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Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Separatorplatte für Brennstoffzellenstapel sind prinzipiell aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie sind meist als Bipolarplatten realisiert und dienen dann in den Brennstoffzellenstapeln einerseits zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden der Brennstoffzellen und andererseits zur Zufuhr und Abfuhr von Medien zu den Brennstoffzellen. Typischerweise umfassen sie außerdem ein Kühlmedienströmungsfeld für die Kühlung des Brennstoffzellenstapel.
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Eine gattungsgemäße Separatorplatte ist beispielsweise aus der
WO 2008/061094 A1 bekannt. Dabei ist es dort so, dass zwei Schichten bzw. Hälften zu der eigentlichen Separator- bzw. Bipolarplatte zusammengefügt sind. Über Medieneinlassöffnungen und Medienauslassöffnungen werden die Medien der Platte zugeführt. Zwischen den beiden Schichten sind dabei Kanäle ausgebildet, um die Medien quasi in das Innere der Bipolarplatte zu leiten. Von dort gelangen die Medien über Durchbrüche, welche auch als Backfeed Slots oder Backfeed Channels bezeichnet werden, vom Inneren der Bipolarplatte in die entsprechenden Strömungsbereiche für die Medien auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Bipolarplatte. Die Strömung des Kühlmediums findet typischerweise weiterhin im Inneren der Bipolarplatte statt, sodass die Durchbrüche lediglich in der einen Hälfte hin zum anodenseitigen Strömungsbereich und in der anderen Hälfte hin zum kathodenseitigen Strömungsbereich ausgebildet sind.
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Der Aufbau von Separatorplatten bzw. Bipolarplatten mit derartigen Durchbrüchen hat sich grundsätzlich bewährt. Allerdings hat sich in der Praxis gezeigt, dass gelegentlich die der jeweiligen Oberfläche der Bipolarplatte benachbarte Membranelektrodenanordnung in den Bereich dieser Durchbrüche hineingedrückt werden kann. Der typische Aufbau einer Membranelektrodenanordnung (MEA) besteht aus einer zentralen mit Katalysator beschichteten Membran gefolgt von den eigentlichen Elektroden und einer sich anschließenden porösen bzw. schwammartigen Gasdiffusionslage. Den Kontakt zwischen der Separatorplatte und der Membranelektrodenanordnung findet also immer zwischen der Oberfläche der Separatorplatte und der Gasdiffusionslage statt. Diese Gasdiffusionslage muss man sich nun als eine Art Schwamm vorstellen. Sie wird dadurch leicht in die gegenüber der Dimension von Strömungskanälen relativ großen Durchbrüche bzw. Backfeed Slots hineingedrückt. Dadurch kann es zu einer verschlechterten Strömung der Medien in diesen Bereich kommen.
