WO2003063264A2 - Bipolare platte - Google Patents

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WO2003063264A2
WO2003063264A2 PCT/EP2003/000623 EP0300623W WO03063264A2 WO 2003063264 A2 WO2003063264 A2 WO 2003063264A2 EP 0300623 W EP0300623 W EP 0300623W WO 03063264 A2 WO03063264 A2 WO 03063264A2
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bipolar plate
inner part
plate according
fuel cell
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Raimund STRÖBEL
Kurt Höhe
Kai Lemke
Dieter Grafl
Dominique Tasch
Markus Lemm
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Reinz-Dichtungs-Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack or a bipolar plate for fuel cell stacks.
  • PEM fuel cells polymer electrolyte membrane fuel cells
  • fuel cell stack In PEM fuel cells (polymer electrolyte membrane fuel cells), several fuel cells are usually stacked on top of one another to form a fuel cell stack. The separation between the individual cells is carried out by bipolar plates, which perform the following functions:
  • the bipolar plate may only have very small tolerance dimension deviations. This is because, on the one hand, there must be tightness in the area of flow openings for gases or liquids which flow through the bipolar plate and connect to other components.
  • the bipolar plates it is necessary for the bipolar plates to exert a uniform contact pressure on electrodes of adjacent fuel cells in order to thus enabling a uniform, flat media supply and, moreover, an evenly distributed current flow over the area.
  • the object of the present invention is to create a bipolar plate for fuel cell stacks which, on the one hand, is inexpensive to produce and, on the other hand, still meets the highest requirements with regard to tightness and uniform contact pressure.
  • a bipolar plate according to the invention has an open frame in its central central region and an inner part is arranged in this central region, the frame and inner part being elastically coupled to one another.
  • the at least two-part arrangement of the bipolar plate i.e. frame and inner part
  • frame and inner part first of all makes it possible that expensive materials only have to be installed where they are actually necessary.
  • An adapted choice of materials can take place.
  • inexpensive corrosion-resistant plastics can be used in the frame area, which is equipped with flow openings for corrosive media.
  • metals or graphitic materials can be used in the area of the inner part.
  • the frame and the inner part are elastically coupled to one another. This enables the tolerance requirements for one-piece bipolar plates to be completely different.
  • the elastic coupling of the frame and the inner part enables the frames to be clamped on the one hand and the inner parts of adjacent bipolar plates on the other hand.
  • the fuel cell stack according to the invention makes use of the bipolar plates according to the invention insofar as the separate means for the axial compression of the fuel cell stack are provided for the central region and the region of the frame, i.e. that these means each press the central area or the frame area axially against one another in isolation.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the inner part and the frame are connected by an elastic element belonging to the bipolar plate and thus elastically coupled to one another are.
  • the elastic element can be designed as an encapsulation of elastomer in the border area of the frame and the inner part. It is also possible for the elastic element to be glued to the inner part or the frame, or for it to be positively connected to the inner part and / or frame.
  • the frame has through openings for gases, liquids or fasteners (such as clamping bolts).
  • the area around these through openings can be sealed using special seals.
  • seals applied, or injected or molded, in particular using the screen printing method are possible.
  • Some of the seals can be partially recessed so as to allow a flow of media from the through openings to the central area. This is necessary, for example, in order to supply a surface of an inner part with a supply medium such as molecular hydrogen or to allow water of reaction to be removed.
  • the inner part has a hollow interior and that it can be connected to a through opening of the frame.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the frame is made of plastic. This enables a particularly cost-effective production of the frame, there are practically no corrosion problems. In particular, a complicated geometry of through openings is easy to produce using the injection molding process, and no complex measures for electrical insulation are required.
  • the frame from an elastomer material. In this case, no separate elastic element is necessary. The inherent elasticity of the frame is therefore sufficient for the elastic play between the inner part and the residual frame. This also makes it possible to dispense with additional seals in the area of the through openings.
  • the requirements of corresponding materials can also be used. It is particularly advantageous to provide these inner parts made of corrosion-resistant metals, graphite or graphite composite. Elaborate shape Exercise methods are not necessary here, but in particular with metallic materials, it is nevertheless possible to easily impress a flow field of gas distribution on an outer surface of the inner part.
