DE10328039B4 - Elektrochemische Anordnung mit elastischer Verteilungsstruktur - Google Patents

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Abstract

Elektrochemische Anordnung wie etwa eine Brennstoffzellenanordnung (14), ein Elektrolyseur oder ein elektrochemischer Verdichter, welche als Verbund mehrerer Schichten (10, 11, 12) ausgeführt ist, mit mindestens einer Verteilungsstruktur (1) zur Einbringung und Verteilung eines Mediums, wobei die Verteilungsstruktur (1) in einer Ebene geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur ortsabhängig eine unterschiedliche Elastizität aufweist und kontrolliert elastisch ist gegen Druckbelastung (F) senkrecht zur Ebene.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Anordnung, wie etwa eine Brennstoffzellenanordnung, ein Elektrolyseur oder ein elektrochemischer Verdichter nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Für elektrochemische Anordnungen der vorgenannten Art ist es notwendig, Fluide wie Reaktanden oder Kühlmittel in das Innere der Anordnung zu führen. Im Folgenden wird die Erfindung stellvertretend für solche elektrochemischen Anordnungen anhand des prominenten Beispiels einer Brennstoffzellenanordnung dargestellt.
  • Eine Brennstoffzellenanordnung im Sinne dieser Patentanmeldung enthält typischerweise eine erste und eine zweite Bipolarplatte, zwischen denen die eigentliche Brennstoffzelle, häufig in Form einer MEA (Membrane Electrode Assembly), angeordnet ist.
  • Um die für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Reaktanden gleichmäßig entlang der Fläche der Brennstoffzelle bzw. MEA zu verteilen, werden häufig Verteilungsstrukturen eingesetzt, welche als Kanäle ausgebildet sind. Als Verteilungsstrukturen können ferner kanalartige Strukturen oder partielle Stempel eingesetzt werden, welche zur Einleitung und homogenen Verteilung der Reaktanden bzw. des Kühlmediums dienen können. Diese werden häufig in die Brennstoffzellen-Bipolarplatte eingebracht.
  • Ein grundsätzlicher Nachteil bei Brennstoffzellensystemen, die wesentlich auf als Schichtung ausgeführten Anordnungen von Bipolarplatten, MEA, sowie möglicherweise weiteren Schichten bestehen, ist, dass schon bei einer sehr geringen Maßabweichung dieser Schicht-Bauteile ein ausreichender Kontakt und Anpressdruck von Schicht-Bauteil zu Schicht-Bauteil nicht zuverlässig gewährleistet ist.
  • Werden eine oder mehrere derartige Schicht-Brennstoffzellenanordnungen durch Spannelemente zusammengehalten, so wird die Kraft des Anpressdrucks zumeist punktuell in jede der flächigen Anordnungen eingeleitet, was zur Folge hat, dass systematisch eine ungleichmäßige Kraftverteilung im Bereich der aktiven Fläche der jeweiligen der Anordnungen entsteht.
  • Die dadurch entstehende, nachteilige Wirkung äußert sich insbesondere in einem erhöhten elektrischen Innenwiderstand der Brennstoffzelle und einem deutlichen Leistungsabfall.
  • Dieser Nachteil tritt besonders gravierend im Zusammenhang mit dem Abdichtungskonzept nach dem Stand der Technik bekannter Brennstoffzellen auf: Es wird dabei die Dichtung in den Krafthaupt- oder Kraftnebenschluss gelegt, so dass produktionsbedingte Toleranzen in der Dichtungsfertigung eine inhomogene und zum Teil unzureichende Verpressung oder unzureichende Abdichtung der aktiven Flächen in einer oder in mehreren schichtmäßig aufgebauten Brennstoffzellenanordnungen verursacht werden, da die Verspannungskräfte zwischen Dichtelementen und den aktiven Zellfunktionsbereichen unzureichend präzise verteilt sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrochemische Anordnung wie etwa eine Brennstoffzellenanordnung, einen Elektrolyseur oder einen elektrochemischen Verdichter mit mindestens einer Verteilungsstruktur zur Einbringung und Verteilung eines Reaktanden bereitzustellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere durch die zuverlässige Bereitstellung eines ausreichenden und homogen verteilten Anpressdrucks einen hohen Stromfluss ohne nennenswerte Verluste zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrochemische Anordnung nach Patentanspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Lösung weist dabei insbesondere den folgenden Vorteil auf:
    Dadurch, dass die Verteilungsstruktur im Wesentlichen in einer Ebene geführt ist und kontrolliert elastisch ist gegen Druckbelastung senkrecht zu dieser Ebene, wurde eine konstruktive, und damit eine technisch besonders robuste, universelle und aufwandsarme, Lösung zur Herstellung ausreichender und homogen verteilter Anpresskräfte von Schicht-Bauteil zu Schicht-Bauteil innerhalb der aktiven Flächen einer elektrochemischen Anordnung, wie etwa einer Brennstoffzellenanordnung, einen Elektrolyseur oder einem elektrochemischen Verdichter, gefunden.