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Die
WO 2009/073453 A2 schlägt aus diesem Grund vor, poröses Material, beispielsweise eine Art Netz über die Durchbrüche zu legen, um das Eindrücken der Gasdiffusionslage in der oben beschriebenen Art und Weise in die Durchbrüche zu verhindern. In der praktischen Ausführung ist dies jedoch außerordentlich aufwändig, da diese Netze passgenau an die entsprechenden Stellen der Separatorplatten positioniert und dort befestigt werden müssen, sodass insgesamt ein erheblicher zusätzlicher Fertigungsaufwand entsteht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine verbesserte Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art anzugeben, welche insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Separatorplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Separatorplatte sieht ebenso wie die im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Separatorplatten eine Verbindung eines Strömungsbereichs mit der gegenüberliegenden Seite über einen Durchbruch, also einen sogenannten Backfeed Slot vor. Erfindungsgemäß ist es dabei so, dass wenigstens drei Seiten jedes Durchbruchs von gegenüber der Grundfläche des Strömungsbereichs erhabenen Bereichen zumindest teilweise umgeben sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung setzt also auf erhabene Bereiche, welche den Durchbruch an wenigstens drei seiner Seiten ganz oder zumindest teilweise flankieren, um so einen erhöhten mechanischen Widerstand gegen das Einsinken der Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung in den Durchbruch zu schaffen. Die erhabenen Bereiche sind dabei einteilig mit der Separatorplatte ausgeführt und in dieser in derselben Art hergestellt wie Strömungsleit- und -verteilstrukturen in dem jeweiligen Strömungsbereich. Je nach Material der Separatorplatte können dies unterschiedliche Herstellungsverfahren sein, was für die hier vorliegende Erfindung jedoch nur eine untergeordnete Rolle spielt.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte sieht es dann vor, dass eine dem Strömungsbereich gegenüberliegende Seite des Durchbruchs erhaben ausgebildet ist, wobei an den Stirnseiten quer zu der dem Strömungsbereich gegenüberliegenden Seite ebenfalls erhabene Bereiche angeordnet sind. Der Durchbruch wird also auf seiner der Abströmrichtung der Medien gegenüberliegenden Seite komplett von einem erhabenen Bereich flankiert und an den Stirnseiten sind ebenfalls erhabene Bereiche angeordnet. Damit ist er an wenigstens drei Seiten zumindest teilweise von erhabenen Bereichen umgeben, um so das Einsinken der Gasdiffusionslage in den Durchbruch zu verhindern. Die erhabenen Bereiche an den Stirnseiten erstrecken sich dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Variante der erfindungsgemäßen Separatorplatte in etwa über die Hälfte der Breite des Durchbruchs. Dies stellt sicher, dass einerseits ein Schutz gegen das Einsinken der Gasdiffusionslage erreicht wird, und dass andererseits das Einströmen des Mediums in den eigentlichen Strömungsbereich nicht behindert wird.
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Die erhabenen Bereiche können dabei gegenüber der Grundfläche dieselbe Höhe wie Strukturen des Strömungsbereichs aufweisen. Der Strömungsbereich verfügt typischerweise über entsprechende Strukturen wie beispielsweise Noppen oder Stege zwischen ein Strömungsfeld ausbildenden Kanälen. Diese Strukturen sind als erhabene Strukturen auf der Grundfläche des Strömungsbereichs ausgebildet und ragen typischerweise bis zur Oberfläche der Separatorplatte. Sie stellen später den mechanischen und elektrischen Kontakt zu der Membranelektrodenanordnung her. Diese Höhe von der Grundfläche aus können nun auch die erhabenen Bereiche aufweisen, um so eine möglichst große Höhendifferenz zwischen der Grundfläche, in welcher die Öffnung des Durchbruchs liegt und der Oberfläche der erhabenen Bereiche zu gewährleisten. Hierdurch wird der maximal verfügbare Abstand zwischen der Grundfläche und der Oberfläche der erhabenen Bereiche ermöglicht, um so die Gasdiffusionslage bestmöglich aus dem Bereich des Durchbruchs fernzuhalten.
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Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass die Höhe der erhabenen Bereichen kleiner als die Höhe der Strukturen des Strömungsbereichs ausgebildet ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn die Membranelektrodenanordnung im Randbereich eine etwas größere Dicke aufweist, was häufig als Verstärkung oder im Fügebereich mir einem Rahmen der Fall ist. In diesem Fall sind die erhabenen Bereichen hieran angepasst.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Separatorplatte kann es nun ferner vorsehen, dass der jeweilige Durchbruch in mehrere fluchtend angeordnete Abschnitte aufgeteilt ist, zwischen welchen erhabene Bereiche ausgebildet sind. Eine solche Aufteilung des Durchbruchs in mehrere fluchtend angeordnete Abschnitte ermöglicht es, die Länge der einzelnen Abschnitte bei unveränderter Gesamtlänge und damit unverändertem gesamten durchströmbaren Querschnitt des Durchbruchs, zu verringern. Hierdurch wird die Spannweite, über welche die Gasdiffusionslage am Einsinken in den jeweiligen Durchbruch gehindert werden muss, entsprechend verringert, sodass ein noch besserer Effekt beim „Hochhalten“ der Gasdiffusionslage erzielt werden kann. Jeder dieser fluchtend angeordneten Abschnitte kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Variante der erfindungsgemäßen Separatorplatte weniger als 11 mm Länge aufweisen. Diese Länge von weniger als 11 mm kann dann in weiteren Abschnitten zusätzlich verkürzt werden, wenn es gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee darüber hinaus vorgesehen ist, dass die im Randbereich liegenden Abschnitte kürzer als der oder die mittig liegenden Abschnitte ausgebildet sind.