  • FIG. 1 a shows a frame of a bipolar plate according to the invention in plan view
  • FIG. 1b shows a section according to A-A through the frame according to the invention according to FIG.
  • Figure lc shows a section according to B-B through the frame of Figure la with inserted elastic element and inner part
  • FIGS 2a and 2b detail sections of further embodiments of the frame according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a fuel cell stack according to the invention.
  • Figure la shows the top view of the frame of a bipolar plate according to the invention.
  • the frame 7 is essentially open in the central region 6.
  • An inner part (not shown in FIG. 1 a) can be arranged in this central area or cover it. This inner part and the frame 7 are then elastically coupled to one another.
  • the frame has through holes 10a, 10b and 10c.
  • the through holes 10c are for performing e.g. Suitable for clamping bolts. In this way, an axial contact pressure is exerted on bipolar plates or a fuel cell stack containing these bipolar plates in the direction perpendicular to the sheet plane in FIG. Additional through holes are also provided.
  • the through holes 10a serve to supply molecular hydrogen from the through holes to an outer surface of an inner part to be accommodated in the central area. Further details will be discussed later in the description of section A-A in Figure lb.
  • the seal 9 serves to seal the through holes when the bipolar plate is pressed onto adjacent components.
  • the seal 9 is applied to the frame by screen printing.
  • the sealing effect of the seal 9 begins when the frame 7 of the bipolar plate is pressed axially in the direction perpendicular to the plane of the sheet and thus pressure is applied to the seals 9 to seal the through holes.
  • the frame in Figure la is an injection molded plastic part. This has the advantage that the through openings and any channels from the
  • FIG. 1b shows a section through the frame 7 according to A-A. In the section, the representation of the seal 9 was omitted. A through opening 10a is shown, which can bring molecular hydrogen through a feed channel 14 to a flow field on the outside of an inner part (see FIG. 1c for this).
  • FIG. 1b also shows an enclosure 12 into which an inner part for covering the central region 6 or an elastic element which keeps this inner part elastic can be inserted.
  • FIG. 1c shows a through opening 10b for the passage of cooling liquid.
  • the through opening 10b is connected to a cooling channel 15, which is open to the central region of the frame 7.
  • An elastic element 8 is inserted in the circumferential border 12, which elastically carries an inner part 3 circumferentially within the frame 7.
  • the elastic inner part has two outer surfaces 3a and 3b.
  • the outer surface 3a has an embossed flow field 11 for the flat distribution of hydrogen on the outer surface 3a.
  • the lower outer surface 3b also has a flow field.
  • the outer surfaces 3a and 3b are each electrically conductive and electrically connected to one another.
  • they are made of metal (e.g. titanium).
  • metal e.g. titanium
  • An electrically conductive plastic is also possible.
  • a gas diffusion layer made of a carbon fiber fleece is placed on the flow field of the outer surface 3a.
  • An ion-conductive polymer electrolyte membrane 17 of a fuel cell is then placed above this gas diffusion layer.
  • the function of the bipolar plate according to the invention is explained in more detail below. Since this serves to delimit a cathode and an anode side of fuel cells from one another in a gas-tight and liquid-tight manner, no medium can be passed through the bipolar plate 1 in the axial direction 18 (apart from through openings provided therefor).
  • the elastic element 8 consisting of an elastomer is firmly connected to the frame 7 and the inner part 3 in a gas-tight manner, for example by gluing.
  • the inner part 3 is hollow on the inside, so that cooling liquid supplied through the through hole 10b can penetrate into the interior 19 of the inner part through the cooling channel 15. This very direct type of cooling enables precise temperature management for the fuel cell stack.
  • the flow field of the outer surface 3a is supplied via the arrangement shown in FIG. 1b, comprising a through opening 10a and an adjoining feed channel 14, which is open to the flow field of the outer surface 3a.
  • the shape of the flow field results in a flat distribution of the supplied reaction gas on the flow field, and the fine diffusion to the membrane 17 is achieved by the gas diffusion layer 16.
  • the derivation Shot reaction gas takes place through the diagonally removed arrangement shown in FIG. 1a around the passage opening 10a ', which has a discharge channel 20 corresponding in geometry to the feed channel 14.
