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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen, insbesondere für Brennstoffzellenstapel, bei denen eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die jeweils zwei, durch eine ionenleitende Membran voneinander getrennte Elektroden aufweisen, durch Bipolarplatten miteinander verbunden sind.
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Brennstoffzellen bestehen prinzipiell aus zwei Elektroden, die durch eine ionenleitende Membran voneinander getrennt sind. Zur Zuführung der Reaktionsmedien auf die Elektroden werden Verteilerplatten verwendet, in denen Kanäle für Wasserstoff oder ein anderes Brenngas bzw. für Sauerstoff oder Luft ausgestaltet sind. Mit einer Zelle kann jedoch nur eine Spannung von etwa einem Volt erzeugt werden. Für zahlreiche technische Anwendungen werden deshalb mehrere Einzelzellen in Reihe zu einem Stapel von Brennstoffzellen zusammengeschaltet, wodurch sich die Spannung der einzelnen Zellen addiert.
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Aus wirtschaftlichen Überlegungen sollte ein Brennstoffzellenstapel so konstruiert werden, dass nur wenige unterschiedliche Bauteile notwendig sind. Deshalb werden Reihenschaltungen von Brennstoffzellen überwiegend in einer sogenannten bipolaren Bauweise realisiert. Hierbei werden die Verteilerplatten als Bipolarplatten ausgestaltet, die beidseitig mit Kanälen zur Gasführung oder Kühlung strukturiert sind und das Verbindungselement zwischen zwei jeweils benachbarten Brennstoffzellen darstellen. Für die Zuführung der Reaktionsmedien sind vorzugsweise Hauptversorgungskanäle vorgesehen, die alle Brennstoffzellen durchdringen. In jeder Brennstoffzelle ist ein Übergangsbereich ausgestaltet, in dem das Reaktionsmedium vom Hauptversorgungskanal in Gasverteilerkanäle überströmen kann. Durch diese Kanalstrukturen können die Reaktionsgase auf die Aktivfläche der jeweiligen Elektrode verteilt werden.
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Für die Funktionsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels müssen die Bipolarplatten zahlreiche Anforderungen erfüllen, beispielsweise eine homogene Gasverteilung der Reaktionsgase entlang der Aktivfläche, einen guten Wärmeübergang für eine einfache Kühlung oder auch eine ausreichende Korrosionsstabilität unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle. Besonders wesentlich ist jedoch eine wirksame Abdichtung, um ein Vermischen der Gase oder elektrische Kontakte zu vermeiden.
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JP 2002/100381 A beschreibt eine aus zwei profilierten Grundplatten zusammengesetzte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die beiden Grundplatten weisen eine Profilierung mit unterschiedlichen Profilhöhen auf, so dass nach Zusammensetzen der beiden Platten die Erhebungen der Grundplatte mit der geringeren Höhe in entsprechende konkave Vertiefungen der anderen Grundplatte einzugreifen. Aufgrund der Höhendifferenz verbleiben zwischen den beiden Platten innen liegende Kühlmittelkanäle.
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DE 197 46 301 A1 und
US 5,942,347 A beschreiben weitere aus zwei Grundplatten zusammengesetzte Bipolarplatten, die zwischen den Grundplatten verlaufende Kühlmittelkanäle ausbilden.
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Die Abdichtung der Gasräume untereinander und nach Außen wird in einfacher Weise mit Flachdichtungen realisiert, die Aussparungen für die jeweilige Gasführung aufweisen. Um die Funktionsfähigkeit zu verbessern, können die Dichtungen gemäß
DE 199 60 516 A1 und
DE 100 28 395 A1 aus mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlichen Materialeigenschaften zusammengefügt werden. Die Abdichtung kann weiter verbessert werden, indem gemäß
DE 197 13 250 A1 ein adhäsiver Verbund der Elektroden mit den angrenzenden Bipolarplatten nach Art umlaufender Dichtungen geschaffen wird, wobei als adhäsives Verbundmaterial z. B. Epoxidharz verwendet wird.
