EP4375608A1 - Energieleitplatte für einen wärmetauscher oder für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

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EP4375608A1
EP4375608A1 EP23211355.5A EP23211355A EP4375608A1 EP 4375608 A1 EP4375608 A1 EP 4375608A1 EP 23211355 A EP23211355 A EP 23211355A EP 4375608 A1 EP4375608 A1 EP 4375608A1
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EP
European Patent Office
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metal layer
conducting plate
energy
energy conducting
layer
Prior art date
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Pending
Application number
EP23211355.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Angel Lopez
Bernd Lehmann
Carina Franken
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Micrometal GmbH
Wickeder Westgalenstahl GmbH
Original Assignee
Micrometal GmbH
Wickeder Westgalenstahl GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE202022106979.4U external-priority patent/DE202022106979U1/de
Application filed by Micrometal GmbH, Wickeder Westgalenstahl GmbH filed Critical Micrometal GmbH
Publication of EP4375608A1 publication Critical patent/EP4375608A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding
    • F28F2275/061—Fastening; Joining by welding by diffusion bonding

Definitions

  • the invention relates to an energy conducting plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack.
  • Heat exchangers of the type of interest here are in particular heat exchangers for electronic components that produce heat during use and must be cooled passively or actively.
  • the heat exchanger can have an energy conduction plate that is connected to the component to be cooled on one side, with the opposite side being provided with a deep structure to form an enlarged cooling surface and, if necessary, to conduct a fluid to absorb thermal energy.
  • the fluid used is usually water or a combination of water and glycol. Gases can also be used for cooling.
  • the side of the energy conduction plate with the deep structure is usually connected to another plate in order to form a laterally open structure of channels for conducting the fluid from the deep structure.
  • the energy conduction plate for heat exchangers is therefore designed to conduct thermal energy.
  • Bipolar plates and end plates also known as current collectors or cover plates, are components for use in fuel cell stacks, which, when layered, form important components of a fuel cell system.
  • the fuel cell has a membrane electrode unit, whereby the electrical outputs of several membrane electrode units arranged in the stack are added together. Between two membrane electrode units of a A bipolar plate is arranged in each fuel cell stack. The end plates mentioned are then arranged at the outer ends of the fuel cell stack and are connected on one side to the outer fuel cell.
  • the main task of the bipolar plate in a fuel cell stack is to physically and electrically connect the anode of one cell to the cathode of the neighboring cell.
  • the bipolar plate is also responsible for guiding the reaction gases into the reaction zone. For this purpose, flow profiles are milled or pressed into the plates on both sides as depth profiles, through which hydrogen flows on one side and air on the other.
  • a bipolar plate therefore consists of the two poles, hence the name bipolar, i.e. the hydrogen-carrying negatively charged anode plate and the positively charged cathode plate for the supply of the reaction air.
  • the plates also regulate the removal of water vapor and the conduction of thermal and electrical energy.
  • the end plates at the ends of the fuel cell stack perform the same tasks.
  • bipolar plates and end plates are not only responsible for the electrical connection of the fuel cells and the distribution of gases over the plate surface, but also for gas separation between adjacent cells, cooling and sealing to the outside.
  • the bipolar plate and the end plate can also be understood as the energy conducting plates mentioned above, whereby the energy conducting plate is intended for the conduction of both thermal energy and electrical energy.
  • the previously described energy conducting plates for a heat exchanger or for a fuel cell stack are usually made of stainless steel to ensure sufficient rigidity, corrosion resistance and pressure resistance.
  • the stainless steel material can be connected to other components, for example in a fuel cell stack with the other components of the stack.
  • the deep structures of the energy conducting plate are embossed by forming such as deep drawing or created by chemical etching.
  • stainless steel has the disadvantage of lower energy conductivity compared to other materials such as copper or aluminum, which in turn have lower stability properties than stainless steel.
  • the present invention is based on the technical problem of further improving the energy conducting plate mentioned at the beginning.
  • an energy conducting plate for a heat exchanger or for a fuel cell stack with a first outer metal layer, with a second outer metal layer and with a third middle metal layer, wherein the metal layers are plated with one another, wherein the first metal layer and the second metal layer consist of a metal with increased rigidity, corrosion resistance and/or pressure resistance compared to the third metal layer, wherein the third metal layer consists of a metal with increased energy conductivity compared to the first metal layer and compared to the second metal layer, wherein the thickness of the first metal layer is greater than the thickness of the second metal layer, wherein the first metal layer has a deep structure open to the outside for receiving a fluid and wherein the volume of the thicker first metal layer with the recessed sections of the deep structure is substantially the same as the volume of the second layer.
  • the volume of the first metal layer is calculated from the volume of the existing material without the introduced deep structure.
  • the free volume of the deep structure is therefore not added to the volume of the thicker first metal layer.
  • the plated composite of the three metal layers of the energy conducting plate according to the invention has a higher conductivity portion of the third metal layer compared to the described prior art.
  • the energy conductivity, i.e. the thermal conductivity and/or the electrical conductivity, of the third metal layer leads to an improved energy conductivity of the entire composite of the energy conducting plate.
  • the energy conducting plate is characterized by an asymmetrical distribution of the layer thicknesses. This asymmetry serves on the one hand to enable the first metal layer to be designed with a sufficiently voluminous deep structure and on the other hand to ensure a low thickness of the entire composite while simultaneously forming the more conductive middle metal layer through a lower thickness of the second metal layer.
