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Stand der Technik
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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.
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Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die Polymerelektrolytmembran, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und die beiden Gasdiffusionslagen bilden eine sog. Membranelektrodeneinheit (MEA). Bipolarplatten wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Auf einer Anodenseite einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und auf einer Kathodenseite der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Eine Bipolarplatte kann aus zwei Bipolarplattenhälften zusammengesetzt sein, wobei die beiden Bipolarplattenhälften zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Bipolarplatte Kühlmittelkanäle für ein Kühlmittel für das Temperieren der Brennstoffzelle aufweisen. Es herrscht ständiges Interesse daran einen Brennstoffzellenstapel gewichtstechnisch besonderes leicht auszuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zeigt eine Separatorplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.
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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 Separatorplatte 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.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Separatorplatte eine erste Separatorplattenhälfte und eine an die erste Separatorplattenhälfte angeordnete zweite Separatorplattenhälfte aufweist. Weiter umfasst die Separatorplatte zwei sich gegenüberliegende inaktive Bereiche, wobei die beiden inaktiven Bereiche jeweils Öffnungen für ein jeweiliges Führen eines Prozessfluides in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels aufweisen, und wobei die beiden inaktiven Bereiche jeweils Verteilerfelder für das Führen des jeweiligen Prozessfluides zwischen dem jeweiligen inaktiven Bereich und einem aktiven Bereich aufweist. Weiter umfasst die Separatorplatte den zwischen den beiden inaktiven Bereichen angeordneten aktiven Bereich für ein Erzeugen elektrischer Energie, wobei die Separatorplatte zumindest in dem aktiven Bereich mehrere Stege und mehrere Tiefsicken für das Ausbilden von Oxidationsmittelkanälen, Reduktionsmittelkanälen und Kühlmittelkanälen für das Führen des jeweiligen Prozessfluides aufweist. Weiter umfasst die Separatorplatte einen die beiden inaktiven Bereiche und den aktiven Bereich vollständig umschließenden inaktiven Randbereich, wobei der inaktive Randbereich jeweils zwei sich gegenüberliegende, zwischen dem ersten inaktiven und dem zweiten inaktiven Bereich angeordnete, an den aktiven Bereich angrenzende Abstützabschnitte für ein jeweiliges Abstützen zumindest einer Komponente einer Membranelektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels aufweist, wobei der jeweilige Abstützabschnitt zumindest teilweise einen in einer Fluidebene eines Kühlfluids als eines der Prozessfluide durch einen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum aufweist, und wobei der jeweilige Abstützabschnitt einen äußersten Steg eines äußersten Oxidationsmittelkanals oder einen äußersten Steg eines äußersten Reduktionsmittelkanals ausbildet. Ferner sind bei der Separatorplatte die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte in dem aktiven Bereich zumindest abschnittsweise entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. entlang des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals in einer jeweiligen Tiefsicke des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. in einer Tiefsicke des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals mittels einer Kühlmittelschweißnaht in dem aktiven Bereich stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Insbesondere ist ein inaktiver Bereich der Separatorplatte ein Bereich der Separatorplatte bzw. des Brennstoffzellenstapels, in welchem keine elektrische Energie erzeugt wird. Mit anderen Worten findet insbesondere in einem inaktiven Bereich keine gewollte elektrochemische Reaktion statt.
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Insbesondere ist ein aktiver Bereich der Separatorplatte ein Bereich der Separatorplatte bzw. des Brennstoffzellenstapels, in welchem elektrische Energie erzeugt wird. Mit anderen Worten findet insbesondere in einem aktiven Bereich eine gewollte elektrochemische Reaktion statt. Bspw. können in einem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels Wasserstoffprotone von der Anodenseite über eine Membranelektrodeneinheit auf die Kathodenseite zum Erzeugen elektrischer Energie übertragen werden.
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Die Prozessfluide können bei einem Brennstoffzellenstapel bspw. Wasserstoff als Reduktionsmittel, bspw. Sauerstoff bzw. Luft als Oxidationsmittel und bspw. Wasser als Kühlfluid sein.