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Um den Fertigungsaufwand zu reduzieren, wird zunehmend eine bauliche Integration der Dichtelemente in den Grundkörper der Bipolarplatte angestrebt. Nach
DE 199 08 555 A 1 wird dies erreicht, indem das Dichtmaterial vor dem Zusammenfügen der einzelnen Brennstoffzellen zu einem Stapel zunächst in Ausnehmungen der Bipolarplatten eingespritzt wird. Nach dem Zusammenfügen sind diese Abschnitte als Dichtung wirksam.
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Noch weniger Montageaufwand erfordert die
DE 195 42 475 A1 . Hierbei wird in der Bipolarplatte eine materialeinheitliche Erhebung ausgestaltet, die in der Kontur der konstruktiv festgelegten Dichtungslinie verläuft. Folglich wird anstelle einer separaten Dichtung die integrierte Erhebung als Dichtung verwendet. Durch diese Integration der Dichtung in die Bipolarplatte werden z. B. kritische Wärmeausdehnungen vermieden, weil die thermomechanischen Eigenschaften von Dichtungsmaterial und Bipolarplatte identisch sind. Weiterhin ermöglicht die Fertigung der Bipolarplatten und die Ausbildung der Dichtung in einem gemeinsamen Fertigungsprozess eine Reduzierung der Herstellungskosten. Ferner entfällt auch der Aufwand für die Montage und genaue Justierung der Dichtung.
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WO 02/098661 A1 beschreibt eine Bipolarplatte, die zwei separate Grundplatten aufweist, welche aus mit Kunststoff imprägniertem Graphit bestehen. Eine umlaufende Dichtung der beiden auf ihren Rückseiten im Wesentlichen planen Platten wird dadurch erzielt, dass die erste Grundplatte eine Erhebung auf ihrer Rückseite aufweist, der eine gleichgeartete Vertiefung der zweiten Grundplatte zugeordnet ist. Nach Zusammenbau der beiden Platten werden diese verpresst und erhitzt, so dass der Kunstoff des Plattenmeterials aushärtet und zu einer stoffschlüssigen Verbindung führt.
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Derartige technische Lösungen haben sich bewährt, um sowohl eine wirksame Abdichtung der Gasräume untereinander als auch deren Abdichtung nach Außen zu gewährleisten. Allerdings ist die Ausgestaltung der Abdichtung im Übergangsbereich zwischen dem Hauptversorgungskanal und den Gasverteilerkanälen innerhalb der Aktivfläche problematisch. In diesem Bereich ist häufig nicht genügend Material als Andrückfläche verfügbar, um eine wirksame Abstützung der Dichtung realisieren zu können. Für Laborversuche wird deshalb die Bipolarplatte seitlich angebohrt, so dass die Oberfläche im Übergangsbereich nicht unterbrochen wird. Anschließend wird diese Bohrung von der Plattenkante bis zum Hauptversorgungskanal wieder verschlossen. Eine solche Verfahrensweise ist für Laboruntersuchungen akzeptabel, jedoch nicht für eine Serienfertigung.
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Aus
DE 100 06 699 A1 ist eine Konstruktion bekannt, mit der im Übergangsbereich zwischen Hauptversorgungskanal und Gasverteilerkanälen eine Abstützung der Dichtung geschaffen wird. Hierbei ist am Eintritt bzw. am Austritt des Hauptversorgungskanals in der Bipolarplatte eine zusätzliche Wand ausgestaltet, die den Hauptversorgungskanal gegenüber der Aktivfläche der benachbarten Elektrode trennt. Der dieser Wand gegenüberliegenden Aktivfläche der anderen Elektrode wird ein Dichtungsring zugeordnet. Somit wird grundsätzlich eine funktionsfähige Abdichtung im Übergangsbereich zwischen dem Hauptversorgungskanal und den Gasverteilerkanälen erreicht. Nachteilig ist allerdings, dass hierfür eine weitere Dichtung als zusätzliches Bauteil benötigt wird. Gleichzeitig ergeben sich funktionelle Nachteile, weil durch die zusätzliche Wand der freie Strömungsquerschnitt reduziert und letztlich das gesamte Strömungsverhalten beeinträchtigt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen zu schaffen, die im Übergangsbereich zwischen dem Hauptversorgungskanal und den Gasverteilerkanälen eine wirksame Abstützung der Dichtung gewährleistet, ohne dass hierbei der verfügbare Strömungsquerschnitt und folglich die Verteilung der Reaktionsmedien auf die Aktivfläche der Elektroden beeinträchtigt wird. Gleichzeitig soll erreicht werden, dass entsprechend gestaltete Bipolarplatten in einfacher Weise und mit geringem Montageaufwand zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefügt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Bipolarplatte zwei separate Grundplatten mit einer solchen geometrischen Ausgestaltung aufweist, dass nach dem Zusammenfügen der beiden Grundplatten zumindest eine, nach einer Seitenfläche der Bipolarplatte hin offene Kanalstruktur verbleibt. Erfindungsgemäß ist in der ersten Grundplatte eine räumliche Erhebung ausgestaltet, der eine in der zweiten Grundplatte ausgestalteten Durchbrechung zugeordnet ist, wobei die Erhebung und die Durchbrechung eine weitgehend gleiche Kontur aufweisen und wobei nach dem Zusammenfügen der beiden Grundplatten zwischen der oberen Fläche der Erhebung und der oberen Kante der Durchbrechung ein Abstand verbleibt.
