DE202005008706U1

DE202005008706U1 - Bipolar separator for fuel cell stack, has channel plates with respective plate surface facing corresponding membrane electrode assembly, where plates are adhesively connected with one another in area of plate surfaces facing one another

Info

Publication number: DE202005008706U1
Application number: DE202005008706U
Authority: DE
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Elcore GmbH
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2015-06-04

Abstract

Separator has channel plates (11,12) with respective plate surface facing corresponding membrane electrode assemblies. The channel plates have respective fuel gas channel system (18) and oxidant channel system (19) for supply of fuel gas and oxidant gas to respective electrode assembly. The channel plates are adhesively connected with one another in the area of the plate surfaces facing one another.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly) von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend

– eine erste Kanalplatte mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und
– eine zweite, der ersten Kanalplatte benachbarten Kanalplatte mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidans-Kanalsystem zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidansgas aufweist,

wobei wenigstens eine der Kanalplatten in ihrer der jeweils anderen Kanalplatte zugewandten Plattenfläche ein wenigstens teilweise offenes Kühlmittel-Kanalsystem, zur Leitung eines Kühlmittels aufweist.The invention relates to a bipolar separator for the electronically conductive, gas- and liquid-tight separation of a first membrane-electrode assembly (MEA) from a second, the first adjacent MEA of a fuel cell stack

A first channel plate having a first plate surface facing the first MEA and having an at least partially open fuel gas channel system for supplying the first MEA with a fuel gas, and
A second channel plate adjacent the first channel plate having a second plate surface facing the second MEA and having an at least partially open oxidant channel system for supplying the second MEA with an oxidant gas,

wherein at least one of the channel plates in their respective other channel plate facing plate surface has an at least partially open coolant channel system, for conducting a coolant.

Es sind unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen bekannt. Insbesondere bei sogenannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs Proton Elektrolyte Membrane Fuel Cells) ist eine protonenleitfähige Membran vorgesehen, die beidseitig von Elektroden kontaktiert wird. Die Elektroden umfassen üblicherweise eine katalytisch aktive Schicht, beispielsweise aus platinbeschichtetem Ruß, welche in direktem Kontakt mit dem Protonenleiter steht, sowie poröse, elektronisch leitfähige Strukturen, die dem Transport der Reaktionsgase zu der katalytisch aktiven Schicht dienen. Letztgenannte Strukturen werden üblicherweise als Gasdiffusionsstrukturen bezeichnet. Sie können beispielsweise aus porösem Kohlenstoffpapier, -gewebe oder -vlies aufgebaut sein.It Different types of fuel cells are known. Especially in so-called polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs Proton Electrolyte Membrane Fuel Cells) is a proton conductive membrane provided, which is contacted on both sides by electrodes. The Electrodes usually include a catalytically active layer, for example of platinum-coated carbon black, which is in direct contact with the proton conductor, as well as porous, electronic conductive structures, the transport of the reaction gases to the catalytically active layer serve. The latter structures are commonly called gas diffusion structures designated. You can for example, porous Carbon paper, fabric or fleece.

Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird der als Anode wirkenden Elektrode Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Die genaue Zusammensetzung des Gases hängt von der speziellen Beschaffenheit der übrigen Brennstoffzelle ab und soll im Folgenden allgemein als „Brenngas" bezeichnet werden.To the Operation of the fuel cell becomes the anode acting as an electrode Supplied hydrogen gas or hydrogen-containing gas. The exact composition of the gas depends on the specific nature the rest Fuel cell and shall be referred to in the following generally as "fuel gas".

Gleichzeitig wird der zweiten, als Kathode wirkenden Elektrode Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, welches im Folgenden allgemein als Oxidanzgas bezeichnet wird. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert: H₂→2H⁺+2e^-. At the same time, the second electrode acting as the cathode is supplied with oxygen gas or oxygen-containing gas, which is generally referred to below as oxidant gas. At the anode, the hydrogen is catalytically oxidized: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- .

Die dabei freiwerdenden Elektronen werden über die Elektrode an den Verbrauer abgeführt und die entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite, wo sie mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden. Die notwendigen Elektronen werden über die Elektrode zugeführt: ½O₂ + 2 H⁺+ 2e^-→ H₂O . The released electrons are removed via the electrode to the consumer and the resulting protons migrate through the electrolyte on the cathode side, where they are reacted with oxygen to form water. The necessary electrons are supplied via the electrode: ½O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O.

Der Ladungstransport durch den Elektrolyten erfolgt im Falle der PEMFC beispielsweise über Migration von H₃O⁺-Ionen und/oder Hoppingprozesse von Protonen.The charge transport through the electrolyte takes place in case of the PEMFC, for example, on migration of H ₃ O ⁺ ions and / or proton hopping processes.

Zur praktischen Umsetzung wird eine derartige Elementarzelle üblicherweise zwischen zwei Plattenstrukturen eingebettet, die verschiedene Aufgaben übernehmen. Zum einen dienen sie der Stabilisierung der in der Regel flexiblen MEA. Zweitens dienen sie der Zu- und Abfuhr der Reaktionsgase sowie der Abfuhr des entstehenden Wassers. Drittens können sie zum Wärmemanagement, d.h. insbesondere zur Abfuhr der entstehenden Abwärme genutzt werden. Viertens dienen sie der Ableitung des erzeugten Stroms. Fünftens werden von diesen Plattenstrukturen Dichtungsaufgaben erfüllt, da eine Mischung bzw. ein Übertritt der Reaktionsgase untereinander und/oder mit Kühlmittel auf jeden Fall vermieden werden muss.to Practical implementation of such a unit cell is usually embedded between two disk structures that perform different tasks. First, they serve to stabilize the generally flexible MEA. Second, they serve to supply and remove the reaction gases as well the removal of the resulting water. Third, they can be used for thermal management, i.e. be used in particular for the removal of the resulting waste heat. Fourth, they serve to derive the generated current. Fifth will be fulfilled by these plate structures sealing tasks, since a mixture or a transfer the reaction gases with each other and / or avoided with coolant in any case must become.