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Die in den sich gegenüberliegenden inaktiven Bereichen angeordneten Öffnungen können auch als Ports verstanden werden. Insbesondere weist jeder der beiden inaktiven Bereiche der Separatorplatte bzw. der ersten Separatorplattenhälfte und der zweiten Separatorplattenhälfte eine Oxidationsmittelöffnung und/oder eine Reduktionsmittelöffnung und/oder eine Kühlfluidöffnung als Öffnungen auf.
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Die erste Separatorplattenhälfte kann auch als Anodenplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte kann auch als Kathodenplattenhälfte verstanden werden, oder umgekehrt. Die Anodenplattenhälfte weist insbesondere eine Anodenseite sowie eine der Anodenseite gegenüberliegende, erste Kühlseite auf und/oder die Kathodenplattenhälfte weist insbesondere eine Kathodenseite sowie eine der Kathodenseite gegenüberliegende, zweite Kühlseite auf, wobei insbesondere die Anodenplattenhälfte mit der ersten Kühlseite an die zweite Kühlseite der Kathodenplattenhälfte zum Ausbilden von Kühlmittelkanälen zwischen der Anodenplattenhälfte und der Kathodenplattehälfte angeordnet ist.
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Insbesondere weist die Anodenplattenhälfte an der Anodenseite mehrere Stege und mehrere Tiefsicken für das Ausbilden von Reduktionsmittelkanälen auf und/oder weist die Anodenplattenhälfte an der ersten Kühlseite mehrere Stege und mehrere Tiefsicken für das Ausbilden von Kühlmittelkanälen auf.
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Ferner weist die Kathodenplattenhälfte an der Kathodenseite mehrere Stege und mehrere Tiefsicken für das Ausbilden von Oxidationsmittelkanälen auf und/oder weist die Kathodenplattenhälfte an der zweiten Kühlseite mehrere Stege und mehrere Tiefsicken für das Ausbilden von Kühlmittelkanälen auf.
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Die Oxidationsmittelkanäle können zumindest im aktiven Bereich ein geradliniges Flussfeld ausbilden und/oder die Reduktionsmittelkanäle können zumindest im aktiven Bereich ein geradliniges Flussfeld und/oder die Kühlmittelkanäle können zumindest im aktiven Bereich ein geradliniges Flussfeld für das Führen des jeweiligen Prozessfluides ausbilden. Somit kann die Separatorplatte besonders einfach ausgebildet sein und das stoffschlüssige Verbinden der ersten Separatorplattenhälfte mit der zweiten Separatorplattenhälfte besonders einfach erfolgen.
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Insbesondere umläuft der inaktive Randbereich die Separatorplatte außen einmal komplett.
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Insbesondere weist die erste Separatorplattenhälfte zwei Abstützabschnitte für das Abstützen zumindest einer Komponente einer Membranelektrodeneinheit auf und die zweite Separatorplattenhälfte weist zwei Abstützabschnitte für das Abstützen zumindest einer Komponente einer weiteren Membranelektrodeneinheit auf. Die beiden jeweiligen Abstützabschnitte sind insbesondere jeweils für ein Abstützen eines Randes zumindest einer Komponente einer Membranelektrodeneinheit. Die beiden Abstützabschnitte können jeweils für ein Abstützen zumindest einer Komponente einer Membranelektrodeneinheit, bspw. zum Abstützen eines Randes einer Gasdiffusionslage und/oder zum Abstützen eines Randes eines Subgaskets, in welchem die Gasdiffusionslage aufgenommen ist, sein. Die Membranelektrodeneinheit kann eine Membran und/oder eine Anodenelektrode und/oder eine Kathodenelektrode und/oder eine Gasdiffusionslage oder mehrere Gasdiffusionslagen und/oder ein Subgasket umfassen. Insbesondere ist das Subgasket für das Aufnehmen von Komponenten rahmenartig ausgestaltet. Für das Abstützen der zumindest einen Komponente der Membranelektrodeneinheit an dem jeweiligen Abstützabschnitt weist die erste bzw. die zweite Separatorplattenhälfte einen Stegbereich auf. Durch den jeweiligen Stegbereich wird insbesondere teilweise ein in der Fluidebene des Kühlfluids angeordneter Hohlraum ausgebildet. Insbesondere wenn die erste Separatorplatte aus einem Blech gebildet ist und/oder die zweite Separatorplatte aus einem Blech gebildet ist, wird durch das Ausbilden eines jeweiligen Stegbereichs für den Abstützabschnitt als Folge ein Hohlraum in der Fluidebene des Kühlfluids ausgebildet.
