehmen. Der Stapelhilfebereich 3 ist hier in der Draufsicht halbkreisförmig ausgebildet. Ebenfalls ist auch die Aussparung 6 in der Draufsicht halbkreisförmig ausgebildet.
8 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 mit einer Anodenplatte 10 und einer Kathodenplatte 20. Die Bipolarplatte 1 weist an einem äußeren Rand 2a zwei Stapelhilfebereiche 3 mit jeweils einer Aussparung 6 und einem Vorsprung 8 auf und an einem Portrand 2b und in einer inaktiven Fläche jeweils einen Stapelhilfebereich 3 mit einer Aussparung 6 und einem Vorsprung 8 auf. Als der inaktive Bereich der Bipolarplatte 1 kann der nicht-schraffierte Bereich der Bipolarplatte 1 angesehen werden. Der Stapelhilfebereich 3 in dem inaktiven Bereich liegt vollständig in dem inaktiven Bereich der Bipolarplatte 1 zwischen den Ports und dem aktiven Bereich. Besonders vorteilhaft ist, wenn dieser Stapelhilfebereich 3 derart in dem inaktiven Bereich liegen würde, in welchem keine Kanäle zum Führen von einem Fluid, wie z. B. Kathodengas, Anodengas und/oder Kühlfluid zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte 1 angeordnet sind. Beispielsweise zwischen einem äußeren Rand der Bipolarplatte 1, insbesondere einer äußeren Querkante der Bipolarplatte 1, und den Ports. Als äußere Querkante kann ein äußerer Rand der Bipolarplatte 1 verstanden werden, welcher quer zur Längsrichtung der Bipolarplatte 1 verläuft. Bevorzugterweise weist die Bipolarplatte 1 zwei bis drei Aussparungen 6 zum Aufnehmen einer Stapelhilfe auf. Die zwei bis drei Aussparungen 6 können sich in dem zumindest einen Stapelhilfebereich 3 befinden oder sich jeweils in einem separaten Stapelhilfebereich 3 befinden.
9 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 50 in einem Vertikalschnitt (vgl. Schnittachse B1-B1 der 8). In 9 ist zwischen zwei erfindungsgemäßen Bipolarplatten 1a, 1b eine Isolationsfolie 40 angeordnet. Die Schnittachse B1-B1 verläuft in 8 im inaktiven Bereich in der Nähe des äußeren Randes 2a der Bipolarplatte 1.
10 zeigt schematisch eine Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen 50, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 100 bilden. Die Brennstoffzellen 50 sind entsprechend der Markierung (siehe Plus-Symbol in 9) übereinander angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202012004926 U1 [0004]
EP 2911228 A1 [0004]

Claims

Bipolarplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel (100), der eine Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen (50) mit Bipolarplatten (1) aufweist, wobei die Bipolarplatte (1) aufweist: a) eine Anodenplatte (10) zum Führen von Anodengas, b) eine Kathodenplatte (20) zum Führen von Kathodengas, wobei die Anodenplatte (10) und die Kathodenplatte (20) zum Bilden der Bipolarplatte (1) aneinander angeordnet sind, c) zumindest einen Stapelhilfebereich (3), wobei in dem zumindest einen Stapelhilfebereich (3) die Dicke (D1) der Bipolarplatte (1) geringer als die maximale Dicke (Dmax) der Bipolarplatte (1) ist, d) eine Aussparung (6) in dem zumindest einen Stapelhilfebereich (3) zum Aufnehmen einer Stapelhilfe beim Stapeln von der Vielzahl an Brennstoffzellen (50) mit den Bipolarplatten (1) zu dem Brennstoffzellenstapel (100), wobei die Erstreckungsrichtung (ER) der Aussparung (6) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung (LR) der Bipolarplatte (1) ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (1) in dem zumindest einen Stapelhilfebereich (3) einen radial um die Erstreckungsrichtung (ER) der Aussparung (6) laufenden Vorsprung (8) aufweist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radial um die Erstreckungsrichtung (ER) der Aussparung (6) laufenden Vorsprung (8) eine im Wesentlichen konstante Breite (B), insbesondere eine konstante Breite (B), aufweist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radial um die Erstreckungsrichtung (ER) der Aussparung (6) laufende Vorsprung (8) derart ausgebildet ist, dass der Vorsprung (8) bei einem Verbiegen des Vorsprungs (8) nicht über eine die Bipolarplatte (1) begrenzende Ebene übersteht.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zumindest eine Stapelhilfebereich (3) in einem inaktiven Bereich der Bipolarplatte, insbesondere in einem inaktiven Bereich an einer Kante (2) der Bipolarplatte (1), befindet.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (6) eine Bohrung ist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche (QFS) des Bereiches des zumindest einen Stapelhilfebereichs (3), der die Aussparung (6) umrandet, zu der Querschnittsfläche (QFA) der Aussparung (6) größer als 1 ist, insbesondere zwischen 1 und 5 ist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (6) im Querschnitt eine der folgenden Querschnittsflächen (QFA) aufweist: - eine Kegelschnittfläche, - einen Kreissektor oder ein Kreissegment, - eine Vielecksfläche, insbesondere eine Dreiecks- oder Vierecksfläche.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anodenplatte (10) und die Kathodenplatte (20) in dem zumindest einen Stapelhilfebereich (3) kontaktieren.
Brennstoffzellenstapel (100), wobei der Brennstoffzellenstapel (100) zumindest zwei Bipolarplatten (1) jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Bipolarplatten (1) übereinander angeordnet sind, wobei im inaktiven Bereich der beiden Bipolarplatten (1) zwischen den beiden Bipolarplatten (1) eine Isolationsfolie (40) angeordnet ist.