Im Fall von Brennstoffzellen, die aus einem Stapel von Elementarzellen aufgebaut sind, sogenannten Stacks, trennen die Plattenstrukturen jeweils die Anode einer ersten Elementarzelle von der Kathode der benachbarte Elementarzelle. Man spricht daher häufig von Bipolarplatten oder allgemeiner von Bipolarseparatoren. Diese bestehen im Allgemeinen aus Graphit, Graphit-Polymer-Kompositwerkstoffen oder aus Metallen bzw. Metalllegierungen.in the Case of fuel cells coming from a stack of unit cells are constructed, so-called stacks, separate the plate structures in each case the anode of a first unit cell from the cathode of adjacent unit cell. One is therefore often called bipolar plates or more general of bipolar separators. These generally consist of Graphite, graphite-polymer composites or made of metals or metal alloys.

US 2003/0194591 A1 offenbart einen Brennstoffzellen-Stack, der unter Verwendung gattungsgemäßer Bipolarseparatoren verwirklicht ist. Die Bipolarseparatoren sind aus jeweils 2 Kanalplatten aufgebaut. Beide Kanalplatten weisen in ihrer der jeweils benachbarten MEA zugewandten Plattenfläche ein Verteilersystem für das jeweilige Reaktionsgas auf. Das Verteilersystem besteht aus einer Kanalstruktur, welche die Plattenfläche grabenartig durchzieht, wobei die einzelnen Kanalabschnitte durch Stege voneinander getrennt sind. Außer den offenen Kanalabschnitten, durch welche das Reaktionsgas der jeweiligen Elektrode zugeführt wird, kann das Kanalsystem weiter geschlossene Kanalabschnitte umfassen, durch welche das jeweilige Reaktionsgas von außen eingespeist werden kann. Außerdem können die Kanalplatten Durchbrüche aufweisen, die beispielsweise zur Führung von Medien, wie etwa Reaktionsgas oder Kühlmittel senkrecht zur Kanalplattenfläche, d.h. entlang der Brennstoffzellen-Stackachse verwendet werden können. Auf ihrer der zugeordneten MEA abgewandeten Seite weist wenigstens eine der Kanalplatten ein weiteres grabenartiges Kanalsystem auf, welches der Verteilung von Kühlmittel dient. Im zusammengebauten Zustand wird ein alternierender Stapel von MEAs und jeweils aus zwei Kanalplatten bestehenden Bipolarseparatoren durch Zuganker fest aufeinander gepresst. Auf diese Weise entsteht zwischen den Kanalplatten eines Bipolarseparators ein geschlossenes Kühlmittel-Verteilungssystem, welches von außen mit Kühlmittel beschickt werden kann.US 2003/0194591 A1 discloses a fuel cell stack realized using generic bipolar separators. The bipolar separators are each made up of 2 channel plates. Both channel plates have in their respective adjacent MEA facing plate surface on a distribution system for the respective reaction gas. The distribution system consists of a channel structure, which digs through the plate surface like a trench, wherein the individual channel sections are separated by webs. In addition to the open channel sections, through which the reaction gas is supplied to the respective electrode, the channel system may further comprise closed channel sections, through which the respective reaction gas can be fed from the outside. In addition, the channel plates may have apertures that may be used, for example, to guide media, such as reaction gas or coolant, perpendicular to the channel plate surface, ie, along the fuel cell stack axis. On its side facing away from the associated MEA, at least one of the Channel plates on another trench-like channel system, which serves the distribution of coolant. In the assembled state, an alternating stack of MEAs and bipolar separators consisting of two channel plates is pressed firmly against each other by tie rods. In this way, between the channel plates of a Bipolarseparators a closed coolant distribution system, which can be charged from the outside with coolant.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist die schwer zu realisierende Dichtung zwischen den einzelnen Kanalplatten eines Bipolarseparators. Da die Kanalplatten durch die von außen angelegten Druckkräfte, die beispielsweise durch Zuganker auf den Stack ausgeübt werden, zusammengehalten werden, müssen, um eine zuverlässige Dichtung zu gewährleisten, die einander berührenden Flächen der Kanalplatten mit höchster Genauigkeit gearbeitet sein. Eine höchst zuverlässige Dichtung ist jedoch unabdingbar, da im Bereich der Bipolarseparatoren die verschiedenen Reaktionsgase und das Kühlmittel auf engstem Raum benachbart fließen. Insbesondere bei axialer Durchleitung von Reaktionsgasen durch die Bipolarseparatoren kommt der Dichtung höchste Bedeutung zu. Auch das Anordnen der Bipolarseparatoren beim Stapeln des Brennstoffzellen-Stacks muss mit hoher Genauigkeit erfolgen, um einen dichtenden Verbund zu gewährleisten. Dies führt insgesamt zu einem erheblichen Bearbeitungs- und Produktionsaufwand und damit verbundenen Fertigungskosten.adversely in the known device is the hard to be realized seal between the individual channel plates of a bipolar separator. Because the Channel plates through the outside applied compressive forces, which are exerted by tie rods on the stack, for example, be held together, a reliable one To ensure seal the touching one another Surfaces of the Channel plates with the highest Accuracy to be worked. A highly reliable seal, however, is indispensable because in the area of Bipolarseparatoren the various reaction gases and the coolant on flow in a confined space adjacent. In particular, in the axial passage of reaction gases through the Bipolar separators are of utmost importance to the seal. That too Arranging the Bipolarseparatoren when stacking the fuel cell stack must with high accuracy to ensure a sealing bond. this leads to Total to a considerable processing and production costs and associated manufacturing costs.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gattungsgemäßen Bipolarseparator derart weiterzubilden, dass bei geringem Bearbeitungsaufwand eine zuverlässige Dichtung der den Bipolarseparator bildenden Kanalplatten erzielt wird.It the object of the present invention is a generic bipolar separator in such a way that at low processing costs a reliable Gasket of the Bipolarseparator forming channel plates achieved becomes.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Kanalplatten im Bereich ihrer einander zugewandten Plattenflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.These Task is in conjunction with the features of the preamble of Claim 1 solved by that the channel plates in the region of their mutually facing plate surfaces cohesively with each other are connected.