  • Dadurch, dass die Elastizität der Verteilungsstruktur partiell kontrolliert realisiert ist bzw. die Verteilerstruktur absichtsvoll mit bestimmter Elastizität versehen ist, kann die vorliegend beschriebene technische Wirkung in der Praxis vorteilhaft und gezielt eingesetzt werden.
  • Die Verteilungsstruktur wird dabei gebildet durch federelastische Umgrenzungswände zur Fluidführung.
  • Werden die Schichtelemente zu einer elektrochemischen Anordnung zusammengefügt, so werden die federelastischen Verteilungsstrukturen, welche sich innerhalb des Schichtenverbundes befinden, mindestens partiell zusammengedrückt. Hierdurch übernehmen diese federelastischen Verteilungsstrukturen die Funktion elastischer Elemente innerhalb der elektrochemischen Anordnung und sorgen so für eine homogene Verteilung des Anpressdrucks der Schichten der elektrochemischen Anordnung zueinander, welcher über die gesamte Lebensdauer der elektrochemischen Anordnung gewährleistet bleibt, da auch eine Setzung der Bauteile der elektrochemischen Anordnung durch diese als federelastische Elemente wirkenden elastischen Verteilerstrukturen ausgeglichen wird. Auf diese Weise wird ein Mangel beseitigt, welcher oft die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigt.
  • Neben der Funktion als federelastisches Element übernimmt eine solche federelastische Verteilungsstruktur zusätzlich die Funktion der gleichmäßigen Verteilung der Medien innerhalb der aktiven Fläche der elektrochemischen Anordnung. Auf diese Weise wird durch die vorliegende Bündelung von Eigenschaften zusätzlicher konstruktiver Aufwand vermieden und damit die Produktion technisch vereinfacht.
  • Medien in diesem Sinne – und auch in der Gesamtheit dieser Patentanmeldung – sind Reaktanden für den Betrieb der Brennstoffzelle sowie ferner Kühlmittel oder andere Fluide.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind nach den Unteransprüchen möglich und werden am folgenden Beispiel einer Brennstoffzelle für die zuvor erwähnten elektrochemischen Anordnungen kurz erläutert.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die federelastischen Verteilungsstrukturen im Schichtverbund der Brennstoffzellenanordnung als eine räumlich strukturierte Schicht innerhalb dieses Verbundes zu verwirklichen. Dadurch wird die Herstellung der Verteilungsstrukturen nicht nur erheblich vereinfacht, da die federelastische ”Verteilungsschicht” aus einem einzigen Stück geformt sein kann, sondern es wird ferner der Vorteil erreicht, dass gleichzeitig die Dichtigkeit der Verteilungsstrukturen gegenüber unkontrolliertem Austreten des Reaktanden nach den äußeren Schichten der Brennstoffzellenanordnung hin unterbunden wird und zugleich die Versorgung der aktiven Flächen der Brennstoffzelle mit den Reaktanden auf besonders unkomplizierte Weise geschieht.
  • Die besondere Vorteilhaftigkeit der Wirkung federelastischer Verteilungsstrukturen tritt besonders dann zutage, wenn der Schichtverbund nicht nur durch einfache Schichtung, sondern durch Flächenpressung hergestellt ist, da besonders in diesem Zusammenhang eine homogene Druckverteilung innerhalb der aktiven Fläche der Brennstoffzellenanordnung (zur Vermeidung von Leistungsabfall und zur Vermeidung eines erhöhten Innenwiderstandes) sowie die gleichmäßige Verteilung des Anpressdruckes zwischen Dichtelementen und der aktiven Fläche der Brennstoffzelle von einer von außen wirkenden Anpresskraft bestimmt wird und somit besonders gegen ungleichmäßige Druckverteilung anfällig ist.
  • Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn diese Flächenpressung durch Spannelemente hergestellt wird, da die Spannelemente die Kraft punktuell in die Brennstoffzellenanordnung einleiten und diese punktuelle Krafteinleitung insbesondere durch die federelastischen Verteilungsstrukturen in einen homogenen Anpressdruck umgesetzt wird.
  • Wird die Brennstoffzellenanordnung vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die Verteilungsstruktur ununterbrochen von seinem Eingang zu seinem Ausgang verläuft, so wird eine konstruktiv aufwandsarme Lösung vorgeschlagen, wobei auch mehrere Verteilungsstrukturen eine Gesamt-Verteilungsebene bilden können.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einiger Skizzen erläutert. Es zeigen:
  • 1a eine Brennstoffzellenanordnung in Explosionsdarstellung,
  • 1b die in 1a gezeigte Brennstoffzellenanordnung in zusammengefügtem Zustand,
  • 1c ein Brennstoffzellen-Stack aus einer Vielzahl von aufeinandergeschichteten Brennstoffzellenanordnungen, wie in 1b gezeigt,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel für eine als strukturierte Schicht ausgeführte flexible Reaktandenverteilungs-Struktur im räumlichen Querschnitt,
  • 3 bis 7 Variationen von als strukturierte Schicht ausgeführten federelastischen Verteilungsstrukturen, und
  • 8 den schematischen serpentinenförmigen Verlauf einer beispielhaft ausgeführten Verteilungsstruktur entlang der Ebene des Schichtverbundes.
  • Die Darstellung der Brennstoffzellenanordnung 14, nebst den nachfolgenden Erläuterungen des Ausführungsbeispiels, dient als repräsentatives Beispiel für alle eingangs bezeichneten elektrochemischen Anordnungen, wie auch Elektrolyseure oder elektrochemische Verdichter.
  • 1a zeigt den Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung 14, wie sie in 1b gezeigt ist. Eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen 14 bildet geschichtet den zwischen Endplatten angeordneten Bereich eines Brennstoffzellenstacks 15 in 1c. Dieser ist durch Spannelemente in Flächenpressung zusammengehalten, beispielsweise durch Spannbolzen oder Spannbänder.
  • In 1a ist eine Brennstoffzelle 11 mit ihren regelmäßigen Bauteilen zu sehen, welche einen ionenleitfähige Polymermembran aufweist, die im Mittelbereich 11a mit einer Katalysatorschicht beidseitig versehen ist. In der Brennstoffzellenanordnung 14 sind weiterhin zwei Bipolarplatten 10 vorgesehen, zwischen denen die Brennstoffzelle 11 angeordnet wird. Im Bereich zwischen jeder Bipolarplatte und der Brennstoffzelle sind gemäß vorliegender Erfindung federelastische Kanäle zur Einbringung und Verteilung von Reaktanden in die aktive Fläche 11a der Brennstoffzelle 11 dargestellt, vorliegend schematisch als schwarze Fläche 11a. Im zusammengebauten Zustand der Brennstoffzellenanordnung 14 ist der elektrochemisch aktive Bereich der Brennstoffzellen in einem im Wesentlichen geschlossenen Raum angeordnet, welcher seitlich von Abdichtelementen 13 im Wesentlichen umlaufend begrenzt ist.
  • Die schematisch dargestellte Verteilerstruktur 9, welche vorliegend die federelastischen Verteilungsstrukturen aus Ausführungsform der Erfindung darstellt, kann als eine strukturierte Schicht ausgeführt sein, deren Querschnitt in den 2 bis 7 dargestellt ist und die gemäß 8 einen Kanal serpentinenförmigen Verlaufes entlang der Platte 10 (also senkrecht zur Stackrichtung 6) des Brennstoffzellenverbundes 14 bildet. Die Verteilungsstrukturen können dabei als Einzelkanäle ausgeführt sein, die als Mäander die Ebene der aktive Fläche erschließen, sowie als mäanderförmig verlaufende Zwei- oder Mehrfachkanäle. Ferner können die Verteilungsstrukturen als Stempel oder Pföstchen ausgeführt sein, die die Ebene der aktiven Fläche erschließen.