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Insbesondere kann ein jeweiliger Abstützabschnitt entlang einer Längserstreckung des jeweiligen Abstützabschnitts klaviertastaturartig ausgestaltet sein.
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Ferner kann die in dem aktiven Bereich entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. entlang des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals in der jeweiligen Tiefsicke des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. in der jeweiligen Tiefsicke des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals ausgebildete Kühlmittelschweißnaht zumindest entlang 80 % der Länge des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. zumindest entlang 80 %, vorzugsweise zumindest entlang 90 % , ganz vorzugsweise zumindest entlang 95 %, der Länge des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals ausgebildet sein. Insbesondere weist die Separatorplatte bzw. die erste Separatorplattenhälfte oder die zweite Separatorplattenhälfte in dem aktiven Bereich jeweils zwei, sich gegenüberliegende äußerste Oxidationsmittelkanäle bzw. zwei, sich gegenüberliegende äußerste Reduktionsmittelkanäle auf.
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Die Fluidebene des Kühlfluids ist insbesondere die Ebene der Separatorplatte, in welcher das Kühlmittel im aktiven Bereich der Separatorplatte fließt, d. h. zwischen der ersten Separatorplatte und der zweiten Separatorplatte. Die Fluidebene des Kühlfluids kann auch als Kühlfluidebene verstanden werden. Die Ebene der Separatorplatte, in welcher das Oxidationsmittel im aktiven Bereich der Separatorplatte fließt, kann auch als Fluidebene des Oxidationsmittels bzw. Oxidationsmittelfluidebene verstanden werden. Die Ebene der Separatorplatte, in welcher das Reduktionsmittel im aktiven Bereich der Separatorplatte fließt, kann auch als Fluidebene des Reduktionsmittels bzw. Reduktionsmittelfluidebene verstanden werden.
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Insbesondere kann die Separatorplatte auch bei einem Elektrolyseur eingesetzt werden. Der Brennstoffzellenstapel kann daher auch entsprechend als Elektrolyseur verstanden werden.
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Vorteilhafterweise kann durch das zumindest in dem aktiven Bereich der Separatorplatte zumindest abschnittsweise entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. entlang des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals in einer jeweiligen Tiefsicke des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. in einer Tiefsicke des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals mittels einer Kühlmittelschweißnaht stoffschlüssige Verbinden der ersten Separatorplattenhälfte mit der zweiten Separatorplattenhälfte besonders einfach und vorteilhaft verhindert werden, dass das Kühlfluid von zumindest einem in der Kühlfluidebene angeordneten Kühlmittelkanal in die durch einen jeweiligen Stegbereich ausgebildeten Hohlräume der Abstützabschnitte gelangen kann. Mit anderen Worten, können somit zumindest die Hohlräume der Abstützabschnitte vom Kühlmittelpfad ausgeschlossen werden. Somit kann eine Pumpenleistung einer Pumpe für das Pumpen des Kühlfluids besonders geringgehalten werden. Weiter kann somit ein Brennstoffzellenstapel gewichtstechnisch besonderes leicht ausgeführt werden, da unnötiges Kühlfluid vermieden wird. Außerdem kann somit die thermische Masse des Brennstoffzellenstapels besonders geringgehalten werden und ein Brennstoffzellenstapel besonders schnell auf eine Betriebstemperatur gebracht werden.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in der jeweiligen Tiefsicke des Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in dem aktiven Bereich ausgebildete Kühlmittelschweißnaht an zumindest einer Stelle aus dem aktiven Bereich über den jeweiligen angrenzenden Abstützabschnitt hinausgeführt ist. Somit kann ein durch einen jeweiligen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum besonders vorteilhaft zusätzlich von einem in der Kühlfluidebene angeordneten Kühlmittelkanal getrennt werden. Die an zumindest einer Stelle aus dem aktiven Bereich über den jeweiligen angrenzenden Abstützabschnitt hinausgeführte Kühlmittelschweißnaht kann insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu dem äußersten Oxidationsmittelkanal bzw. Reduktionsmittelkanal verlaufen. Somit kann die Kühlmittelschweißnaht besonders einfach geführt sein. Insbesondere ist ferner
für das Ausbilden der Kühlmittelschweißnaht in dem jeweiligen Abstützabschnitt die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte direkt aneinander angeordnet.