  • the metal layers have different thermal expansion coefficients, the asymmetrical distribution of the layer thicknesses can lead to a deformation of the energy conducting plate under varying thermal loads.
  • This effect is solved according to the invention by the further measure of the essentially equal volumes of the first metal layer and the second metal layer.
  • the equal volumes result in essentially equal thermal volume changes of the first metal layer and the second metal layer.
  • Essentially equal volumes and essentially equal volume changes mean that small deviations in the volumes are also included, which can be adequately compensated by the rigidity of the entire plated composite.
  • the volume of the first layer and the volume of the second layer can differ from each other by less than 10%, in particular less than 5%.
  • the deviations are preferably in a range of 2 to 10%.
  • the first metal layer and the second metal layer consist of a steel, of stainless steel, of 1.4404 or 1.4760, of titanium or of a titanium alloy, of niobium, of tantalum or of aluminum (with or without an anodizing layer).
  • the outer layer can consist of aluminum oxide, for example, since the outer layer represents a corrosion-resistant but conductive component in heat exchangers.
  • the third metal layer consists of copper, a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy.
  • the third metal layer is made of copper
  • the first metal layer and possibly the second metal layer can be made of aluminum.
  • a further preferred embodiment of the energy conducting plate is that the depth structure of the first metal layer represents a first depth structure, that the second metal layer has a second depth structure that is open to the outside for receiving a fluid, and that the volume of the thicker first metal layer with the recessed sections of the first depth structure is essentially the same size as the volume of the second layer with the recessed second depth structure.
  • the energy conducting plate therefore also has a depth structure on the outside of the second metal layer. This is less extensive and leads to a smaller reduction in volume than the first depth structure of the first metal layer.
  • Such an energy conducting plate is particularly suitable for use as part of a bipolar plate by connecting two identical energy conducting plates with their second metal layers so that channels for a coolant are formed by the second deep structures aligned with each other. while the first deep structures of the respective first metal layers form channels for the supply of hydrogen gas or air.
  • the connection of two energy conducting plates at their second metal layers can be achieved by sintering, diffusion bonding, pressing, screwing or welding.
  • the first deep structure and/or possibly the second deep structure are produced by means of an etching process.
  • known etching techniques are used in order to enable an exact and burr-free formation of the deep structure.
  • etching the deep structure are a greater number of degrees of freedom in terms of geometry.
  • curved or meandering depressions can also be created by etching. Wavy structures are also possible to increase the surface area.
  • the deep structures can be designed as tapered and widened structures. This means that when the medium flows through the deep structures, turbulence in the flowing medium and better heat absorption can be caused by applying the Venturi effect. This is because the turbulence creates smaller diffusion boundary layers and smaller flow resistances.
  • passages can be created through the energy conducting plate by etching, so that a three-dimensional passage through the energy conducting plate can connect the deep structures on both sides of the energy conducting plate. This reduces the inflow and outflow structures on both sides, which reduces the technical effort.
  • the deep structures can additionally or alternatively be designed three-dimensionally by electroforming or laser structuring.
  • the deep structures explained above are used to conduct fluids, which, depending on the application, can be liquids such as water or water/glycol or gases.
  • the technical problem outlined above is also solved by a heat exchanger with a previously described energy conducting plate, wherein the second metal layer is suitable for being connected to a component to be cooled, in particular an electronic component to be cooled, and wherein the energy conducting plate conducts thermal energy away from the component to be cooled.
  • the advantageous design of the energy conduction plate described above can therefore be used particularly in the field of electronics.
  • the improved thermal conductivity of the third metal layer can be exploited.
  • a fuel cell stack with two end plates, with at least two membrane electrode units each consisting of an anode, a membrane and a cathode, with at least one bipolar plate arranged between two membrane electrode units, wherein at least one of the end plates has an energy conducting plate as described above and/or wherein the at least one bipolar plate has an energy conducting plate as described above.
  • the advantageous design of the energy conduction plate described above can therefore be used particularly in the area of fuel cell stacks.
  • the improved thermal conductivity of the third metal layer can be exploited.
  • At least one bipolar plate can be composed of two energy-conducting plates, which are connected to one another with their second metal layers, in particular by sintering, diffusion bonding or welding. This results in an improved, more stable and better energy-conducting structure of the fuel cell stack.
  • plating is understood to mean a connection through adhesive bonding with atomic diffusion, i.e. a bond between two bonding partners in which a transition layer is formed as a bonding zone through atomic diffusion of the materials of the bonding partners, over which a continuous adjustment of the material properties takes place.
  • the adhesive bond with atomic diffusion is therefore created by the formation of the transition layer between the layers.
  • the atoms of the bonding partners are gradually mixed; the formation of a bond occurs through exchange processes (diffusion) in the transition layer, also called the bonding zone.
  • This transition layer reduces internal stresses.
  • the extent of the transition zone depends on the bonding partners used, in particular the diffusion properties of the materials involved.
  • analyses using various methods can be applied. These methods include optical light microscopy, transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), secondary ion mass spectrometry (SIMS) and analyses of microhardness profiles.
  • TEM transmission electron microscopy
  • SEM scanning electron microscopy
  • EDS energy dispersive X-ray spectroscopy
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • Such a bond is also referred to as a cladding bond.