  • Teilweise können die Materialien der Verteilerstrukturen auch weniger elastische Materialien sein wie bestimmte Metalle (z. B. Aluminium, Titan) oder auch elektrisch leitfähiger Kunststoff, poröses und elektrisch leitfähiges Vlies oder Gewebe, sowie elektrisch leitfähige Keramik. In diesen Fällen kommt die notwendige Elastizität aus einer elastischen Kühlplatte.
  • In diesem Sinne zeigt 2 einen räumlich dargestellten Querschnitt durch eine federelastische Verteilungsstruktur 1, die im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt hat und von einer Stirnfläche (also einer zur Ebene des Verlaufes der Verteilungsstruktur parallelen Fläche) 2 und Seitenwänden 3 einseitig eingegrenzt ist. Auf diese Weise wird das Austreten des Reaktanden in Richtung der ebenen-parallelen Stirnfläche 2 und der Seitenwände 3 unterbunden und der Übertritt in den aktiven Bereich 11a an der nicht eingegrenzten Seite ermöglicht.
  • Dabei kann alternativ oder gleichzeitig auch der komplementäre Zwischenraum 1' als Verteilungsstruktur zum Transport eines Mediums genutzt werden. Es bildet dann die Fläche 2' entlang der Ebene der Grundfläche der strukturierten Schicht die komplementäre ”Stirnwand” 2'.
  • Diese Ausführungsform ist also insbesondere vorgesehen für die Verwendung als räumlich strukturierte Schicht in einem Schichtverbund einer Brennstoffzellenanordnung, wie sie in den 1a und 1b dargestellt ist.
  • Erfolgt nun eine Druckbelastung F senkrecht zur Ebene der strukturierten Schicht, so wird in dem in 2 gezeigten Beispiel insbesondere die Stirnfläche 2 bogenförmig zusammengedrückt und die Abkantungen im Übergang zwischen der Stirnfläche 2 und der Seitenwand 3 in eine abgerundete Form verbracht, wodurch das Material der Druckbelastung in federelastischer Weise Raum geben kann. In dieser Ausführungsform werden also sowohl die Stirnfläche 2 als auch die Seitenwand 3 bei der Ausübung einer senkrechten Druckbelastung federelastisch verformt.
  • In der vorbeschriebenen wie auch in allen übrigen Formen der Strukturgebung kann die Elastizität dadurch realisiert werden, dass die Materialdicke der, beispielsweise metallischen, Platte, aus der die Verteilungsstruktur geformt wird, partiell so verjüngt wird, dass eine lokale Versteifung durch Kaltverformung eingestellt werden kann.
  • Die Elastizität der Verteilungsstruktur muss je nach Anwendungsfall im Bereich von 0,1 bis 150 N/mm2 Flächenpressung (je nach Anwendungsfall vorzugsweise 0,5–10 N/mm2) funktionsfähig sein. Die dabei verwendeten Materialien besitzen ein E-Modul von 10 bis 250 kN/mm2.
  • 3 hingegen zeigt (in zur verbesserten Anschaulichkeit überzeichneter Darstellung) eine Ausführungsform, bei der die verteilungsstrukturbildende Schicht (2, 3) so räumlich strukturiert ist, dass bei einer senkrechten Druckbelastung, etwa durch die Flächenpressung im Schichtverbund einer Brennstoffzellenanordnung 15, wie sie durch Spannelemente hergestellt wird, im Wesentlichen nur die Seitenwände 3 ziehharmonikaartig federelastisch verformt werden, während die ebenenparallele Stirnfläche 2 im Wesentlichen unverformt bleibt. Dies wird durch eine schlangenlinienartige Vorformung der Seitenwände 3 erreicht, die idealerweise achsensymmetrisch zur Senkrechten des Querschnitts der Verteilungsstruktur 1 ist.
  • 4 zeigt eine weitere Strukturierungsform, bei der abermals bei senkrechter Druckbelastung F sowohl die Stirnfläche 2 als auch die Seitenwand 3 verformt wird. Die Vorstrukturierung sieht hier einen parabel- oder gaußglockenförmigen Querschnitt vor. Bei Druckbelastung wird entsprechend der ”Maximalbereich” der Gaußglocke abgeflacht, wodurch die Seitenwände 3 steiler ansteigen bzw. abfallen.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der im Wesentlichen die Seitenwände 3 bei Druckbelastung federelastisch verformt werden, während die Stirnfläche 2 im Wesentlichen unverändert bleibt. Dies wird durch eine trapezartige Strukturierung der verteilungsstrukturbildenden, räumlich strukturierten Schicht ermöglicht, wobei im Unterschied zum in 2 Gezeigten jedoch die längere parallele Seite die Stirnfläche 2 bildet, während die kürzere, gedachte, Parallelseite der trapezähnlichen Struktur entlang der Ebene der Grundfläche der strukturierten Schicht verläuft. Bei Druckbelastung F verringern sich nun die von den Schenkeln des Trapezes und den Parallelseiten eingeschlossenen Winkel.