Dieser Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle einzelner Kanalplatten, die sich erst im Stack zu einem Bipolarseparator zusammensetzen, komplexe Bipolarseparatoren zu verwenden, welche bereits vor Aufbau des Stacks aus wenigstens zwei Kanalplatten dauerhaft und dichtend verbunden wurden. Die stoffschlüssige Verbindung hat den Vorteil, dass sowohl die Dauerhaftigkeit als auch die Dichtheit der Verbindung gewährleistet ist, ohne dass die Oberflächen der einzelnen Kanalplatten mit besonderem Aufwand bearbeitet werden müssten. Dies führt bei verringerten Herstellungskosten zu einem technisch besseren und im Betrieb der Brennstoffzelle sicheren Ergebnis.This The invention is based on the idea, instead of individual channel plates, which are first in the stack to form a Bipolarseparator complex Bipolarseparatoren to use, which already before the stack permanently and sealingly connected from at least two channel plates were. The cohesive Compound has the advantage that both the durability as also the tightness of the connection is guaranteed, without the surfaces of the individual channel plates are processed with particular effort would. this leads to at reduced production costs to a technically better and in the operation of the fuel cell safe result.

Besonders günstige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.Especially favorable Further developments of the present invention are presented in the dependent claims.

Vorteilhafter Weise sind die Kanalplatten zur Ausbildung eines Bipolarseparators miteinander verklebt. Die Verklebung ist eine besonders günstige Form der stoffschlüssigen Verbindung, da Unebenheiten oder Rauhigkeiten der zu verbindenden Oberflächen gegebenenfalls durch das verwendete Klebemittel ausgeglichen werden können. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise eine Dichtung gewährleistet, selbst im Fall, dass die zu verbindenden Oberflächen der Kanalplatten nicht hoch präzise gefertigt sind.Favorable Way are the channel plates to form a Bipolarseparators glued together. The bonding is a particularly favorable form the cohesive Compound, because unevenness or roughness of the connecting surfaces optionally be compensated by the adhesive used can. As a result, a seal is ensured in a particularly simple manner, even in the case that the surfaces of the channel plates to be joined do not highly precise are made.

Günstigerweise wird ein elektronisch leitfähiges Klebemittel verwendet, d.h. ein Klebemittel, das in der Lage ist, die bei der katalytischen Reaktion freiwerdenden Elektronen zu leiten. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass es, wie oben erwähnt, eine wesentliche Aufgabe der Bipolarseparatoren ist, den in den Elementarzellen erzeugten elektrischen Strom abzuleiten. Da hier große Stromstärken auftreten können, ist eine möglichst weitgehende Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen den Kanalplatten, aus welchen der Bipolarseparator aufgebaut ist, wünschenswert.conveniently, becomes an electronically conductive Adhesive used, i. an adhesive that is able to to direct the released during the catalytic reaction electrons. This carries the fact that, as mentioned above, it is an essential task the bipolar separators is the one generated in the unit cells derive electrical power. Since large currents can occur here, is one possible extensive reduction of the contact resistance between the channel plates, from which the bipolar separator is constructed, desirable.

Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines elektronisch leitfähigen Klebemittels kann der Kontaktwiderstand zwischen den Kanalplatten weiter reduziert werden, indem die Klebefläche, d.h. die mit Klebemittel benetzte Fläche, möglichst weitgehend reduziert wird. Eine untere Grenze ist dabei selbstverständlich die zur Aufbringung der erforderlichen Haftkraft notwendige Klebefläche. Günstigerweise erfolgt die Verklebung in diesem Fall an dichtungsrelevanten Stellen. Dies sind günstigerweise die Stege, welche die rinnenartigen Kanalabschnitte des Kühlmittel-Kanalsystems begrenzen. Im Fall, dass Durchbrüche durch die Kanalplatten zur Leitung eines Mediums vorgesehen sind, kann die Verklebung auch ringförmig um einen solchen Durchbruch erfolgen.alternative or additionally for use of an electronically conductive adhesive, the contact resistance be further reduced between the channel plates by the adhesive surface, i. the surface wetted with adhesive, preferably is largely reduced. A lower limit is of course the Adhesive surface necessary for applying the required adhesion. Conveniently the bonding in this case at sealing relevant points. This are conveniently the webs, which the channel-like channel portions of the coolant channel system limit. In case of breakthroughs are provided by the channel plates for conducting a medium, The bond can also be ring-shaped to make such a breakthrough.