  • the bipolar plate is now constructed in such a way that in the direction 18 for the area of the frame 7 and for the central area 6 (ie everything that lies within the frame 7), separate axial contact pressure can be applied in the direction 18.
  • the pressure on the frame 7 in the direction 18 primarily serves to press the seals 9 surrounding the through openings 10a or 10b, so that no leakage occurs in the area of the seal openings.
  • Bracing for the central area serves to achieve an even support or an even contact pressure of the membrane as well as a gas diffusion layer on the flow field. This then enables a uniform gas distribution over the flow field and thus towards the membrane 17 and a homogeneous current distribution. This then brings about good efficiencies of the fuel cell stack according to the invention. It is particularly interesting here that when the seal 9 or e.g. the gas diffusion layer 16 can be adjusted independently during continuous operation of the fuel cell stack.
  • the mechanical decoupling of the inner part 3 and the frame 7 necessary for this is achieved here by the elastic element 8, which allows the inner part 3 to be moved to a limited extent with respect to the frame 7.
  • the elastic element which elastically and sealingly seals the area between the frame men 7 and inner part 3 covers, can be glued to these two parts or positively connected to them.
  • FIG. 2a shows a further embodiment of a bipolar plate according to the invention.
  • a substantially flat inner part 3 ' is provided, which is not hollow in its interior.
  • the frame 7 ' has a protruding arm 21 all around.
  • This arm 21 and the outer border of the inner part 3 "are encapsulated with an elastomer 8",. which, as shown in FIG. 2a, is essentially bone-shaped in cross section.
  • FIG. 2b shows a further variant of a bipolar plate according to the invention.
  • the frame 7 is made of an elastomer material. On its side facing the central region, this frame 7" has an arm 22 all round, which is glued twice to the outer edge of an inner part 3.
  • the frame 7 has such a high degree of inherent elasticity that the elastic play between the inner part and the frame is brought about solely by this inherent elasticity. No additional elastic element is required to interpose the frame 7" and the inner part 3 ".
  • the frame 7 " also has a hill-like and circumferential lip 23 on its upper side, which engages in a corresponding depression of an adjacent component (this depression corresponds to depression 24, for example) and thus shows a sealing effect.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the force relationships in a fuel cell stack according to the invention.
  • the central area 6 and the area of the frame 13 are separated axially clamped from one another in the direction 18.
  • a force F2 can be applied to end plates of a fuel cell stack, for example by means of clamping bolts or clamping bands, so that an axial load and frame of bipolar plates 1 are applied.
  • a force F1 can be applied to the central region 6 of the bipolar plates 1. This is possible, for example, by means of tensioning straps or a screw arrangement in the form of a clamp, without the bipolar plates 1 having to be perforated in the axial direction 18 for this purpose.
  • the central area 6 and the frame area 13 are (completely) mechanically decoupled from one another.
  • the decoupling path is only limited by the range of elasticity of the elastic member lying in between and is not additionally restricted in terms of freedom of movement by a flange-like, clamping construction.
  • FIG. 1 c This relationship can also be clearly seen in FIG. 1 c, here it can clearly be seen that the frame 7 and the bipolar plate 3 have no overlaps in the plane of the plate (ie perpendicular to the direction vector 18), so that the displaceability is limited only by the elastic element 8 the bipolar plate 3 with respect to the frame 7 in the direction 18 is possible. This relationship can also be easily recognized in the embodiments according to FIGS. 2a and 2b.
  • a fuel cell package which contains bipolar plates in an axial stratification between individual fuel cells and is characterized in that the bipolar plates have a frame 7 which is open in the central region 6 and an inner part 3 arranged in the central region, the frame and the inner part being elastic with one another are coupled and the fuel cell package for the
  • the central region 6 and the region 13 of the frame provide separate means for the axial compression of the fuel cell package.
  • a bipolar plate 1 is shown for use in such aforementioned fuel cell packages, which has two electrically connected outer surfaces 3a, 3b for electrical contacting as well as removal and supply of gases and / or liquids to surfaces 5 of adjacent to the outer surfaces
  • the bipolar plate has a central region 6 open frame 7 and an inner part 3 arranged in the central region, the frame and inner part being elastically coupled to one another.
  • This elastic decoupling is preferably characterized in that there is no overlap of the frame 7 and the inner part 3 arranged therein in the plane of the bipolar plate, so that there is a perfect mechanical decoupling of the central area and the frame area.