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Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in der jeweiligen Tiefsicke des Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in dem aktiven Bereich ausgebildete Kühlmittelschweißnaht zumindest im Bereich einer Ecke des aktiven Bereichs aus dem aktiven Bereich über den jeweiligen angrenzenden Abstützabschnitt hinausgeführt sein. Somit kann ein besonders großer Teil des durch den jeweiligen Stegbereich in der Fluidebene des Kühlfluids ausgebildeter Hohlraum fluidtechnisch einem in der Kühlfluidebene angeordneten Kühlmittelkanal zum Führen von Kühlmittel getrennt werden. Insbesondere kann der aktive Bereich der Separatorplatte viereckig oder im Wesentlichen viereckig ausgestaltet sein, wobei im Bereich von jeder der vier Ecken des aktiven Bereichs die Kühlmittelschweißnaht aus dem aktiven Bereich über den jeweiligen angrenzenden Abstützabschnitt hinausgeführt ist.
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Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die jeweilige an der zumindest einen Stelle durch den angrenzenden Abstützabschnitt hinausgeführte Kühlmittelschweißnaht mit einer Öffnungs-Kühlmittelschweißnaht zum Abdichten einer der Öffnungen für das jeweilige Führen der Prozessfluide verbunden sein. Somit kann weiter besonders vorteilhaft thermische Masse des Kühlfluids in dem Brennstoffzellenstapel verringert werden. Insbesondere kann um jede der Öffnungen der Separatorplatte jeweils eine Öffnungs-Kühlmittelschweißnaht ausgebildet sein, wobei die im aktiven Bereich der Separatorplatte ausgebildete Kühlmittelschweißnaht bzw. die im aktiven Bereich ausgebildeten Kühlmittelschweißnähte und die Öffnungs-Kühlmittelschweißnähte derart miteinander eine gemeinsame Schweißnaht ausbilden, dass ein ungewolltes Fließen des Kühlfluids in eine Oxidationsmittelöffnung und/oder in eine Reduktionsmittelöffnung und/oder in eine die Separatorplatte umgebende Umgebung verhindert wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die erste Separatorplatte und/oder die zweite Separatorplatte eine entlang des inaktiven Randbereichs in dem inaktiven Randbereich ausgebildete Dichtungsstruktur für das Anordnen einer Dichtung aufweisen, wobei die Dichtungsstruktur einen in der Fluidebene des Kühlfluids durch einen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum aufweist, und wobei die Kühlmittelschweißnaht von der Dichtungsstruktur umgeben ist. Dadurch, dass die Kühlmittelschweißnaht von der Dichtungsstruktur umgeben ist bzw. die Kühlmittelschweißnaht innerhalb der Dichtungsstruktur liegt, kann besonders vorteilhaft verhindert werden, dass in den Hohlraum der Dichtungsstruktur das Kühlfluid für das Kühlen der Separatorplatte bzw. des Brennstoffzellenstapels gelangen kann, insbesondere wenn der Hohlraum der Dichtungsstruktur mit zumindest einem jeweiligen Hohlraum des jeweiligen Abstützabschnitts fluidtechnisch verbunden ist. Insbesondere wenn die erste Separatorplatte aus einem Blech gebildet ist und/oder die zweite Separatorplatte aus einem Blech gebildet ist, wird durch das Ausbilden eines Stegbereichs für die Dichtungsstruktur gezwungenermaßen ein Hohlraum in der Fluidebene des Kühlfluids ausgebildet.