Bei einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bipolarseparators ist vorgesehen, dass eine der Kanalplatten eine das Kühlmittel-Kanalsystem rahmenartig umgebende Nut aufweist, in welche ein umlaufender Vorsprung der anderen Nut eingreift. Diese Maßnahme dient nicht nur der leichteren Ausrichtbarkeit der einzelnen Kanalplatten zur passgenauen Verbindung, sondern stellt auch eine zusätzliche Dichtungsmaßnahme her.at a cheap one Further development of the bipolar separator according to the invention it is envisaged that one of the channel plates a the coolant channel system having a frame-like surrounding groove, in which a circumferential projection engages the other groove. This measure is not just for the easier alignment of the individual channel plates for precise fitting Connection, but also produces an additional sealing measure.

Auf ähnliche Weise kann im Fall, dass die Kanalplatten miteinander korrespondierende Durchbrüche zur Leitung eines Mediums normal zu ihrer Hauptebene aufweisen, vorgesehen sein, dass die Öffnung jedes Durchbruchs in der der anderen Kanalplatte zugewandeten Plattenfläche einer Kanalplatte von einer ringförmigen Nut umgeben ist, in welche ein entsprechender, umlaufender Vorsprung der anderen Kanalplatte eingreift. Auch hierdurch werden die Ausrichtbarkeit der zu verbindenden Kanalplatten verbessert und gleichzeitig die Dichtung des entsprechenden Durchbruchs gewährleistet.Similarly, in the event that the channel plates have mutually corresponding apertures for conducting a medium normal to their main plane, it may be provided that the aperture of each aperture in the other Ka Nalplatte facing plate surface of a channel plate is surrounded by an annular groove, into which engages a corresponding, circumferential projection of the other channel plate. This also improves the alignability of the channel plates to be joined and at the same time ensures the seal of the corresponding breakthrough.

Für beide vorgenannten Ausführungsformen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kanalplatten im Eingriffsbereich des Vorsprungs in die Nut miteinander verklebt sind. Dies stellt zum einen eine zusätzliche Dichtungsmaßnahme dar; zum anderen kann die mit Klebemittel benetzte Querschnittsfläche weiter reduziert werden ohne die Haftkraft, welche die beiden Kanalplatten zusammenhält, zu reduzieren. Die Nutwände und die mit ihnen verklebten Außenflächen des korrespondierenden Vorsprungs sind nämlich im Wesentlichen normal zur Hauptebene der Kanalplatten ausgerichtet. Eine elektrische Isolierung dieser Flächen durch ein nicht leitfähiges Klebemittel trägt daher nur geringfügig zur Verringerung des insgesamt leitenden Querschnitts bei. Für die Haftkraft hingegen ist die mit Klebemittel benetzte Gesamtfläche (nicht nur parallel zur Plattenfläche) relevant. Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbindung der Kanalplatten kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen den Kanalplatten im Bereich des Kühlmittel-Kanalsystems eine Zwischenlage eines elastischen, elektronisch leitfähigen Materials derart angeordnet ist, dass sie die beiden Kanalplatten kontaktiert.For both aforementioned embodiments it is particularly advantageous if the channel plates in the engagement area of the projection are glued together in the groove. This poses on the one hand, an additional one sealing action group; on the other hand, the wetted with adhesive cross-sectional area can be further reduced be reduced without the adhesive force holding the two channel plates together. The groove walls and the outer surfaces of the namely corresponding projection are essentially normal aligned to the main plane of the channel plates. An electrical insulation of this surfaces through a non-conductive Adhesive carries therefore only slightly to reduce the overall conductive cross section. For the adhesive power, however is the total area wetted with adhesive (not just parallel to the Plate area) relevant. Independently from the special design of the cohesive connection of the channel plates can be provided in an advantageous embodiment of the invention be that between the channel plates in the area of the coolant channel system an intermediate layer of an elastic, electronically conductive material is arranged so that it contacts the two channel plates.

Diese Maßnahme dient der weiteren Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen den Kanalplatten. In denjenigen Bereichen, in welchen kein Stoffschluss zwischen den Kanalplatten erfolgt, kann es aufgrund der Rauhigkeit der Kanalplatten-Oberflächen zu erheblichen Kontaktwiderständen kommen. Diese sind, wie oben erläutert, unerwünscht. Die Einlagerung einer elastischen, elektronisch leitfähigen Zwischenlage ist hingegen geeignet, diese Unebenheiten aufgrund ihrer Elastizität auszugleichen und einen optimierten Kontakt zwischen den Kanalplatten herzustellen.These measure serves to further reduce the contact resistance between the channel plates. In those areas in which no material connection between the channel plates, it may be due to roughness the channel plate surfaces to considerable contact resistance come. These are, as explained above, undesirable. The storage of an elastic, electronically conductive intermediate layer On the other hand, it is suitable to compensate for these irregularities due to their elasticity and to produce an optimized contact between the channel plates.

Um zu verhindern, dass die Zwischenlage die rinnenartigen Kanalabschnitte des Kühlmittel-Kanalsystems verlegt und den Kühlmittelfluss hemmt, kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Form der Zwischenlage auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist. Im Bereich der Rinnen kommt nämlich ohnehin kein Kontakt zwischen den Kanalplatten zustande. Die Zwischenlage erfüllt hier also keine leitfähigkeitsrelevante Aufgabe. Es ist daher günstig, die Zwischenlage auf die für den elektrischen Kontakt relevanten Bereich, d.h. die Stege zwischen den und/oder um die Rinnen zu beschränken.Around to prevent the liner from the gutter-like channel sections of the coolant channel system misplaced and the coolant flow inhibits, may be provided in an advantageous development, that the shape of the intermediate layer matched to the arrangement of the webs is. In the area of gutters, there is no contact anyway between the channel plates. The liner meets here So no conductivity relevant Task. It is therefore convenient the liner on the for the electrical contact relevant area, i. the bridges between the and / or around the gutters.