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Dabei können die Grundplatten identische geometrische Konturen aufweisen in einer solchen symmetrischen Ausgestaltung, dass diese Grundplatten durch Drehen und Wenden zueinander in Deckung bringbar sind. Eine derartige identische Bauart beider Grundplatten ergibt zwar Kostenvorteile bei der Herstellung, sie ist jedoch nicht für sämtliche Anwendungsfälle zu realisieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind in den Ansprüchen 4 bis 7 beschrieben.
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Die vorgeschlagene Bipolarplatte bewirkt eine effiziente Gasverteilung und gewährleistet gleichzeitig eine wirksame Dichtung. Dies wird in vorteilhafter Weise durch einfache Montage mit weniger Fertigungsschritten und weniger Einzelkomponenten als bei den bisher bekannten technischen Lösungen erreicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1: einen Ausschnitt aus insgesamt vier Grundplatten in Seitenansicht
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2: die in 1 dargestellten Grundplatten im zusammengefügten Zustand als zwei Bipolarplatten
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3: eine Ausgestaltung der Gaskanalseite einer Bipolarplatte in perspektivischer Ansicht
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4: eine Ausgestaltung der Kühlkanalseite einer Bipolarplatte in perspektivischer Ansicht
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In der Zeichnung sind mehrere Bipolarplatten 1 für Brennstoffzellen dargestellt. Auf eine nähere Darstellung der Brennstoffzellen, die aus jeweils zwei, durch eine ionenleitende Membran voneinander getrennten Elektroden bestehen, wird in der Zeichnung verzichtet, weil der Aufbau einer Brennstoffzelle an sich bekannt und im vorliegenden Sachverhalt weitgehend unerheblich ist. Wesentlich ist vielmehr der Aufbau der Bipolarplatten 1, die mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden werden können.
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Jede Bipolarplatte 1 weist zwei separate Grundplatten 11 und 12 mit einer solchen geometrischen Ausgestaltung auf, dass nach dem Zusammenfügen beider Grundplatten 11 und 12 zumindest auf einer Seitenfläche der Bipolarplatte 1 eine offene Kanalstruktur verbleibt. Dies kann in einer besonders kostengünstigen Variante erreicht werden, indem beide Grundplatten 11 und 12 identische geometrische Konturen aufweisen in einer solchen symmetrischen Ausgestaltung, dass diese Grundplatten 11 und 12 durch Drehen und Wenden zueinander in Deckung bringbar sind. Allerdings ist eine solche Ausgestaltung nicht für alle Anwendungen zu realisieren. Deshalb wird eine weitere Ausgestaltung der Grundplatten 11 und 12 vorgeschlagen, die mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher erläutert wird.
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In der ersten Grundplatte 11 ist eine räumliche Erhebung 111 ausgestaltet und in der zweiten Grundplatte 12 eine Durchbrechung 121, die miteinander in Wirkverbindung stehen. Die Erhebung 111 und die Durchbrechung 121 weisen eine weitgehend gleiche Kontur auf. Somit werden die Grundplatten 11 und 12 stapelbar, wobei diese Ausgestaltung gleichzeitig als Montageführung verwendet werden kann. Wird auf den Montagevorteil durch die Erhebung 111 verzichtet, kann diese grundsätzlich entfallen. Allerdings ist dann eine Abdichtung mit einer Flachdichtung notwendig. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Variante mit einer Erhebung 111 beschrieben. Demzufolge wirken die anliegenden Seitenflächen von Erhebung 111 und Durchbrechung 121 als Dichtung, wobei diese Seitenflächen vorzugsweise jeweils konisch ausgestaltet sind.