  • the two bonding partners are metallic materials and the cladding bond represents a metallic connection of the two bonding partners or cladding partners.
  • the connection of the bonding partners in the cladding bond can be achieved by means of the the aforementioned plating.
  • the plating can be carried out by cold roll plating or hot plating.
  • Fig.1 shows an energy conducting plate 2 for a heat exchanger or for a fuel cell stack.
  • the energy conducting plate 2 has a first outer metal layer 4, a second outer metal layer 6 and a third middle metal layer 8.
  • the Metal layers 4 to 8 are plated together, whereby cold roll plating, hot plating and other plating processes such as explosive plating may have been applied.
  • the first metal layer 4 and the second metal layer 6 further consist of a metal with increased rigidity, corrosion resistance and/or pressure resistance compared to the third metal layer 8.
  • the third metal layer 8 consists of a metal with increased energy conductivity compared to the first metal layer 4 and compared to the second metal layer 6.
  • the thickness of the first metal layer 4 is greater than the thickness of the second metal layer 6.
  • the energy conducting plate 2 has Fig.1 has an asymmetrical structure in relation to the layer thickness. When heated and cooled, changes in shape and bending can therefore occur due to different expansion behavior. In order to compensate for this expected effect, the energy conducting plate 2 is further developed, as Fig.2 shows schematically.
  • the first metal layer 4 has a deep structure 10 that is open to the outside for receiving a fluid.
  • the deep structure 10 has a plurality of upwardly open depressions 12 that are designed to conduct a fluid and are closed from above by another component in one application.
  • the volume of the thicker first metal layer 4 with the recessed sections of the depressions 12 of the deep structure 10 is essentially the same size as the volume of the second layer 6. In this case, deviations in the volumes in the range of a maximum of 10% or a maximum of 5% can occur without these deviations in the volumes of the same size having a technical effect of deformation of the energy conducting plate 2.
  • the first metal layer 4 and the second metal layer 6 consist of a steel, stainless steel, titanium or a titanium alloy, preferably the two metal layers 4 and 6 consist of the same metal. Other metals have been mentioned above.
  • the third metal layer 8 consists of copper, a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy.
  • the two metal layers 4 and 6 have increased rigidity (measured as E-modulus), corrosion resistance and/or pressure resistance compared to the third metal layer.
  • Fig.3 shows schematically a further development of the energy conducting plate according to Fig.2 .
  • the already in Fig.2 The depth structure 10 of the first metal layer 4 shown represents a first depth structure.
  • the second metal layer 6 has a second depth structure 14 that is also open to the outside for receiving a fluid.
  • This depth structure 14 is smaller in volume than the first depth structure 10 and is taken into account in the thickness ratios and the requirement for equal volumes.
  • the volume of the thicker first metal layer 4 with the recessed sections of the first depth structure 10 can be essentially the same size as the volume of the second layer 6 with the recessed second depth structure 14.
  • the previously described first deep structure 10 and second deep structure 14 are preferably produced by means of an etching process after plating the metal layers 4, 6 and 8.
  • the deep structures 10 and 14 can also be produced by deep drawing like most bipolar plates and heat exchanger plates. Electrochemical milling (ECM process) is also suitable for bipolar plates.
  • Fig.4 shows schematically a bipolar plate 20 for a fuel cell stack, which in Fig.5
  • the bipolar plate 20 also consists of two energy conducting plates 2 according to Fig.3 , which are connected to one another with their respective second metal layers 6.
  • the connection between the second metal layers 6 is made by means of sintering, diffusion bonding or welding.
  • connection between the two energy conducting plates 2 creates a channel 22 from the deep structures 14, which can be used in the fuel cell stack 20 for conducting a cooling liquid.
  • Fig.5 shows a first embodiment of a fuel cell stack 100 with two end plates 102 and 104, with two membrane electrode units 106, each having an anode 108, a membrane 110 and a cathode 112.
  • a bipolar plate 114 is arranged between the two membrane electrode units 106.
  • the Fig.5 The structure shown has two end plates 102 and 104, which consist of an energy conducting plate 2 according to Fig.2 Accordingly, the end plates 102 and 104 each have metal layers 4, 6 and 8 and a deep structure 10, the recesses of which serve to conduct one of the gases.
  • the bipolar plate 114 of the fuel cell stack 100 according to Fig.5 is still in the same way as in Fig.4 shown and consists of two interconnected energy conducting plates 2.
  • the only difference to Fig.4 consists in the fact that the recesses 12 of the deep structures 10 of the two energy conducting plates 2 are not aligned parallel but at right angles to each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieleitplatte (2) für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel, mit einer ersten außen liegenden Metallschicht (4), mit einer zweiten außen liegenden Metallschicht (6) und mit einer dritten mittleren Metallschicht (8), wobei die Metallschichten (4, 6, 8) miteinander plattiert sind, wobei die erste Metallschicht (4) und die zweite Metallschicht (6) aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht (8) erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit bestehen, wobei die dritte Metallschicht (8) aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht (4) und gegenüber der zweiten Metallschicht (6) erhöhten Energieleitfähigkeit besteht, wobei die Dicke der ersten Metallschicht (4) größer als die Dicke der zweiten Metallschicht (6) ist, wobei die erste Metallschicht (4) eine nach außen offene Tiefenstruktur (10) für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und wobei das Volumen der dickeren ersten Metallschicht (4) mit den ausgenommenen Abschnitten der Tiefenstruktur (10) im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht (6) ist. Die Erfindung betrifft auch einen Wärmetauscher mit einer Energieleitplatte (2) sowie einen Brennstoffzellenstapel.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energieleitplatte für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel.