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Zusammen mit einer Breite der Durchbrüche, welche gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte 2 mm oder weniger beträgt, entsteht so eine ausreichend große Querschnittsfläche, aus welcher das elastische poröse Material der Gasdiffusionslage vergleichsweise zuverlässig durch die erhabenen Bereiche ferngehalten werden kann, um so die Gleichverteilung der Gase nicht zu gefährden und insbesondere den Strömungswiderstand beim Durchströmen des Durchbruchs nicht unnötig dadurch zu erhöhen, dass ein Teil der Gasdiffusionslage bereits hier durchströmt werden muss.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte kann diese als Bipolarplatte ausgebildet sein. Prinzipiell lässt sich die Separatorplatte gemäß der Erfindung in der einen oder anderen der beschriebenen Ausgestaltungen, aus jedem für Separatorplatten gebräuchlichen Material ausbilden. Dies kann beispielsweise Metall oder ein Kunststoff sein. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Separatorplatte soll es vorgesehen sein, dass diese aus einem mit einem elektrisch leitenden Füllstoff versehenen Harz ausgebildet ist, insbesondere einem mit Graphit versehenen Harz. Solche Separatorplatten bzw. Bipolarplatten werden auch als Graphitplatten bezeichnet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Separatorplatte in einer Ausführungsvariante gemäß dem Stand der Technik;
- 2 einem Teil der Separatorplatte gemäß 1 mit einem Teil einer Gasdiffusionslage;
- 3 eine dreidimensionale Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäß ausgestalteten Separatorplatte; in einer 3D-Ansicht;
- 4 der in 3 dargestellte Teil der Separatorplatte in einer Draufsicht; und
- 5 eine Ansicht analog zur der in 3 mit einem Teil der Gasdiffusionslage.
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In der Darstellung der 1 ist eine Separatorplatte 1 in einer möglichen Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Diese Figur dient zur allgemeinen Erläuterung der Funktion einer Separatorplatte 1. Sie entspricht dabei nicht zwingend dem in der Anmeldung eingangs genannten Stand der Technik. Eine solche Separatorplatte 1 ist typischerweise als Bipolarplatte ausgebildet. Diese Bipolarplatten 1 werden dann zusammen mit Membranelektrodenanordnungen (MEA) zu dem Brennstoffzellenstapel gestapelt, was dem Fachmann allgemein bekannt ist.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist es nun so. dass die Separatorplatte 1, hier am Beispiel ihrer Sauerstoffseite, entsprechend erläutert wird. Die Luft als eines der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Medien strömt dabei, wie es durch den Pfeil F unterhalb der Darstellung in 1 gezeigt ist. von links nach rechts. Über eine Medienöffnung 2, einen sogenannten Port 2, wird der Sauerstoff zugeführt, über einen Port 3 gelangt er wieder aus dem System. Alle aufgestapelten Separatorplatten 1 bzw. Bipolarplatten weisen diese Ports 2, 3 sowie die anderen später noch erläuterten Ports 9 bis 12 jeweils fluchtend auf, sodass diese durch den Brennstoffzellenstapel durchlaufende Kanäle zur Verteilung und zum Sammeln des Mediums ausbilden.