Günstigerweise ist die Zwischenlage ein Gewebe oder Vlies aus Kohlenstoff. Eine solche Zwischenlage erfüllt sowohl die Anforderungen an die Leitfähigkeit wie auch an die Elastizität zur Sicherstellung des Kontaktes.conveniently, the liner is a woven or non-woven carbon. A fulfilled such intermediate position both the requirements of the conductivity as well as the elasticity to ensure of contact.

Da die Dicke der Zwischenlage im Allgemeinen nicht in der Größenordnung der Rauigkeit der zu verbindenden Flächen liegt, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Stege niedriger ausgeführt sind als ein das Kühlmittel-Kanalsystem umgebender Bereich der entsprechenden Kanalplatte. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Zwischenlage als „Abstandshalter" zwischen den Kanalplatten wirkt und einen Kontakt zwischen den Randbereichen der Kanalplatten verhindert.There the thickness of the liner is generally not of the order of magnitude the roughness of the surfaces to be joined, is in an advantageous development the invention provided that the webs are made lower as a the coolant channel system surrounding area of the corresponding channel plate. In this way prevents the liner as a "spacer" between the channel plates acts and makes contact between the edge areas of the channel plates prevented.

Umgekehrt kann im Fall, dass nur eine Kanalplatte ein Kühlmittel-Kanalsystem aufweist, vorgesehen sein, dass der entsprechende Bereich der anderen Kanalplatte gegenüber ihrem Randbereich flächig vertieft ist.Vice versa in the case where only one channel plate has a coolant channel system, be provided that the corresponding area of the other channel plate across from its edge area flat is deepened.

Insbesondere im Fall einer Zwischenlage deren Form auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist, kann es weiter vorteilhaft sein, anstelle der vorgenannten flächigen Vertiefung der anderen Kanalplatte vorzusehen, dass die den Stegen entsprechenden Bereich der anderen Kanalplatte vertieft sind. Dies ist auch für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bipolarseparators vorteilhaft, da die in ihrer Form auf die Anordnung der Stege abgestimmte Zwischenlage passgenau in entsprechende Nuten der anderen Kanalplatte eingelegt werden kann. Der elektrische Kontakt erfolgt dann über die Stege, welche in die Nuten eingreifen und die Zwischenlage komprimieren.Especially in the case of an intermediate whose shape on the arrangement of the webs is tuned, it may be further advantageous, instead of the aforementioned flat Recess of the other channel plate provide that the webs corresponding area of the other channel plate are recessed. This is also for the production of the bipolar separator according to the invention is advantageous, because the in their form matched to the arrangement of the webs interleaving fit be inserted into corresponding grooves of the other channel plate can. The electrical contact then takes place via the webs, which in the grooves engage and compress the liner.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen, in denenFurther Advantages of the invention will become apparent from the following specific Description as well as the drawings in which

1: schematisch den inneren Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarseparatoren darstellt, 1 FIG. 2 schematically shows the internal structure of a fuel cell stack using the bipolar separators according to the invention, FIG.

2: schematisch eine besonders günstige Ausführungsform der dichtenden Verklebung zweier Kanalplatten zu einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte darstellt, 2 FIG. 2 schematically shows a particularly favorable embodiment of the sealing bonding of two channel plates to a bipolar plate according to the invention, FIG.

3: schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bipolarseparators mit Kontaktvlies darstellt. 3 FIG. 2 schematically illustrates different embodiments of a bipolar separator according to the invention with contact fleece.

1 zeigt schematisch und beispielhaft den inneren Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks unter Verwendung erfindungsgemäßer Bipolarseparatoren 10. Jeder Bipolarseparator 10 ist aus zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Kanalplatten 11 und 12 aufgebaut. Zwischen zwei Bipolarseparatoren 10 ist jeweils eine MEAs 20 angeordnet. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Polymermembran 21, die zumindest in ihrem inneren, aktiven Bereich innenleitfähig ist sowie aus beidseitig angebrachten Elektrodenstrukturen 22 und 23. Der konkrete Aufbau der MEAs ist für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, weshalb auf ihn nicht näher eingegangen werden soll. 1 shows schematically and by way of example the internal structure of a fuel cell stack using bipolar separators according to the invention 10 , Each bipolar separator 10 is from two cohesively interconnected channel plates 11 and 12 built up. Between two bipolar separators 10 is each an MEAs 20 arranged. They essentially consist of a polymer membrane 21 which is conductive at least in its inner, active region as well as on both sides attached electrode structures 22 and 23 , The concrete structure of the MEAs is not relevant to the present invention, which is why it should not be discussed in detail.

Im inneren Bereich ihrer Außenflächen weisen die Bipolarseparatoren 10 wenigstens teilweise offene, rinnenartige Kanalstrukturen 18 bzw. 19 auf, durch welche ein Reaktionsgas der jeweils benachbarten Elektrode zugeführt wird.In the inner area of their outer surfaces, the Bipolarseparatoren 10 at least partially open, channel-like channel structures 18 respectively. 19 on, through which a reaction gas is supplied to the respective adjacent electrode.

In 1 nicht erkennbar ist ein weiteres Kanalsystem, welches im inneren jedes Bipolarseparators 10 liegt und das der Zu- und Abfuhr sowie der Verteilung von Kühlmittel dient.In 1 not recognizable is another channel system, which inside each Bipolarseparators 10 and which serves for the supply and removal as well as the distribution of coolant.