  • Wärmetauscher der hier interessierenden Art sind insbesondere Wärmetauscher für elektronische Bauteile, die beim Einsatz Wärme produzieren und passiv oder aktiv gekühlt werden müssen. Dazu kann der Wärmetauscher eine Energieleitplatte aufweisen, die flächig mit einer Seite mit dem zu kühlenden Bauteil verbunden wird, wobei die gegenüberliegende Seite mit einer Tiefenstruktur versehen ist, um eine vergrößerte Kühlfläche zu bilden und ggf. ein Fluid zur Aufnahme von Wärmeenergie zu leiten. Als Fluid wird dabei in der Regel Wasser oder eine Kombination aus Wasser und Glykol verwendet. Ebenso können Gase zum Kühlen eingesetzt werden.
  • Dazu wird in der Regel die mit der Tiefenstruktur versehene Seite der Energieleitplatte mit einer weiteren Platte verbunden, um aus der Tiefenstruktur eine seitlich offene Struktur aus Kanälen zum Leiten des Fluids zu bilden.
  • Die Energieleitplatte für Wärmetauscher ist also für das Leiten von Wärmeenergie vorgesehen.
  • Bipolarplatten und Endplatten, die auch als Stromsammler oder Deckplatten bezeichnet werden, sind Komponenten für den Einsatz in Brennstoffzellenstapeln, die geschichtet wichtige Bestandteile eines Brennstoffzellensystems bilden. Die Brennstoffzelle weist eine Membran-Elektroden-Einheit auf, wobei sich die elektrischen Leistungen von mehreren im Stapel angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet. An den äußeren Enden des Brennstoffzellenstapels sind dann die genannten Endplatten angeordnet, die einseitig mit der jeweils äußeren Brennstoffzelle verbunden sind.
  • Die Bipolarplatte hat in einem Brennstoffzellenstapel vor allem die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch leitend zu verbinden. Daneben ist die Bipolarplatte dafür zuständig, die Reaktionsgase in die Reaktionszone zu leiten. Dazu sind in die Platten auf beiden Seiten Strömungsprofile als Tiefenprofile gefräst oder eingepresst, durch die auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Luft strömen. Eine Bipolarplatte besteht also aus den beiden Polen, daher der Name bipolar, also der wasserstoffführenden negativ geladenen Anodenplatte und der positiv geladenen Kathodenplatte für die Zuführung der Reaktionsluft. Die Platten regeln auch die Abfuhr von Wasserdampf beziehungsweise das Leiten von thermischer und elektrischer Energie. Die gleichen Aufgaben erfüllen die Endplatten an den Enden des Brennstoffzellenstapels.
  • Somit sind Bipolarplatten und Endplatten nicht nur für die elektrische Verbindung der Brennstoffzellen und die Verteilung der Gase über die Plattenfläche, sondern auch für die Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, die Kühlung und die Dichtung nach außen zuständig.
  • Die Bipolarplatte und die Endplatte können auch als eingangs genannte Energieleitplatten verstanden werden, wobei die Energieleitplatte sowohl für das Leiten von Wärmeenergie als auch von elektrischer Energie vorgesehen ist.
  • Die zuvor beschriebenen Energieleitplatten für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel sind in der Regel aus Edelstahl gefertigt, um eine ausreichende Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Druckbeständigkeit zu gewährleisten.
  • Das Material des Edelstahls kann mit weiteren Bauteilen verbunden werden, beispielsweise bei einem Brennstoffzellenstapel mit den weiteren Komponenten des Stapels. Dabei werden die Tiefenstrukturen der Energieleitplatte durch Umformen wie Tiefziehen eingeprägt oder mittels chemischen Ätzens erzeugt.
  • Die Verwendung von Edelstahl hat jedoch den Nachteil einer geringeren Energieleitfähigkeit im Vergleich zu anderen Materialien wie Kuper oder Aluminium, die aber wiederum eine geringere Stabilitätseigenschaft als Edelstahl aufweisen.
  • Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, die eingangs genannte Energieleitplatte weiter zu verbessern.
  • Das zuvor aufgeführte technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine Energieleitplatte für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel gelöst mit einer ersten außen liegenden Metallschicht, mit einer zweiten außen liegenden Metallschicht und mit einer dritten mittleren Metallschicht, wobei die Metallschichten miteinander plattiert sind, wobei die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit bestehen, wobei die dritte Metallschicht aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht und gegenüber der zweiten Metallschicht erhöhten Energieleitfähigkeit besteht, wobei die Dicke der ersten Metallschicht größer als die Dicke der zweiten Metallschicht ist, wobei die erste Metallschicht eine nach außen offene Tiefenstruktur für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und wobei das Volumen der dickeren ersten Metallschicht mit den ausgenommenen Abschnitten der Tiefenstruktur im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht ist.
  • Das Volumen der ersten Metallschicht wird dabei aus dem Volumen des vorhandenen Materials ohne die eingebrachte Tiefenstruktur berechnet. Das freie Volumen der Tiefenstruktur wird also nicht dem Volumen der dickeren ersten Metallschicht zugerechnet.