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Die Separatorplatte 1 kann in an sich bekannter Art aus zwei Hälften aufgebaut sein, welche zur Ausgestaltung der Separatorplatte 1 Rücken an Rücken verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt, sind. Im Inneren der Separatorplatte 1 befindet sich nun ein gestrichelt angedeuteter Strömungskanal 4, welcher auch als Via bezeichnet wird, und welcher den Port 2 mit einem Durchbruch 5 verbindet. Über diesen Durchbruch 5, den sogenannten Backfeed Slot, strömt das Medium dann auf die Vorderseite in einen mit Noppen 6 versehenen Abschnitt eines Strömungsverteilbereichs 15, bevor es die parallelen Kanäle des eigentlichen Strömungsfeldes 7 durchströmt. Auf der in der Durchströmungsrichtung F gegenüberliegenden Seite des Strömungsfelds 7 folgt wieder der Bereich mit den Noppen 6, bevor das Medium durch einen weiteren Durchbruch 8 gesammelt abströmt und über die Rückseite der oberen Hälfte der Separatorplatte 1 in den Port 3 gelangt, durch welchen die an Sauerstoff abgereicherte Abluft dann den Brennstoffzellenstapel verlässt.
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Die beiden Ports 11, 12 dienen zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium, welches in entsprechenden Kühlmedienkanälen auf der Rückseite und damit im Inneren der hier dargestellten in bekannter Art aus zwei Hälften aufgebauten Separatorplatte 1 strömt. Die mit 9 und 10 bezeichneten Ports dienen der Zufuhr und der Abfuhr von Wasserstoff und Anodenabgas, welches im Wesentlichen auf einer gegenüberliegenden Oberfläche der Separatorplatte 1 strömt.
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Auf die hier gezeigte Oberfläche der Separatorplatte 1 kommt nun die Membranelektrodenanordnung zu liegen. Diese ist dabei zumindest in ihrem elektrochemisch aktiven Bereich von einer benachbart zur Oberfläche der Separatorplatte 1 liegenden Gasdiffusionslage 13 begrenzt, an welche sich dann die eigentliche Elektrode und die katalysatorbeschichtete Membran anschließen. In der Darstellung der 1 ist lediglich rein beispielhaft die Größe der aufgelegten Schicht der Gasdiffusionslage 13 gestrichelt angedeutet. Sie überragt einen Strömungsbereich 14, welcher sich aus dem eigentlichen Strömungsfeld 7 und dem Strömungsverteilbereich 15 zusammensetzt.
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In der Darstellung der 2 ist nun in einer dreidimensionalen Ansicht eine Ausschnitt aus der Separatorplatte 1 nochmals dargestellt. Dabei ist einerseits ihre erste hier kathodenseitige Hälfte 16 und ihre andere hier anodenseitige Hälfte 17 zu erkennen. Entscheidend für das hier Beschriebene ist jedoch der Bereich mit dem Durchbruch 5 und die in diesem Bereich aufgelegte Gasdiffusionslage 13, von welcher lediglich ein Abschnitt dargestellt ist. Sehr gut zu erkennen ist, dass das Material der Gasdiffusionslage 13 in dem hier dargestellten Abschnitt relativ weit in den Durchbruch 5 eintaucht. Dieser wird also durch das Material der Gasdiffusionslage 13 der hier in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Membranelektrodenanordnung blockiert bzw. die Durchströmung mit geringem Strömungswiderstand wird beeinträchtigt.