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte in dem aktiven Bereich zumindest abschnittsweise entlang zumindest eines weiteren, innenliegenden Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in einer jeweiligen Tiefsicke des Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals mittels einer Aktivbereich-Steppschweißnaht in dem aktiven Bereich stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Somit kann eine Stabilität der Separatorplatte und eine Kontaktierung der beiden Separatorplattenhälften im aktiven Bereich der Separatorplatte besonders vorteilhaft sein. Der Ausdruck „innenliegend“ ist hier insbesondere derart zu verstehen, dass die Aktivbereich-Steppschweißnaht nicht in einem der äußersten Reduktionsmittelkanäle und/oder Oxidationsmittelkanäle in dem aktiven Bereich der Separatorplatte ausgebildet ist. Die Aktivbereich-Steppschweißnaht kann mehrere einzelne, länglich ausgestaltete Schweißnähte aufweisen, wobei insbesondere die mehreren Schweißnähte verteilt über den aktiven Bereich angeordnet sind. Die mehreren Schweißnähte der Aktivbereich-Steppschweißnaht können auch als eine Vielzahl an Schweißnähten verstanden werden. Somit kann die Stabilität der Separatorplatte bzw. die Kontaktierung der ersten Separatorplatte mit der zweiten Separatorplatte besonders vorteilhaft sein.
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Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte zumindest abschnittsweise entlang des inaktiven Randbereichs in dem inaktiven Randbereich mittels einer Rand-Steppschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Somit kann besonders vorteilhaft verhindert werden, dass die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte in dem inaktiven Randbereich auseinanderklaffen. Mit anderen Worten ausgedrückt, können die erste Separatorplatte und die zweite Separatorplatte durch die abschnittsweise entlang des inaktiven Randbereichs in dem inaktiven Randbereich ausgebildete Rand-Steppschweißnaht besonders vorteilhaft zusammengehalten werden. Insbesondere sind die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte entlang des kompletten inaktiven Randbereichs in dem inaktiven Randbereich mittels einer Rand-Steppschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden. Somit können die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte besonders vorteilhaft zusammengehalten werden. Insbesondere weist die Rand-Steppschweißnaht mehrere länglich ausgestaltete, entlang des inaktiven Randbereichs zueinander beabstandete Schweißnähte auf. Die mehreren Schweißnähte der Rand-Steppschweißnaht können auch als eine Vielzahl verstanden werden.
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Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte mittels eines thermischen Fügeverfahrens zumindest über die Kühlmittelschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Somit kann das stoffschlüssige Verbinden der ersten Separatorplattenhälfte mit der zweiten Separatorplattenhälfte besonders einfach erfolgen. Das thermische Fügen ist insbesondere ein Laserschweißen und/oder ein Elektronenstrahlschweißen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einer erfindungsgemäßen Separatorplatte die erste Separatorplattenhälfte und die zweite Separatorplattenhälfte jeweils aus einem Blech gebildet sein. Somit kann die Separatorplatte besonders einfach und kostengünstig hergestellt sein. Ferner kann somit das stoffschlüssige Verbinden der ersten Separatorplattenhälfte mit der zweiten Separatorplattenhälfte besonders einfach mittels eines thermischen Fügeverfahrens erfolgen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete Separatorplatte aufweist, und wobei der Brennstoffzellenstapel eine Membranelektrodeneinheit umfasst.
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Die Membranelektrodeneinheit umfasst insbesondere eine Membran und/oder eine Anodenelektrode und/oder eine Kathodenelektrode und/oder eine Gasdiffusionslage oder mehrere Gasdiffusionslagen und/oder ein Subgasket, insbesondere ein rahmenartiges Subgasket, für das Aufnehmen bzw. Halten zumindest einer Komponente.