  • Der plattierte Verbund der drei Metallschichten der erfindungsgemäßen Energieleitplatte weist gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik einen höherleitenden Anteil der dritten Metallschicht auf. Die Energieleitfähigkeit, also die Wärmeleitfähigkeit und/oder die elektrische Leitfähigkeit, der dritten Metallschicht führt zu einer verbesserten Energieleitfähigkeit des gesamten Verbunds der Energieleitplatte.
  • Die Energieleitplatte zeichnet sich durch eine asymmetrische Verteilung der Schichtdicken aus. Diese Asymmetrie dient einerseits der Möglichkeit des Ausgestaltens der ersten Metallschicht mit einer ausreichend voluminösen Tiefenstruktur und andererseits einer geringen Dicke des gesamten Verbundes bei gleichzeitiger Ausbildung der leitfähigeren mittleren Metallschicht durch eine geringere Dicke der zweiten Metallschicht.
  • Da die Metallschichten jedoch unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann die asymmetrische Verteilung der Schichtdicken bei variierenden thermischen Belastungen zu einer Verformung der Energieleitplatte führen. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß durch die weitere Maßnahme der im Wesentlichen gleich großen Volumina der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht gelöst. Durch die gleichen Volumina kommt es zu im Wesentlichen gleich großen thermischen Volumenänderungen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht.
  • Im Wesentlichen gleich große Volumina und im Wesentlichen gleich große Volumenänderungen bedeutet dabei, dass auch geringe Abweichungen der Volumina umfasst sind, die durch die Steifigkeit des gesamten plattierten Verbundes ausreichend ausgeglichen werden können. Insbesondere können das Volumen der ersten Schicht und das Volumen der zweiten Schicht weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% voneinander abweichen. Bevorzugt liegen die Abweichungen in einem Bereich von 2 bis 10%.
  • In bevorzugter Weise bestehen die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht aus einem Stahl, aus Edelstahl, aus 1.4404 oder 1.4760, aus Titan oder aus einer Titanlegierung, aus Niob, aus Tantal oder aus Aluminium (mit oder ohne Anodisierungsschicht).
  • Insbesondere bei der Anwendung der Energieleitplatte als Wärmetauscher kann die außen liegende Schicht beispielsweise aus einem Aluminiumoxid bestehen, da die außen liegende Schicht einen korrosionsbeständigen, aber leitfähigen Bestandteil in Wärmetauschern darstellt.
  • Ebenso ist es bevorzugt, dass die dritte Metallschicht aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  • Wenn beispielsweise die dritte Metallschicht aus Kupfer besteht, so kann die erste Metallschicht und ggf. die zweite Metallschicht aus Aluminium bestehen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Energieleitplatte besteht darin, dass die Tiefenstruktur der ersten Metallschicht eine erste Tiefenstruktur darstellt, dass die zweite Metallschicht eine nach außen offene zweite Tiefenstruktur für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und dass das Volumen der dickeren ersten Metallschicht mit den ausgenommenen Abschnitten der ersten Tiefenstruktur im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht mit der ausgenommenen zweiten Tiefenstruktur ist. Somit weist die Energieleitplatte auch auf der Außenseite der zweiten Metallschicht eine Tiefenstruktur auf. Diese ist dabei weniger umfangreich ausgebildet und führt zu einer geringeren Volumenreduzierung als die erste Tiefenstruktur der ersten Metallschicht.
  • Eine solche Energieleitplatte ist vor allem geeignet als Teil einer Bipolarplatte eingesetzt zu werden, indem zwei gleiche Energieleitplatten mit ihren zweiten Metallschichten miteinander verbunden werden, so dass durch die zueinander ausgerichteten zweiten Tiefenstrukturen Kanäle für ein Kühlmittel gebildet werden, während die ersten Tiefenstrukturen der jeweiligen ersten Metallschichten Kanäle zur Versorgung mit Wasserstoffgas bzw. Luft bilden. Das Verbinden von zwei Energieleitplatten an ihren zweiten Metallschichten kann durch Sintern, Diffusionsbonding, Verpressen, Verschrauben oder Schweißen erfolgen.
  • In weiter bevorzugter Weise sind die erste Tiefenstruktur und/oder ggf. die zweite Tiefenstruktur mittels eines Ätzvorgangs hergestellt. Dazu werden an sich bekannte Ätztechniken angewendet, um eine exakte und gratfreie Ausbildung der Tiefenstruktur zu ermöglichen.
  • Die Vorteile beim Ätzen der Tiefenstruktur liegen in einer größeren Anzahl von Freiheitsgraden bei der Geometrie. Mittels Ätzen können neben geradlinig verlaufenden Strukturen auch gebogene oder mäanderförmige Vertiefungen erstellt werden. Ebenso sind wellige Strukturen zur Flächenvergrößerung möglich.
  • Darüber hinaus können die Tiefenstrukturen als sich verjüngende und verbreiternde Strukturen ausgebildet werden. Somit kann beim Durchströmen der Tiefenstrukturen durch Anwendung des Venturi-Effekts Verwirbelungen des durchströmenden Mediums und bessere Wärmeaufnahme hervorgerufen werden. Denn durch die Verwirbelungen entstehend kleinere Diffusionsgrenzschichten und kleinere Strömungswiderstände.