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In der Darstellung der 3 ist nun die erfindungsgemäße Ausgestaltung in einer dreidimensionalen Ansicht analog im Wesentlichen zu der in 2, jedoch ohne die Gasdiffusionslage 13 dargestellt. Der Aufbau weist nun mehrere Besonderheiten gegenüber dem Stand der Technik auf. Der Durchbruch 5, und Vergleichbares gilt selbstverständlich auch für den Durchbruch 8 und ähnliche hier nicht dargestellte Durchbrüche auf der Anodenseite, ist hier in drei Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 aufgeteilt. Die drei Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 sind benachbart zu dem Strömungsverteilbereich 15 mit seinen Noppen 6 so angeordnet, dass eine Reihe von Noppen 6 mehr oder weniger direkt benachbart zu dem Durchbruch 5 bzw. seinen Abschnitten 5.1, 5.2 und 5.3 liegt. Dies ist auch aus der Darstellung der 4, einer Draufsicht auf den in 3 dargestellten Ausschnitt der Separatorplatte 1 nochmal sehr gut zu erkennen. Auf der diesem Strömungsverteilbereich 15 gegenüberliegenden Seite ist das Randmaterial der Separatorplatte 1 in einem erhabenen Bereich 18 ausgeführt. Dieser erhabene Bereich 18 ist einteilig mit weiteren erhabenen Bereichen 19 verbunden, welche sich an den Stirnseiten der jeweiligen Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 des Durchbruchs 5 erstrecken. Sie ragen auch zwischen die Durchbrüche 5.1 und 5.2 auf der einen Seite und 5.2 und 5.3 auf der anderen Seite. Diese erhabenen Bereiche 18, 19, welche sich entlang der Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 vollständig erstrecken und an den Stirnseiten der Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3, wie es insbesondere in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, über jeweils in etwa die Hälfte der Breite b erstrecken, helfen dabei das Material der Gasdiffusionslage 13 hochzuhalten. So wird ein Einsinken der Gasdiffusionslage 13 in die einzelnen Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 der Durchbrüche 5 minimiert. Dieser Effekt ist vor allem in der Darstellung der 5 zu erkennen, in welcher zusätzlich zu den in 3 dargestellten Elementen die Gasdiffusionslage 13 nochmals mit dargestellt ist.
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Ein weiterer Effekt wird dabei durch die relativ geringe Länge der einzelnen Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 des Durchbruchs 5 erzielt. Dadurch, dass der Durchbruch in z.B. drei Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 aufgeteilt wird ist jeder der Abschnitte 5.1, 5.2 und 5.3 deutlich kürzer als es ein durchgehender Durchbruch wäre. So ist der mittlere Abschnitt 5.2 derjenige mit der größten Länge, wobei dessen Länge L, welche in 4 entsprechend eingezeichnet ist, weniger als 11 mm, beispielsweise zwischen 10 und 11 mm oder bevorzugt zwischen 10,5 und 11 mm beträgt. Die Breite b beträgt weniger als 2 mm, beispielsweise ca. 1,6 bis 1,9 mm. Diese Dimensionierung zusammen mit den direkt benachbart zu den Abschnitten 5.1, 5.2 und 5.3 angeordneten Noppen 6 und den sie an drei weiteren Seiten ergebenden erhabenen Bereiche 18, 19 macht das Einsinken der Gasdiffusionslage 13 in den Durchbruch 5 relativ unwahrscheinlich. Durch diese einfache konstruktive Maßnahme kann ein erheblicher Effekt erzielt werden, welcher die Montage des Brennstoffzellenstapel gar nicht beeinflusst oder komplizierter macht.
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Wie es dabei in der Darstellung der 3 bis 5, insbesondere in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, ist der erhabene Bereich 18 dabei auf derselben Höhe wie die erhabenen Bereiche 19 angeordnet. Die erhabenen Bereiche 18, 19 sind gegenüber einer Grundfläche 21, welche quasi den Boden des Strömungsbereichs 14 ausbildet, mit derselben oder auch einer etwas kleineren größeren Höhe ausgeführt als die Strukturen des Strömungsbereichs, also beispielsweise die hier gezeigten Noppen 6 und die im eigentlichen Strömungsfeld 7 angeordneten Kanäle bzw. die zwischen ihnen befindlichen Stege, welche auch als Landings bezeichnet werden und die elektrische Kontaktierung zur Membranelektrodenanordnung gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/061094 A1 [0003]
- WO 2009/073453 A2 [0005]