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Der Brennstoffzellenstapel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Separatorplatte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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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.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine Separatorplatte,
- 2 einen Teil einer Separatorplatte,
- 3 einen Teil einer Separatorplatte, und
- 4 einen Brennstoffzellenstapel.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
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1 offenbart in einer Draufsicht eine Separatorplatte 100a für einen Brennstoffzellenstapel 200, wobei die Separatorplatte 100a eine erste Separatorplattenhälfte 1 und eine an die erste Separatorplattenhälfte 1 angeordnete zweite Separatorplattenhälfte 2 aufweist. Ferner umfasst die Separatorplatte 100a zwei sich gegenüberliegende inaktive Bereiche 10, 30, wobei die beiden inaktiven Bereiche 10, 30 jeweils Öffnungen 11, 12, 13, 31, 32, 33 für ein jeweiliges Führen eines Prozessfluides in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 200 aufweisen, und wobei die beiden inaktiven Bereiche 10, 30 jeweils Verteilerfelder 15, 35 für das Führen des jeweiligen Prozessfluides zwischen dem jeweiligen inaktiven Bereich 10, 30 und einem aktiven Bereich 20 aufweist. Die Öffnungen 11, 12, 13 des ersten inaktiven Bereichs 10 bzw. die Öffnungen 31, 32, 33 des zweiten inaktiven Bereichs sind jeweils eine Oxidationsmittelöffnung, eine Reduktionsmittelöffnung und eine Kühlfluidöffnung. Ferner umfasst die Separatorplatte 100a den zwischen den beiden inaktiven Bereichen 10, 30 angeordneten aktiven Bereich 20 für ein Erzeugen elektrischer Energie, wobei die Separatorplatte 100a zumindest in dem aktiven Bereich 20 mehrere Stege und mehrere Tiefsicken für das Ausbilden von Oxidationsmittelkanälen, Reduktionsmittelkanälen und Kühlmittelkanälen für das Führen des jeweiligen Prozessfluides aufweist. Ferner umfasst die Separatorplatte 100a einen die beiden inaktiven Bereiche 10, 30 und den aktiven Bereich 20 vollständig umschließenden inaktiven Randbereich 40, wobei der inaktive Randbereich 40 jeweils zwei sich gegenüberliegende, zwischen dem ersten inaktiven 10 und dem zweiten inaktiven Bereich 30 angeordnete, an den aktiven Bereich 20 angrenzende Abstützabschnitte 51, 52 für ein jeweiliges Abstützen zumindest einer Komponente einer Membranelektrodeneinheit 110a, 110b des Brennstoffzellenstapels 200 aufweist, und wobei der jeweilige Abstützabschnitt 51, 52 zumindest teilweise einen in einer Fluidebene eines Kühlfluids als eines der Prozessfluide durch einen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum aufweist, und wobei der jeweilige Abstützabschnitt 51, 52 einen äußersten Steg eines jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals oder einen äußersten Steg eines jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals ausbildet. Ferner sind die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 in dem aktiven Bereich 20 zumindest abschnittsweise entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. entlang des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals in einer jeweiligen Tiefsicke des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. in einer Tiefsicke des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals mittels einer Kühlmittelschweißnaht 80 (nicht sichtbar; vgl. hierzu 2) in dem aktiven Bereich 20 stoffschlüssig miteinander verbunden.