  • Des Weiteren können durch Ätzen auch Durchtritte durch die Energieleitplatte erzeugt werden, so dass ein dreidimensionaler Durchtritt durch die Energieleitplatte die Tiefenstrukturen auf beiden Seiten der Energieleitplatte miteinander verbunden werden können. Dadurch werden Zu- und Abflussstrukturen auf beiden Seiten verringert, wodurch der technische Aufwand verringert wird,
    Die Tiefenstrukturen können zusätzlich oder alternativ auch durch Galvanoforming oder Laserstrukturieren dreidimensional gestaltet werden.
  • Die zuvor erläuterten Tiefenstrukturen dienen einem Leiten von Fluiden, die je nach Anwendung Flüssigkeiten wie Wasser oder Wasser/Glykol oder Gase sein können.
  • Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch einen Wärmetauscher mit einer zuvor beschriebenen Energieleitplatte gelöst, wobei die zweite Metallschicht geeignet ist, mit einem zu kühlenden Bauteil, insbesondere einem zu kühlenden elektronischen Bauteil, verbunden zu werden und wobei die Energieleitplatte Wärmeenergie vom zu kühlenden Bauteil wegleitet.
  • Somit kann insbesondere im Bereich der Elektronik die vorteilhafte Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Energieleitplatte eingesetzt werden. Neben den guten Stabilitätseigenschaften können die verbesserten Wärmeleitfähigkeiten der dritten Metallschicht ausgenutzt werden.
  • Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch einen Brennstoffzellenstapel gelöst mit zwei Endplatten, mit mindestens zwei aus jeweils einer Anode, einer Membran und einer Kathode bestehenden Membran-Elektroden-Einheiten, mit mindestens einer zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten angeordneten Bipolarplatte, wobei mindestens eine der Endplatten eine zuvor beschriebene Energieleitplatte aufweist und/oder wobei die mindestens eine Bipolarplatte eine zuvor beschriebene Energieleitplatte aufweist.
  • Somit kann insbesondere im Bereich der Brennstoffzellenstapel die vorteilhafte Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Energieleitplatte eingesetzt werden. Neben den guten Stabilitätseigenschaften können die verbesserten Wärmeleitfähigkeiten der dritten Metallschicht ausgenutzt werden.
  • In vorteilhafter Weise kann mindestens eine Bipolarplatte aus zwei Energieleitplatten zusammengesetzt sein, die insbesondere durch Sintern, Diffusionsbonding oder Schweißen, mit ihren zweiten Metallschichten miteinander verbunden sind. Somit ergibt sich ein verbesserter, stabiler und besserer energieleitender Aufbau des Brennstoffzellenstapels.
  • Unter Plattieren wird im Rahmen dieser gesamten Beschreibung und der Ansprüche eine Verbindung durch Adhäsionsbindung mit atomarer Diffusion verstanden, also ein Verbund zwischen zwei Bindungspartnern verstanden, bei dem sich durch atomare Diffusion der Materialien der Bindungspartner eine Übergangsschicht als Bindungszone ausbildet, über die eine kontinuierliche Anpassung der Materialeigenschaften stattfindet. Die Adhäsionsbindung mit atomarer Diffusion entsteht also durch die Ausbildung der Übergangsschicht zwischen den Lagen.
  • In der Übergangsschicht sind die Atome der Bindungspartner graduell vermischt, die Bildung eines Verbunds erfolgt durch Platzwechselvorgänge (Diffusion) in der Übergangsschicht, auch genannt Bindungszone. Diese Übergangsschicht bewirkt die Verringerung innerer Spannungen. Die Ausdehnung der Übergangszone ist dabei abhängig von den jeweilig verwendeten Bindungspartnern, insbesondere den Diffusionseigenschaften der beteiligten Materialien.
  • Zur Charakterisierung der Adhäsionsbindung mit atomarer Diffusion, also der Bindungszone der Adhäsionsbindung in der Übergangsschicht, und der Eigenschaften können Analysen mittels verschiedener Methoden angewendet werden. Zu diesen Methoden gehören optische Lichtmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) und Analysen von Mikrohärteverläufen.
  • Ein solcher Verbund wird auch als Plattierverbund bezeichnet werden. Bevorzugt sind die beiden Bindungspartner metallische Werkstoffe und der Plattierverbund stellt eine metallische Verbindung der beiden Bindungspartner oder Plattierpartner dar. Die Verbindung der Bindungspartner im Plattierverbund kann mittels dem vorgenannten Plattieren erfolgen. Dazu kann das Plattieren durch Kaltwalzplattieren oder Warmplattieren durchgeführt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
    • Fig. 1
    eine Energieleitplatte nach dem Plattieren von drei Metallschichten,
    Fig. 2
    eine Energieleitplatte nach Fig. 1 mit einer Tiefenstruktur in der oberen Metallschicht,
    Fig. 3
    die Energieleitplatte nach Fig. 2 mit einer weiteren Tiefenstruktur in der unteren Metallschicht,
    Fig. 4
    eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel bestehend aus zwei Energieleitplatten nach Fig. 3 und
    Fig. 5
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßen Energieleitplatten als Endplatten.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele werden Bauteile und Elemente mit gleicher Funktion und gleicher Wirkungsweise mit denselben Bezugszeichen versehen, auch wenn die Bauteile und Elemente bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen in ihrer Dimension oder Form Unterschiede aufweisen können.