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Unabhängig von der konkreten geometrischen Ausgestaltung hat die Erhebung 111 in jedem Fall lediglich eine solche Höhe, dass nach dem Zusammenfügen der beiden Grundplatten 11 und 12 zur eigentlichen Bipolarplatte 1 ein Abstand ”x” zwischen der oberen Fläche der Erhebung 111 und der oberen Kante der Durchbrechung 121 verbleibt. Dadurch wird eine freie Strömungskontur geschaffen, so dass der Übergang vom Hauptversorgungskanal 2 der Reaktionsmedien zu den Gasverteilerkanälen 4 innerhalb der Aktivfläche der Bipolarplatte 1 unterhalb der Plattenoberfläche an der Dichtstelle geführt werden kann. Somit wird die Dichtung ohne Unterbrechung über die gesamte Dichtfläche unterstützt und es ergibt sich eine optimale Anpressung an der Dichtstelle.
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Alternativ wird eine ganzflächige Unterstützung der Dichtung an der Dichtfläche im Übergangsbereich auch erreicht, sofern die zweite Grundplatte 12 an ihrer oberen Fläche unmittelbar neben der Außenkontur der Durchbrechung 121 zumindest teilweise Vertiefungen aufweist, die in der Zeichnung allerdings nicht näher dargestellt sind. In diesen Vertiefungen können Abdeckelemente (z. B. Plättchen) abgestützt werden, die bündig mit der oberen Fläche der Grundplatte 12 abschließen und folglich an der Dichtfläche anliegen. Obwohl hierbei ein zusätzlicher Montageschritt gegenüber der oben beschriebenen Vorzugsvariante notwendig ist, kann eine solche Ausgestaltung für ausgewählte Anwendungen durchaus gerechtfertigt sein.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in den Grundplatten 11 bzw. 12 Ausnehmungen 112 bzw. 122 ausgestaltet sind, die zur jeweils benachbarten Grundplatte 12 bzw. 11 offen sind. Derartige Ausnehmungen 112 und 122 können sowohl lediglich in der ersten 11 oder zweiten Grundplatte 12 als auch in beiden Grundplatten 11 und 12 ausgestaltet werden, wobei die letztere Variante als Vorzugsvariante auch in der Zeichnung dargestellt ist. Hierbei sind die Ausnehmungen 112 und 122 derart angeordnet, dass sie nach dem Zusammenfügen der beiden Grundplatten 11 und 12 einen gemeinsamen Kanal 3 bilden, der als Kühlkanal 3 für die gesamte Bipolarplatte 1 geeignet ist.
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In 1 ist ein Ausschnitt aus jeweils zwei Grundplatten 11 und 12 vor der Montage dargestellt. Jede Grundplatte 11 wird mit einer Grundplatte 12 zu einer Bipolarplatte 1 zusammengefügt. Dabei weist jede Bipolarplatte 1 gemäß 2 Hauptversorgungskanäle 2 für die Reaktionsmedien und Kanäle 3 für das Kühlmittel auf. Nachfolgend wird zwischen jeweils zwei benachbarten Bipolarplatten eine (in der Zeichnung nicht dargestellte und aus jeweils zwei, durch eine Membran voneinander getrennte Elektroden bestehende) Brennstoffzelle angeordnet. Schließlich wird eine Vielzahl derartiger Baugruppen zu einem Stapel von Brennstoffzellen verbunden. In der Zeichnung sind weiterhin mögliche Ausgestaltungen der Gaskanalseite (3) und der Kühlkanalseite (4) einer Bipolarplatte 1 dargestellt. Hierbei sind lediglich beispielsweise eine Erhebung 111 zur Ausbildung des Übergangsbereiches zwischen dem Hauptversorgungskanal 2 und den Gasverteilerkanälen 4 sowie eine Ausnehmung 112/122 zur Bildung eines Kühlkanals 3 bezeichnet.