Die Einspeisung von Reaktionsgasen und Kühlmittel von außen kann entweder für jeden Bipolarseparator 10 einzeln oder mittels eines die Bipolarseparatoren 10 und MEAs 20 durchsetzenden Leitungssystems längs der Stack-Achse erfolgen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind zur Einspeisung und Abführung von Kühlmittel externe Leitungen 30a und 30b vorgesehen, welche mit jedem der Bipolarseparatoren verbunden sind, wie durch die Pfeile 31a und 31b angedeutet. Für die Zu- und Abführung von Brenngas sind Leitungen 32a und 32b vorgesehen, welche die Bipolarseparatoren 10 und MEAs 20 längs der Stack-Achse durchsetzen. Die Verbindung zu den jeweiligen Kanalsystemen auf einer der Außenflächen jedes Bipolarseparators ist in 1 nicht dargestellt. Auf ähnliche Weise ist die Zu- und Ableitung von Oxidanzgas mittels der gestrichelt angedeuteten Kanäle 33a und 33b vorgesehen.The feed of reaction gases and coolant from the outside can either for each Bipolarseparator 10 individually or by means of the bipolar separators 10 and MEAs 20 enforcing line system along the stack axis. At the in 1 embodiment shown are for feeding and discharge of coolant external lines 30a and 30b provided which are connected to each of the Bipolarseparatoren, as shown by the arrows 31a and 31b indicated. For the supply and discharge of fuel gas are lines 32a and 32b provided, which the bipolar separators 10 and MEAs 20 enforce along the stack axis. The connection to the respective channel systems on one of the outer surfaces of each bipolar separator is in 1 not shown. Similarly, the supply and discharge of oxidant gas by means of the dashed lines indicated channels 33a and 33b intended.

2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus zwei Kanalplatten 11 und 12, im Bereich einer normal zur Plattenfläche ausgerichteten Kanaldurchführung 34. Die Durchführung 34 in der Kanalplatte 11 ist von einem ringförmigen Vorsprung 13 umgeben, welcher beim Zusammenfügen der Kanalplatten 11 und 12 in eine korrespondierende Nut 14 der Kanalplatte 12 eingreift. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Verklebung der Kanalplatten 11 und 12 im Bereich des Eingriffs des Vorsprungs 13 in die Nut 14. Hierzu kann bei der Verklebung Klebemittel in die Nut 14 eingebracht werden, welches die Innenwände der Nut 14 mit den Außenflächen des Vorsprungs 13 stoffschlüssig verbindet. Auf diese Weise wird, im Fall, dass nicht-leitfähiges Klebemittel verwendet wird, nur eine relativ kleine Querschnittsfläche des gesamten Bipolarseparators 10, nämlich nur die dem Nutboden entsprechende Fläche, elektrisch isoliert. Zur Haftkraft zwischen den beiden Kanalplatten 11 und 12 tragen hingegen auch die senkrecht zur Kanalplatten-Hauptebene ausgerichteten Flächen der Nut 14 und des Vorsprungs 13 bei. 2 schematically shows a section of two channel plates 11 and 12 , in the area of a channel feedthrough that is normal to the plate surface 34 , The implementation 34 in the channel plate 11 is from an annular projection 13 surrounded, which when joining the channel plates 11 and 12 in a corresponding groove 14 the channel plate 12 intervenes. In the preferred embodiment, an adhesion of the channel plates takes place 11 and 12 in the area of the engagement of the projection 13 in the groove 14 , For this purpose, in the adhesive bonding in the groove 14 be introduced, which the inner walls of the groove 14 with the outer surfaces of the projection 13 cohesively connects. In this way, in the case that non-conductive adhesive is used, only a relatively small cross-sectional area of the entire bipolar separator 10 , namely only the surface corresponding to the groove bottom, electrically insulated. To the adhesive force between the two channel plates 11 and 12 On the other hand, the surfaces of the groove aligned perpendicular to the channel plate main plane also carry 14 and the projection 13 at.

Um zu verhindern, dass beim Zusammenfügen der Kanalplatten 11 und 12 überschüssiges Klebemittel zwischen die Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 gepresst wird, ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ein erweiterter Nutrand 15 vorgesehen, in welchem überschüssiges Klebemittel aufgenommen werden kann.To prevent that when joining the channel plates 11 and 12 excess adhesive between the plate surfaces of the channel plates 11 and 12 is pressed at the in 2 shown embodiment, an extended groove edge 15 provided, in which excess adhesive can be absorbed.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kanalplatten 11 und 12 mit Vorsprung 13 und korrespondierender Nut 14 (ggf. mit erweitertem Nutrand 15) ermöglicht daher auf einfache Weise eine passgenaue und kraftvolle Verbindung der Kanalplatten 11 und 12 bei gleichzeitiger, sicherer Abdichtung der Durchführung 34. Das Nut/Vorsprung-Konzept wurde der Anschaulichkeit halber in 2 lediglich am Beispiel einer eine Kanaldurchführung 34 umgebenden Nut 14 dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass ein vergleichbares Nut/Vorsprung-System ein zwischen den einander zugewandten Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 angeordnetes Kühlmittel-Verteilungssystem (Kanalsystem) rahmenartig umgibt, um es beispielsweise gegen außen angeordnete Kanaldurchführungen (siehe z.B. 1) sowie die Umgebung abzudichten und gleichzeitig festen, stoffschlüssigen Zusammenhalt der Kanalplatten 11 und 12 zu gewährleisten.The inventive design of the channel plates 11 and 12 with a lead 13 and corresponding groove 14 (possibly with extended Nutrand 15 ) therefore allows a simple way a tailor-made and powerful connection of the channel plates 11 and 12 with simultaneous, secure sealing of the bushing 34 , The groove / projection concept has been incorporated in for the sake of clarity 2 only by the example of a channel feedthrough 34 surrounding groove 14 shown. In other embodiments of the invention may alternatively or additionally be provided that a similar groove / projection system between the facing plate surfaces of the channel plates 11 and 12 arranged coolant distribution system (channel system) surrounds like a frame to, for example, against externally disposed duct penetrations (see, eg 1 ) as well as to seal the environment and at the same time firm, cohesive cohesion of the channel plates 11 and 12 to ensure.