  • Eine Abwandlung hiervon ist in 6 dargestellt. Hier sind die Kantenübergänge zwischen Stirnfläche 2, Seitenwänden 3 und der Grundfläche der strukturierten Schicht rund ausgestaltet, so dass ein ”Omegaförmiger” Querschnitt entsteht.
  • 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in 2 Gezeigten. Es wird hierbei durch eine geeignete Kontrolle des Umformprozesses bewirkt, dass sich die Materialdicke so in den Flanken bzw. Radien der Struktur verändert, dass die Elastizität bzw. Härte des Materials gezielt eingestellt werden kann. Die Änderung der Materialeigenschaften kann kontinuierlich oder partiell über den Querschnitt hinweg (quer zur Struktur) oder entlang der Verteilungsstruktur erfolgen. Somit ist eine Abstimmung des Elastizitäts- bzw. Steifigkeitsverhaltens über die gesamte Verteilungsstruktur hinweg realisierbar.
  • 8 zeigt den serpentinenförmigen Verlauf der Verteilungsstruktur 1 entlang der Ebene der nicht näher dargestellten strukturierten Schicht. Die konzentrischen Kreise F verdeutlichen den Verlauf der punktförmig eingeleiteten Anpresskraft, wie sie durch Spannelemente in den Schichtverbund der Brennstoffzellenanordnung 14 eingeleitet wird. Es wird also anhand dieser ”Niveaulinien” dargestellt, wie die Verteilungsstruktur infolge der räumlich unterschiedlich verteilten Druckkräfte verschieden weit zusammengepresst wird und aufgrund ihrer federelastischen Eigenschaft eine räumlich homogene. Verteilung des Anpressdruckes im Schichtenverbund der Brennstoffzellenanordnung 14 erreicht wird. Es schließen also die konzentrischen Kreise beispielhaft Flächen ein, die eine unterschiedliche Elastizität bzw. Steifigkeit durch die nach 3 bis 7 beschriebenen Strukturen aufweisen. Es kann daher die Elastizität auf die mechanischen Parameter des Brennstoffzellen-Stacks abgestimmt werden. Schnitt A-A zeigt eine sich nach außen verringernde Steifigkeit (Bereich b weist eine höhere Steifigkeit auf gegenüber den Bereichen a und c).
  • Entlang der Ebene des Verlaufs der Verteilungsstruktur kann dabei der Verteilungsstruktur ortsabhängig eine partiell unterschiedliche Elastizität idealerweise so angepasst verliehen werden (realisiert durch eine Einbringung der beispielsweise im Schnitt A-A in 8 dargestellten Strukturen), dass die Elastizität in Bereichen mit geringer Flächenpressung der Brennstoffzellen-Ebene erhöht ist.
  • So kann einerseits ein guter elektrischer Kontakt von Bipolarplatte zu Bipolarplatte gewährleistet werden, andererseits die gleichmäßige Verteilung der Medien, wie etwa Wasserstoff und Luft als Reaktanden, oder ebenso auch ein Kühlmedium. Der durch die homogene Druckverteilung bessere elektrische Kontakt führt zu einer Leistungssteigerung der Brennstoffzelle. Durch geeignete Auslegung wird es ermöglicht, Verspannungskräfte gezielt auf die Dichtefunktionen und auf aktive Zellfunktionsbereiche zu verteilen, so dass sichergestellt ist, dass einmal eingestellte Flächenpressungen über die Lebensdauer erhalten und homogen bleiben.
  • Neben Brennstoffzellen-Stapelanordnungen, bei denen die Bipolarplatten und somit die Verteilungsstrukturen aus Metall bestehen, kann die elastische Verteilungsstruktur schichtweise an verschiedenen Stellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein, welcher aus Graphit, graphitgefüllten Kunststoffen oder leitfähigen Kunststoffen besteht. Diese folglich unter Verwendung von Graphit, graphitgefüllten Kunststoffen oder dergleichen leitfähigen Kunststoffen gebildete Verteilungsstruktur kann in diesem Fall vorzugsweise als metallische Kühlverteilungsstruktur Verwendung finden.