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2 offenbart einen Ausschnitt einer Separatorplatte 100a in einer Draufsicht, wie sie bereits zu 1 beschrieben worden ist. In 2 ist zu erkennen, dass die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 in dem aktiven Bereich 20 entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. entlang des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals in einer Tiefsicke des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. in einer Tiefsicke des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals mittels einer Kühlmittelschweißnaht 80 in dem aktiven Bereich 20 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei der Separatorplatte 100a in 2 ist zusätzlich der Abstützabschnitt 51 klaviertastaturartig ausgebildet. Ferner ist bei der Separatorplatte in 2 zusätzlich die entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in der jeweiligen Tiefsicke des Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in dem aktiven Bereich 20 ausgebildete Kühlmittelschweißnaht 80 aus dem aktiven Bereich 20 an zumindest einer Stelle über den jeweiligen angrenzenden Abstützabschnitt 51 hinausgeführt, insbesondere senkrecht hinausgeführt. Ferner ist bei der Separatorplatte in 2 zusätzlich die entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in der jeweiligen Tiefsicke des Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in dem aktiven Bereich 20 ausgebildete Kühlmittelschweißnaht 80 zumindest im Bereich einer Ecke 21 des aktiven Bereichs 20 aus dem aktiven Bereich 20 über den jeweiligen angrenzenden Abstützabschnitt 51 hinausgeführt. Ferner ist bei der Separatorplatte in 2 zusätzlich die jeweilige an der zumindest einen Stelle durch den angrenzenden Abstützabschnitt 51 hinausgeführte Kühlmittelschweißnaht 80 mit einer Öffnungs-Kühlmittelschweißnaht 81 zum Abdichten der Öffnung 31 für das Führen eines Prozessfluids verbunden. Ferner weist bei der Separatorplatte in 2 zusätzlich die erste Separatorplatte 1 und/oder die zweite Separatorplatte 2 eine entlang des inaktiven Randbereichs 40 in dem inaktiven Randbereich 40 ausgebildete Dichtungsstruktur 90 für das Anordnen einer Dichtung 91 auf, wobei die Dichtungsstruktur 90 einen in der Fluidebene des Kühlfluids durch einen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum aufweist, wobei die Kühlmittelschweißnaht 80 von der Dichtungsstruktur 90 umgeben ist. Ferner sind bei der Separatorplatte in 2 zusätzlich die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 in dem aktiven Bereich 20 zumindest abschnittsweise entlang zumindest eines weiteren, innenliegenden Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals in einer jeweiligen Tiefsicke des Oxidationsmittelkanals bzw. Reduktionsmittelkanals mittels einer Aktivbereich-Steppschweißnaht 82 in dem aktiven Bereich 20 stoffschlüssig miteinander verbunden. Ferner sind bei der Separatorplatte in 2 zusätzlich die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 zumindest abschnittsweise entlang des inaktiven Randbereichs 40 in dem inaktiven Randbereich 40 mittels einer Rand-Steppschweißnaht 83 stoffschlüssig miteinander verbunden.
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3 zeigt in einer Schnittansicht einen Teil einer Separatorplatte 100a, insbesondere wie sie bereits zu 1 und/oder 2 beschrieben worden ist. In 3 ist die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 jeweils aus einem Blech gebildet. Die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 sind vorteilhafterweise mittels eines thermischen Fügeverfahrens zumindest über die Kühlmittelschweißnaht 80 stoffschlüssig miteinander verbunden. Zusätzlich ist die erste Separatorplattenhälfte 1 und die zweite Separatorplattenhälfte 2 mittels einer Rand-Steppschweißnaht 83 stoffschlüssig miteinander verbunden. In 3 ist ferner ersichtlich, dass durch das zumindest abschnittsweise entlang des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. entlang des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals in einer jeweiligen Tiefsicke des jeweiligen äußersten Oxidationsmittelkanals bzw. in einer Tiefsicke des jeweiligen äußersten Reduktionsmittelkanals mittels der Kühlmittelschweißnaht 80 stoffschlüssige Verbinden der ersten Separatorplattenhälfte 1 mit der zweiten Separatorplattenhälfte 2 besonders einfach und vorteilhaft verhindert werden kann, dass das Kühlfluid von zumindest einem in der Kühlfluidebene angeordneten Kühlmittelkanal in die durch einen jeweiligen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum des Abstützabschnitts 51 und/oder dass das Kühlfluid von zumindest einem in der Kühlfluidebene angeordneten Kühlmittelkanal in einen durch einen Stegbereich ausgebildeten Hohlraum einer Dichtungsstruktur 90 gelangen kann.
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4 offenbart schematisch einen Brennstoffzellenstapel 200, wobei der Brennstoffzellenstapel 200 mehrere erfindungsgemäß ausgebildete Separatorplatten 100a bzw. 100b, wie sie bspw. zu 1 und/oder 2 und/oder 3 beschrieben worden sind, aufweist, und wobei der Brennstoffzellenstapel 200 mehrere Membranelektrodeneinheiten 110a, 110b umfasst, wobei die Separatorplatten 100a bzw. 100b und die Membranelektrodeneinheiten 110a bzw. 110b abwechselnd übereinander zum Ausbilden des Brennstoffzellenstapels 200 angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014218015 A1 [0003]