  • the fuel cell stack according to the invention can have separate means for the axial compression of the fuel cell stack and / or means for the separate axial compression of the fuel cell stack for the central region 6 and the region 13 of the frame.
  • Tensioning bolts, tensioning straps, tensioning yokes or even hydraulic compression means for separate compression of the central area and area of the frame can be provided.
  • other means for separate axial compression of the fuel cell stack can e.g. non-flat ("topographic") end plates of the fuel cell stack or non-flat bipolar plates.
  • a different bracing of the central area and frame and area of the frame is achieved by a different height or topography of these normally flat plates.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte 1 sowie ein brennstoffzellenpaket 2. Die Bipolarplatte weist zwei elektrisch miteinander verbundene Aubetaenflächen 3a, 3b zur elektrischen Kontaktierung sowie Ab- und Zufuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten zur an die Aubetaenflächen benachbarten Flächen von Brennstoffzellen auf. Die Bipolarplatte weist einen im Zentralbereich 6 offenen Rahmen 7 sowie ein im Zentralbereich angeordnetes Innenteil 3 auf, wobei Rahmen und Innenteil elastisch miteinander verkoppelt sind.

Description

Bipolare Platte
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack bzw. eine bipolare Platte für Brennstoff- zellenstacks.
Bei PEM-BrennstoffZeilen (Polymerelektrolytmembranbrennstof zellen) werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen aufeinander geschichtet zu einem Brennstoffzellenstack. Die Abtrennung zwischen den einzelnen Zellen erfolgt durch Bipolarplatten, die folgende Funktionen übernehmen:
• Elektrische Kontaktierung der Elektroden der Brennstoffzellen und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen) ,
• Versorgung 'der Zellen mit Reaktionsgasen und Abtransport des erzeugten Wassers über eine entsprechende Kanalstruktur,
• Weiterleiten der bei der Reaktion in der Brennstoffzellen entstehenden Abwärme, sowie
• Abdichten der verschiedenen Gas- bzw. Kühlkammern gegeneinander und nach außen.
Es ist bekannt, Bipolarplatten aus graphitischen. Werkstoffen im wesentlichen einstückig herzustellen. Der Vorteil graphitischer Werkstoffe liegt in ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und im Hinblick auf mo- bile Anwendungen auch auf ihrer geringen Materialdichte. Die Anfälligkeit auf Zugspannungen und die damit verbundene Sprödigkeit von graphitischen Werkstoffen engen jedoch die Wahl des Formgebungsverfahrens für die Strukturierung stark ein. Die spanende Formgebung stellt dabei keine Option für eine kostengünstige Massenproduktion dar.
Als Alternative ist auch versucht worden, metallische Bipolarplatten aus Metallen wie Edelstahl, Titan her- zustellen. Hierbei ergeben sich Nachteile in Bezug auf Korrosion sowie bezüglich der Kosten. Die Herstellung komplizierter Kanalstrukturen mit metallischen Platten erfordert sehr aufwendige Formgebungsverfahren, welche den Bau von Bipolarplatten stark verteuern.
Unabhängig vom eingesetzten Material steht außerdem die Anforderung an die Bipolarplatte, dass diese nur sehr geringe Toleranzmaßabweichungen aufweisen darf. Dies liegt daran, dass einerseits die Dichtigkeit im Bereich von Durchflussöffnungen für Gase bzw. Flüssigkeiten, welche durch die Bipolarplatte strömen und sich an andere Bauteile anschließen, gegeben sein muss. Außerdem ist es notwendig, dass über die Bipo- larplatten ein gleichmäßiger Anpressdruck auf Elektroden benachbarter Brennstoffzellen ausgeübt wird, um somit eine gleichmäßige flächige Medienversorgung und außerdem einen über die Fläche gleich verteilten Stromfluss zu ermöglichen.
Ausgehend hiervon stellt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Bipolarplatte für Brennstoffzellenstacks zu schaffen, welche einerseits kostengünstig herstellbar ist und andererseits trotzdem höchste Anforderungen in Bezug auf Dichtheit und gleichmäßigen Anpressdruck erfüllt.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte nach Anspruch 1 gelöst, mit einem Brennstoffzellenstack nach Anspruch 14 werden diese Vorteile genutzt.