  • Fig. 1 zeigt eine Energieleitplatte 2 für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel.
  • Die Energieleitplatte 2 weist eine erste außen liegende Metallschicht 4, eine zweite außen liegende Metallschicht 6 und eine dritte mittlere Metallschicht 8 auf. Die Metallschichten 4 bis 8 sind miteinander plattiert, wobei ein Kaltwalzplattieren, ein Warmplattieren sowie weitere Plattierverfahren wie z.B. Sprengplattieren angewendet worden sein kann.
  • Die erste Metallschicht 4 und die zweite Metallschicht 6 bestehen weiterhin aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht 8 erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit. Dem gegenüber besteht die dritte Metallschicht 8 aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht 4 und gegenüber der zweiten Metallschicht 6 erhöhten Energieleitfähigkeit.
  • Des Weiteren ist die Dicke der ersten Metallschicht 4 größer als die Dicke der zweiten Metallschicht 6.
  • Somit weist die Energieleitplatte 2 nach Fig. 1 einen bezogen auf die Schichtdicken asymmetrischen Aufbau auf. Beim Erwärmen und Abkühlen kann es daher aufgrund unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens zu Formänderungen und einem Durchbiegen kommen. Um diesen zu erwartenden Effekt auszugleichen, wird die Energieleitplatte 2 weiter ausgebildet, wie Fig. 2 schematisch zeigt.
  • Die erste Metallschicht 4 eine nach außen offene Tiefenstruktur 10 für ein Aufnehmen eines Fluides auf. Die Tiefenstruktur 10 weist eine Mehrzahl von nach oben offenen Vertiefungen 12 auf, die für ein Leiten eines Fluids ausgebildet sind und in einer Anwendung von oben durch ein anderes Bauteil verschlossen sind.
  • Um thermische Formänderungen durch einen Bimetalleffekt auszugleichen, ist das Volumen der dickeren ersten Metallschicht 4 mit den ausgenommenen Abschnitten der Vertiefungen 12 der Tiefenstruktur 10 im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht 6. Dabei können Abweichungen der Volumina im Bereich von maximal 10% oder maximal 5% auftreten, ohne dass diese Abweichungen der Volumina von der gleichen Größe einen technischen Effekt einer Verformung der Energieleitplatte 2 hat.
  • Die erste Metallschicht 4 und die zweite Metallschicht 6 bestehen aus einem Stahl, Edelstahl, aus Titan oder einer Titanlegierung, vorzugsweise bestehen die beiden Metallschichten 4 und 6 aus demselben Metall. Weitere Metalle sind weiter oben erwähnt worden.
  • Dagegen besteht die dritte Metallschicht 8 aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
  • Somit weisen die beiden Metallschichten 4 und 6 eine erhöhte Steifigkeit (gemessen als E-Modul), Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit gegenüber der dritten Metallschicht auf.
  • Fig. 3 zeigt schematisch eine Weiterbildung der Energieleitplatte nach Fig. 2. Die schon in Fig. 2 gezeigte Tiefenstruktur 10 der ersten Metallschicht 4 stellt eine erste Tiefenstruktur dar. Des Weiteren weist die zweite Metallschicht 6 eine ebenfalls nach außen offene zweite Tiefenstruktur 14 für ein Aufnehmen eines Fluids auf. Diese Tiefenstruktur 14 ist im Volumen kleiner als die erste Tiefenstruktur 10 und wird bei den Dickenverhältnissen und der Anforderung gleich großer Volumina berücksichtigt. Somit kann das Volumen der dickeren ersten Metallschicht 4 mit den ausgenommenen Abschnitten der ersten Tiefenstruktur 10 im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht 6 mit der ausgenommenen zweiten Tiefenstruktur 14 sein.
  • Die zuvor beschriebenen erste Tiefenstruktur 10 und zweite Tiefenstruktur 14 sind in bevorzugter Weise mittels eines Ätzvorgangs nach dem Plattieren der Metallschichten 4, 6 und 8 hergestellt.
  • Grundsätzlich können die Tiefenstrukturen 10 und 14 auch durch Tiefziehen wie die meisten Bipolarplatten und Wärmetauscherplatten hergestellt werden. Des Weiteren bietet sich für Bipolarplatten noch das Electrochemical Milling (ECM-verfahren) an.
  • Fig. 4 zeigt schematisch eine Bipolarplatte 20 für einen Brennstoffzellenstapel, der in Fig. 5 gezeigt ist. Die Bipolarplatte 20 besteht auch zwei Energieleitplatten 2 gemäß Fig. 3, die mit ihren jeweiligen zweiten Metallschichten 6 miteinander verbunden sind. Die Verbindung zwischen den zweiten Metallschichten 6 erfolgt dabei mittels Sintern, Diffusionsbonding oder Schweißen.
  • Durch die Verbindung zwischen den beiden Energieleitplatten 2 entsteht aus den Tiefenstrukturen 14 ein Kanal 22, der im Brennstoffzellenstapel 20 für das Leiten einer Kühlflüssigkeit genutzt werden kann.
  • Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels 100 mit zwei Endplatten 102 und 104, mit zwei Membran-Elektroden-Einheiten 106, die jeweils eine Anode 108, eine Membran 110 und eine Kathode 112 aufweisen. Zwischen den beiden Membran-Elektroden-Einheiten 106 ist eine Bipolarplatte 114 angeordnet.