3 zeigt schematisch verschiedene Ausführungsformen einer Maßnahme zur Reduzierung der elektronischen Kontaktwiderstände zwischen den Kanalplatten 11 und 12. Allen Ausführungsbeispielen a) bis e) liegt das Konzept zugrunde, zwischen den miteinander verbundenen Kanalplatten eine elektronisch leitfähige, elastische Zwischenlage 40 vorzusehen, die geeignet ist, Unebenheiten und/oder Rauigkeiten der einander zugewandten Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 zu kompensieren und damit den Kontaktwiderstand zwischen den Kanalplatten 11 und 12 zu reduzieren. Bei allen in 3 gezeigten Ausführungsformen ist lediglich die eine Kanalplatte 11 beidseitig mit einem wenigstens teilweise offenen Kanalsystem 17a bzw. 17b ausgestattet. Die zweite Kanalplatte 12 weist hingegen lediglich auf der der benachbarten MEA zugewandten Fläche eine Kanalstruktur 19 zur Zuführung und Verteilung des entsprechenden Reaktionsgases auf. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass beide Kanalplatten 11 und 12 an ihren einander zugewandten Flächen ein entsprechendes Kanalsystem aufweisen. Insbesondere könnten die Kanalplatten 11 und 12 im Wesentlichen baugleich ausgeführt werden. 3 schematically shows various embodiments of a measure for reducing the electronic contact resistance between the channel plates 11 and 12 , All embodiments a) to e) are based on the concept of an electrically conductive, elastic intermediate layer between the interconnected channel plates 40 to provide, which is suitable, unevenness and / or roughness of the facing plate surfaces of the channel plates 11 and 12 to compensate for and thus the contact resistance between the channel plates 11 and 12 to reduce. At all in 3 shown embodiments, only the one channel plate 11 on both sides with an at least partially open channel system 17a respectively. 17b fitted. The second channel plate 12 on the other hand, only has a channel structure on the surface facing the adjacent MEA 19 for supplying and distributing the corresponding reaction gas. Of course, it is also possible that both channel plates 11 and 12 have on their facing surfaces a corresponding channel system. In particular, the channel plates could 11 and 12 be carried out substantially identical.

3a zeigt eine besonders einfache Ausführungsform, bei der die Zwischenlage 40a, die vorzugsweise aus einem Gewebe oder Vlies aus Kohlenstoff besteht, flächig ausgeführt ist und zwischen die Kanalstruktur 17a und die gegenüberliegende im Wesentlichen glatte Fläche 16a der Kanalplatte 12 gepresst wird. Diese Ausführungsform ist wirksam, kann jedoch unter Umständen den Nachteil haben, dass Fasern der Zwischenlage 40a Gräben der Kanalstruktur 17 verengen oder sogar verlegen. 3a shows a particularly simple off guide, in which the liner 40a , which is preferably made of a fabric or non-woven of carbon, is made flat and between the channel structure 17a and the opposite substantially smooth surface 16a the channel plate 12 is pressed. This embodiment is effective, but may have the disadvantage that fibers of the liner 40a Trenches of the canal structure 17 constrict or even misplace.

Dem kann beispielsweise durch eine Ausführungsform gemäß 3b entgegen gewirkt werden. Hierbei ist die Form der Zwischenlage 40b auf die Anordnung der Stege der Kanalstruktur 17a abgestimmt. Im Bereich der Gräben, wo ohnehin kein elektrischer Kontakt zwischen den Kanalplatten 11 und 12 zustande kommt, ist die Zwischenlage nicht erforderlich. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Gräben der Kanalstruktur 17a durch Fasern der Zwischenlage 40b verlegt werden.This can be done, for example, by an embodiment according to 3b counteracted. Here is the shape of the liner 40b on the arrangement of the webs of the channel structure 17a Voted. In the area of the trenches, where anyway no electrical contact between the channel plates 11 and 12 comes about, the intermediate layer is not required. In this way, it can be avoided that the trenches of the canal structure 17a by fibers of the intermediate layer 40b be moved.

Zur passgenaueren Ausführung und leichteren Montage einer derartigen formabgestimmten Zwischenlage 40b kann, wie in 3c dargestellt, vorgesehen sein, dass die Kanalplatte 12 anstelle einer glatten Innenfläche 16a Nuten 16b aufweist, welche den Stegen der Kanalstruktur 17a der Kanalplatte 11 entsprechen. In diese Nuten kann die formabgestimmte Zwischenlage 40b eingelegt werden. Bei der stoffschlüssigen Verbindung der Kanalplatten greifen die Stege der Kanalstruktur 17a dann über die Zwischenlage 40b in die Nuten 16b ein.For more accurate execution and easier installation of such a form-fitting intermediate layer 40b can, as in 3c illustrated, be provided that the channel plate 12 instead of a smooth inner surface 16a groove 16b having the webs of the channel structure 17a the channel plate 11 correspond. In these grooves, the form-fitting liner 40b be inserted. In the cohesive connection of the channel plates, the webs of the channel structure 17a then over the liner 40b into the grooves 16b one.