  • Neben der Anwendung für Brennstoffzellen ist die vorliegend beschriebene Verteilungsstruktur auch vorteilhaft anwendbar für die artverwandten Elektrolysesuren oder elektrochemischen Verdichter.
  • Tabelle 1 gibt einen Überblick, wie durch den Einsatz erfindungsgemäßer Verteilungsstrukturen, vorliegend zum Transport eines Kühlmediums, der Innenwiderstand R ges Kühllage der Brennstoffzelle entscheidend reduziert werden konnte. In Diagramm 1 werden entsprechend die in der Tabelle 1 angegebenen Werte für eine erfindungsgemäß ausgeführte Brennstoffzellenanordnung und eine Brennstoffzellenanordnung, bei der Bipolarplatten im Kühlbereich steif aneinandergelegt sind, graphisch gegenüber gestellt.
  • Figure 00150001
  • Figure 00160001

Claims (16)

  1. Elektrochemische Anordnung wie etwa eine Brennstoffzellenanordnung (14), ein Elektrolyseur oder ein elektrochemischer Verdichter, welche als Verbund mehrerer Schichten (10, 11, 12) ausgeführt ist, mit mindestens einer Verteilungsstruktur (1) zur Einbringung und Verteilung eines Mediums, wobei die Verteilungsstruktur (1) in einer Ebene geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur ortsabhängig eine unterschiedliche Elastizität aufweist und kontrolliert elastisch ist gegen Druckbelastung (F) senkrecht zur Ebene.
  2. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) durch eine räumlich strukturierte Schicht (9) in diesem Verbund verwirklicht ist.
  3. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur eine sich nach außen verringernde Steifigkeit aufweist.
  4. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund durch Flächenpressung (F) hergestellt ist.
  5. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des Verbundes durch Spannelemente zusammengehalten werden.
  6. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) ununterbrochen von ihrem Eingang zu ihrem Ausgang verläuft.
  7. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) im unbelasteten Zustand einen trapezförmigen Querschnitt (2, 3) hat.
  8. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) im unbelasteten Zustand einen näherungsweise parabelförmigen Querschnitt (2, 3) hat.
  9. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur im unbelasteten Zustand einen näherungsweise Omega-förmigen Querschnitt hat.
  10. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität der Verteilungsstruktur (1) insbesondere in der Verformbarkeit der ebenenparallelen Seite (2) des Verteilungsstrukturquerschnitts besteht.
  11. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität der Verteilungsstruktur (1) insbesondere in der Verformbarkeit der Seitenwände (3) besteht.
  12. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur durch stempelartige Erhebungen dargestellt ist, welche inselartig aus der Ebene erscheinen.
  13. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur durch einen Kanal dargestellt ist.
  14. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität durch eine partielle Verjüngung der Materialdicke eingestellt ist.
  15. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) aus Metall besteht.
  16. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur unter Verwendung von Graphit, graphitgefüllten Kunststoffen oder dergleichen leitfähigen Kunststoffen ausgebildet ist.