  • Die Funktionsweise eines solchen Brennstoffzellenstapels 100 ist bekannt. Durch Zuführen von Wasserstoff als Reaktionsgas an der Seite der Anode 108 und durch Zuführen von Sauerstoff, in der Regel gewonnen aus Luft, als Reaktionsgas an der Seite der Kathode 112 der Membran-Elektroden-Einheiten 106 entsteht über den Austausch von Wasserstoffionen durch die Membran 110 zwischen den Elektroden 108 und 112 eine elektrische Spannung. Durch die Stapelbildung entsteht dann eine Reihenschaltung der einzelnen Schichten und somit eine für elektrische Anwendungen ausreichend große Spannung und Leistungsfähigkeit.
  • Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau weist zwei Endplatten 102 und 104 auf, die aus einer Energieleitplatte 2 gemäß Fig. 2 bestehen. Dementsprechend weisen die Endplatten 102 und 104 jeweils Metallschichten 4, 6 und 8 und eine Tiefenstruktur 10 auf, deren Vertiefungen zum Leiten eines der Gase dienen.
  • Die Bipolarplatte 114 des Brennstoffzellenstapels 100 nach Fig. 5 ist weiterhin in gleicher Weise wie in Fig. 4 dargestellt ausgebildet und besteht aus zwei miteinander verbundenen Energieleitplatten 2. Der einzige Unterschied zu Fig. 4 besteht darin, dass die Vertiefungen 12 der Tiefenstrukturen 10 der beiden Energieleitplatten 2 nicht parallel, sondern im rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind.
  • Des Weiteren ist der optionale Einsatz einer Bipolarplatte 20 nach Fig. 4 in dem Brennstoffzellenstapel 100 möglich (nicht dargestellt), so dass zusätzlich noch ein Kanal 22 zum Leiten einer Kühlflüssigkeit besteht.

Claims (9)

  1. Energieleitplatte (2) für einen Wärmetauscher oder für einen Brennstoffzellenstapel,
    - mit einer ersten außen liegenden Metallschicht (4),
    - mit einer zweiten außen liegenden Metallschicht (6) und
    - mit einer dritten mittleren Metallschicht (8),
    - wobei die Metallschichten (4, 6, 8) miteinander plattiert sind,
    - wobei die erste Metallschicht (4) und die zweite Metallschicht (6) aus einem Metall mit einer gegenüber der dritten Metallschicht (8) erhöhten Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Druckbeständigkeit bestehen,
    - wobei die dritte Metallschicht (8) aus einem Metall mit einer gegenüber der ersten Metallschicht (4) und gegenüber der zweiten Metallschicht (6) erhöhten Energieleitfähigkeit besteht,
    - wobei die Dicke der ersten Metallschicht (4) größer als die Dicke der zweiten Metallschicht (6) ist,
    - wobei die erste Metallschicht (4) eine nach außen offene Tiefenstruktur (10) für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und
    - wobei das Volumen der dickeren ersten Metallschicht (4) mit den ausgenommenen Abschnitten der Tiefenstruktur (10) im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht (6) ist.
  2. Energieleitplatte nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Volumen der ersten Schicht (4) und das Volumen der zweiten Schicht (6) weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% voneinander abweichen.
  3. Energieleitplatte nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Metallschicht (4) und die zweite Metallschicht (6) aus einem Stahl, Edelstahl, aus 1.4404, aus 1.4760, aus Titan oder einer Titanlegierung, aus Niob, aus Tantal oder aus Aluminium bestehen.
  4. Energieleitplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die dritte Metallschicht (8) aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  5. Energieleitplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Tiefenstruktur (10) der ersten Metallschicht (4) eine erste Tiefenstruktur darstellt,
    - dass die zweite Metallschicht (6) eine nach außen offene zweite Tiefenstruktur (14) für ein Aufnehmen eines Fluides aufweist und
    - dass das Volumen der dickeren ersten Metallschicht (4) mit den ausgenommenen Abschnitten der ersten Tiefenstruktur (10) im Wesentlichen gleich groß wie das Volumen der zweiten Schicht (6) mit der ausgenommenen zweiten Tiefenstruktur (14) ist.
  6. Energieleitplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Tiefenstruktur (10) und/oder ggf. die zweite Tiefenstruktur (14) mittels eines Ätzvorgangs hergestellt sind.
  7. Wärmetauscher
    - mit einer Energieleitplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    - wobei die zweite Metallschicht (6) geeignet ist, mit einem zu kühlenden Bauteil, insbesondere einem zu kühlenden elektronischen Bauteil, verbunden zu werden und
    - wobei die Energieleitplatte Wärmeenergie vom zu kühlenden Bauteil wegleitet.
  8. Brennstoffzellenstapel
    - mit zwei Endplatten (102, 104),
    - mit mindestens zwei aus jeweils einer Anode (108), einer Membran (110) und einer Kathode (112) bestehenden Membran-Elektroden-Einheiten (106),
    - mit mindestens einer zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten (106) angeordneten Bipolarplatte (114),
    - wobei mindestens eine der Endplatten (102, 104) eine Energieleitplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist und/oder
    - wobei die mindestens eine Bipolarplatte (114) eine Energieleitplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
  9. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine Bipolarplatte (114) aus zwei Energieleitplatten (2) zusammengesetzt ist.
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