3d zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kanalplatte 12 anstelle der glatten Innenfläche 16a eine flächige Vertiefung 16c aufweist, in welche die Zwischenlage 40a passgenau eingelegt werden kann. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere bei einer flächigen Zwischenlage 40a an, kann aber selbstverständlich auch für eine formabgestimmte Zwischenlage 40b verwendet werden. 3d shows an embodiment in which the channel plate 12 instead of the smooth inner surface 16a a flat depression 16c in which the intermediate layer 40a can be inserted accurately. This embodiment is particularly suitable for a flat intermediate layer 40a of course, but of course also for a form-coordinated liner 40b be used.

3e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Stege der Kanalstruktur 17b in deren Innenbereich gegenüber dem Außenbereich geringfügig vertieft sind. Das Beispiel von 3e stellt damit eine Komplementärform des Beispiels von 3d dar. Die Ausführungsform von 3e bietet sich insbesondere bei Verwendung einer formabgestimmten Zwischenlage 40b an. 3e shows a further embodiment in which the webs of the channel structure 17b are slightly recessed in the interior compared to the outside area. The example of 3e thus represents a complementary form of the example of 3d dar. The embodiment of 3e is particularly useful when using a form-fitting liner 40b at.

Natürlich stellen die im Rahmen der speziellen Beschreibung und der Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen lediglich illustrative Beispiele der Erfindung dar. Insbesondere die spezielle Ausgestaltung der Kanalstrukturen, die Zu- und Ableitung von Kühlmittel und/oder Reaktionsgasen sowie der sonstige Aufbau des Brennstoffzellen-Stacks können vom Fachmann für die Bedürfnisse des Einzelfalls angepasst werden. Hinsichtlich der Materialwahl für den eingesetzten Klebstoff hat der Fachmann ein breites Spektrum zur Verfügung.Of course, ask the embodiments illustrated in the context of the specific description and the drawings merely illustrative examples of the invention. In particular the special design of the channel structures, the supply and discharge of coolant and / or reaction gases and the other structure of the fuel cell stack can from the expert for needs be adapted to the individual case. Regarding the choice of material for the used Adhesive, the expert has a wide range available.

Claims

A bipolar separator for the electronically conductive, gas- and liquid-tight separation of a first membrane-electrode assembly (MEA) from a second, the first adjacent MEA of a fuel cell stack, comprising - a first channel plate ( 11 ) with a first plate surface facing the first MEA, which has an at least partially open fuel gas channel system ( 18 ) for supplying the first MEA with a fuel gas, and - a second, the first channel plate ( 11 ) adjacent channel plate ( 12 ) with a second plate surface facing the second MEA, which has an at least partially open oxidant channel system ( 19 ) for supplying the second MEA with an oxidant gas, at least one of the channel plates ( 11 . 12 ) in their respective other channel plate ( 12 . 11 ) at least partially open coolant channel system ( 17a ; 17b ) for conducting a coolant, characterized in that the channel plates ( 11 . 12 ) are cohesively connected to one another in the region of their mutually facing plate surfaces.

Bipolar separator according to claim 1, characterized in that the channel plates ( 11 . 12 ) are glued together.

Bipolar separator according to claim 2, characterized in that the channel plates ( 11 . 12 ) are glued by means of an electronically conductive adhesive.

Bipolar separator according to one of claims 2 or 3, characterized in that the at least partially open coolant channel system comprises channel-like channel sections and these limiting webs and the channel plates ( 11 . 12 ) are glued in the region of the webs.

Bipolar separator according to one of the preceding claims, characterized in that one of the channel plates ( 11 ) a the coolant channel system ( 17a . 17b ) has a frame-like surrounding groove, in which engages a circumferential projection of the other channel plate.

Bipolar separator according to one of the preceding claims, characterized in that the channel plates ( 11 . 12 ) corresponding breakthroughs ( 34 ) for conducting a medium normal to its main plane, the opening of each aperture ( 34 ) in the other Kanalplat te ( 11 ) facing plate surface of a channel plate ( 12 ) of an annular groove ( 14 ), into which a corresponding, circumferential projection ( 13 ) engages the other channel plate.

Bipolar separator according to one of claims 5 or 6, characterized in that the channel plates ( 11 . 12 ) in the engagement area of the projection ( 13 ) into the groove ( 14 ) are glued together.

Bipolar separator according to claim 7, characterized in that the grooves ( 14 ) in its peripheral area an extension ( 15 ) have to absorb excess adhesive.

Bipolar separator according to one of the preceding claims, characterized in that between the cohesively interconnected channel plates ( 11 . 12 ) in the area of the coolant channel system ( 17a . 17b ) an intermediate layer ( 40a ; 40b ) of an elastic, electronically conductive material is arranged such that they both channel plates ( 11 . 12 ) contacted.

Bipolar separator according to claim 9, characterized in that the at least partially open coolant channel system ( 17a ; 17b ) channel-like channel sections and these limiting webs and the shape of the intermediate layer ( 40b ) is matched to the arrangement of the webs.

Bipolar separator according to one of claims 9 or 10, characterized in that the intermediate layer ( 40a ; 40b ) comprises a carbon fabric, paper or web.

Bipolar separator according to one of claims 9 to 11, characterized in that the at least partially open coolant channel system ( 17b ) channel-like channel sections and these limiting webs and the webs are made lower than a the coolant channel system ( 17b ) surrounding area of the corresponding channel plate ( 11 ).

Bipolar separator according to one of Claims 9 to 12, characterized in that only one channel plate ( 11 ) a coolant channel system ( 17a ) and the corresponding area ( 16c ) of the other channel plate ( 12 ) is deepened surface over its edge area.

Bipolar separator according to one of Claims 9 to 12, characterized in that only one channel plate ( 11 ) a coolant channel system ( 17a ), comprising gutter-like channel sections and these limiting webs, and the areas corresponding to the webs ( 16b ) of the other channel plate are recessed against its edge region.