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4753743B2 (ja) * 2006-02-28 2011-08-24 本田技研工業株式会社 反応ガス用加湿装置
US8371587B2 (en) 2008-01-31 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC Metal bead seal for fuel cell plate
DE102010019369A1 (de) * 2010-05-05 2011-11-10 Mahle International Gmbh Kühleinrichtung
JP5880822B2 (ja) * 2011-10-31 2016-03-09 日産自動車株式会社 燃料電池スタック
JP5915971B2 (ja) * 2012-04-25 2016-05-11 日産自動車株式会社 燃料電池スタック
JP5979174B2 (ja) 2014-04-21 2016-08-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池および燃料電池スタックの製造方法
EP2957659B1 (de) * 2014-06-16 2019-02-20 Siemens Aktiengesellschaft Gasdiffusionsschicht, PEM-Elektrolysezelle mit einer solchen Gasdiffusionsschicht sowie Elektrolyseur
DE202014008375U1 (de) 2014-10-18 2015-10-21 Reinz-Dichtungs-Gmbh Seperatorplatte und elektrochemisches System
DE102017219418A1 (de) * 2017-10-30 2019-05-02 Robert Bosch Gmbh Gasverteilerplatte zur Gasverteilung und Strömungsführung in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen
DE102018209520A1 (de) * 2018-06-14 2019-12-19 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Elektrolysezelle
DE102019205069A1 (de) * 2019-04-09 2020-10-15 Audi Ag Bipolarplatte für Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DE102019205579A1 (de) * 2019-04-17 2020-10-22 Audi Ag Bipolarplatte für Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DE102019205564A1 (de) * 2019-04-17 2020-10-22 Audi Ag Bipolarplatte für Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DE102019206118A1 (de) * 2019-04-29 2020-10-29 Audi Ag Bipolarplatte für Brennstoffzellen umfassend elastische elektrodenseitige Strukturelemente

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4033708A1 (de) * 1989-11-21 1991-05-23 Asea Brown Boveri Bauelement zur stromuebertragung zwischen hochtemperatur-brennstoffzellen
DE10044703A1 (de) * 2000-09-09 2002-04-04 Elringklinger Gmbh Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellenblockverbund und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenblockverbunds
WO2003044886A2 (de) * 2001-11-23 2003-05-30 Reinz-Dichtungs-Gmbh Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4124478A (en) * 1977-02-07 1978-11-07 Tsien Hsue C Thin sheet apparatus and a fluid flow device
JPS61109262A (ja) * 1984-11-01 1986-05-27 Hitachi Ltd 燃料電池
JPS62256381A (ja) * 1986-04-30 1987-11-09 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池のセパレ−タ
EP0444383B1 (de) * 1990-03-01 1995-01-04 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Struktur zum Einbau einer Brennstoffzelle
DE4309976A1 (de) * 1993-03-26 1994-09-29 Daimler Benz Ag Elektrochemische Mehrzellenbatterie
DE19542475C2 (de) * 1995-11-15 1999-10-28 Ballard Power Systems Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte für eine solche Zelle
JPH10241707A (ja) * 1997-02-28 1998-09-11 Yoyu Tansanengata Nenryo Denchi Hatsuden Syst Gijutsu Kenkyu Kumiai 燃料電池
JPH11312530A (ja) * 1998-04-28 1999-11-09 Aisin Seiki Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
DE19829142A1 (de) * 1998-06-30 2000-01-05 Manhattan Scientifics Inc Gasdichter Verbund aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
JP2001035514A (ja) * 1999-07-19 2001-02-09 Tokyo Gas Co Ltd 通電用金属薄板およびそれを用いた固体電解質燃料電池
DE19947858C2 (de) * 1999-10-05 2003-04-10 Daimler Chrysler Ag Korrosionsbeständige Brennstoffzelle
US6255012B1 (en) * 1999-11-19 2001-07-03 The Regents Of The University Of California Pleated metal bipolar assembly
US6413664B1 (en) * 1999-12-23 2002-07-02 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell separator plate with discrete fluid distribution features
JP3448557B2 (ja) * 2000-09-04 2003-09-22 新日本製鐵株式会社 固体高分子型燃料電池用セパレータ，その製造方法及び固体高分子型燃料電池
JP3541172B2 (ja) * 2000-10-04 2004-07-07 本田技研工業株式会社 燃料電池およびそのセパレータ
JP2002184422A (ja) * 2000-12-14 2002-06-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池のセパレータ
DE10248531B4 (de) * 2002-10-14 2005-10-20 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Herstellung einer in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen Bipolarplatte
AU2003276101A1 (en) * 2002-10-14 2004-05-04 Reinz-Dichtungs-Gmbh Electrochemical system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4033708A1 (de) * 1989-11-21 1991-05-23 Asea Brown Boveri Bauelement zur stromuebertragung zwischen hochtemperatur-brennstoffzellen
DE10044703A1 (de) * 2000-09-09 2002-04-04 Elringklinger Gmbh Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellenblockverbund und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenblockverbunds
WO2003044886A2 (de) * 2001-11-23 2003-05-30 Reinz-Dichtungs-Gmbh Brennstoffzellensystem
DE10158772C1 (de) * 2001-11-23 2003-06-26 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Brennstoffzellensystem

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Publication number Publication date
JP4856539B2 (ja) 2012-01-18
EP1634346A2 (de) 2006-03-15
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