Dadurch, dass eine erfindungsgemäße Bipolarplatte eine in ihrem mittigen Zentralbereich offenen Rahmen aufweist und in diesem Zentralbereich ein Innenteil angeordnet ist, wobei Rahmen und Innenteil elastisch miteinander gekoppelt sind, wird diese Aufgabe gelöst.
Mit der mindestens zweiteiligen Anordnung der Bipolarplatte (also Rahmen und Innenteil) wird zunächst einmal ermöglicht, dass teure Materialien nur dort verbaut werden müssen, wo sie tatsächlich notwendig sind. Es kann eine angepasste Materialwahl stattfinden. So kann z.B. im Rahmenbereich, welcher mit Durchflussöffnungen für korrosive Medien ausgestattet ist, auf kostengünstige korrosionsbeständige Kunststoffe zurückgegriffen werden. Im Bereich des Innenteils, wo es auf elektrisch leitfähige Flächen ankommt, können Metalle oder graphitische Werkstoffe zur Anwendung kommen. Hierbei ist besonders günstig, dass Rahmen und Innenteil elastisch miteinander gekoppelt sind. Hierdurch wird es ermöglicht, dass die Toleranzanforderungen gegenüber einteiligen Bipolarplatten sich völlig an- ders darstellen. So ermöglicht die elastische Kopplung von Rahmen und Innenteil, einerseits die Rahmen und andererseits die Innenteile benachbarter Bipolarplatten miteinander zu verspannen. Somit ist es nicht mehr notwendig, über die gesamte Fläche der Bi- polarplatte strengste Toleranzen zu erfüllen, da dieser Beziehung Rahmen und Innenteil quasi entkoppelt sind. Außerdem ist dies von der Praxistauglichkeit bzw. Langlebigkeit eines Brennstoffzellenstacks sehr wesentlich, da Setzeffekte von Dichtungen bzw. im Zentralbereich angeordneten Gasdiffusionslagen ebenfalls voneinander entkoppelt ausgeglichen werden, so dass sich nicht Setzeffekte in einem Bereich negativ auf einen anderen Bereich der Brennstoffplatte auswirken können.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstack macht von erfindungsgemäßen Bipolarplatten insofern Gebrauch als das für den Zentralbereich und den Bereich des Rahmens separate Mittel zur axialen Kompression des Brennstoffzellenstacks vorgesehen werden, d.h. dass diese Mittel jeweils isoliert den Zentralbereich bzw. den Rahmenbereich axial aufeinander pressen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Er- findung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Innenteil und der Rahmen durch ein zu der Bipolarplatte gehörendes elastisches Element verbunden und somit elastisch miteinander gekoppelt sind. Dies ermöglicht es, dass ein im wesentlichen starres Innenteil und ein starrer Rahmen trotzdem noch elastisch zueinander verschiebbar sind. Das.e- lastische Element kann hierbei als Elastomerumsprit- zung im Grenzbereich von Rahmen und Innenteil ausgeführt sein. Es ist auch möglich, dass das elastische Element mit dem Innenteil bzw. dem Rahmen verklebt ist oder dass es formschlüssig mit Innenteil und/oder Rahmen verbunden ist. Hier sind sämtliche Anordnungen denkbar, wichtig ist jedoch, dass einerseits die e- lastische Kopplung von Rahmen und Innenteil gegeben ist und andererseits eine flüssigkeits- und gasdichte Abschottung gewährleistet ist, d.h. dass im Grenzbereich zwischen Innenteil und Rahmen keine Flüssigkei- ten bzw. Gase hindurch treten können. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsdurchtritt quer zur Bipolarplatte soll lediglich durch die hierfür vorgesehen Durchgangsöffnungen geschehen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Rahmen Durchgangsöffnungen für Gase, Flüssigkeiten bzw. Befestigungsmittel (wie etwa Spannbolzen) aufweist. Der Bereich um diese Durchgangsöffnungen herum kann hierbei durch besondere Dichtungen abgedichtet werden. Hier kommen neben eingelegten Fertigdichtungen insbesondere im Siebdruckverfahren aufgebrachte bzw. eingespritzte oder angespritzte Dichtungen in Frage. Ein Teil der Dichtungen können teilweise ausgespart sein, um so einen Fluss von Medien von den Durchgangsöffnungen hin zum Zentralbereich zu ermöglichen. Dies ist z.B. notwendig, um eine Oberfläche eines Innenteils mit einem Versorgungsmedium wie etwa molekularen Wasserstoff zu -versorgen bzw. um den Abtransport von Reaktionswasser zu ermöglichen. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass das Innenteil einen hohlen Innenraum aufweist und dieser mit einer Durchgangsöffnung des Rahmens verbindbar ist. Auf diese Weise ist ein Kühlmittel in den Innenraum des Innenteils einleitbar, so dass sich eine besonders effektive Kühlung und somit eine direkte Temperaturregelung im Inneren des Brennstoffzellenstacks ermöglicht. Bei sämtlichen Kanälen, welche von den Durchgangsöffnungen hin zu dem Innenteil gegeben sind, ist jedoch darauf zu achten, dass hierbei das elastische Element, ohne dessen Dichtwirkung zu beeinträchtigen, unter Umständen zu überbrücken ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Rahmen aus Kunststoff ist. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des Rahmens, es bestehen praktisch keine Korrosionsprobleme. Insbesondere ist eine komplizierte Geometrie von Durchgangsöffnungen einfach im Spritzgussverfah- ren herzustellen, es sind auch keine aufwendigen Maßnahmen zur elektrischen Isolierung vonnöten.
Es ist aber auch möglich, den Rahmen aus einem E- lastomermaterial zu fertigen. In diesem Falle ist kein gesondertes elastisches Element nötig. Die Eigenelastizität des Rahmens reicht somit für das elastische Spiel zwischen Innenteil und Restrahmen aus. Hierdurch wird außerdem ermöglicht, dass auf Zusatzdichtungen im Bereich der Durchgangsöffnungen unter Umständen verzichtet werden kann.
Bezüglich des Innenteils kann ebenfalls auf die Anforderungen entsprechender Werkstoffe zurückgegriffen werden. So ist es besonders vorteilhaft, diese Innen- teile aus korrosionsbeständigen Metallen, Graphit o- der Graphitkomposit vorzusehen. Aufwendige Formge- bungsverfahren sind hierbei nicht vonnöten, insbesondere bei metallischen Werkstoffen ist es aber trotzdem möglich, auf einfach Weise ein Flowfield flächigen Gasverteilung auf einer Außenfläche des Innenteils aufzuprägen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur la einen erfindungsgemäßen Rahmen einer Bipo- larplatte in der Draufsicht,
Figur lb einen Schnitt gemäß A-A durch den erfindungsgemäßen Rahmen nach Figur la,
Figur lc einen Schnitt gemäß B-B durch den Rahmen nach Figur la mit eingesetztem elastischem Element und Innenteil,
Figuren 2a und 2b Detailschnitte weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rahmen, sowie
Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks .
Figur la zeigt die Draufsicht auf den Rahmen einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Der Rahmen 7 ist im wesentlichen mittig angeordneten Zentralbereich 6 offen. Ein in Figur la nicht gezeigtes Innenteil kann in diesem Zentralbereich angeordnet werden bzw. die- sen überdecken. Dieses Innenteil und der Rahmen 7 sind dann elastisch miteinander gekoppelt.
Der Rahmen weist Durchgangslöcher 10a, 10b sowie 10c auf. Die Durchgangslöcher 10c sind zur Durchführung von z.B. Spannbolzen geeignet. Hiermit wird dann in Richtung senkrecht zur Blattebene in Figur la ein a- xialer Anpressdruck auf Bipolarplatten bzw. einen diesen Bipolarplatten enthaltenden Brennstoffzel- lenstack ausgeübt. Außerdem sind weitere Durchgangslöcher vorgesehen. Die Durchgangslöcher 10a dienen der Zufuhr von molekularem Wasserstoff von den Durchgangslöchern zu einer Außenfläche eines in dem Zentralbereich unterzubringenden Innenteils. Auf nähere Einzelheiten wird später bei der Beschreibung des Schnitten A-A in Figur lb eingegangen.
Außerdem sind noch Durchgangsöffnungen 10b für Kühlflüssigkeit vorgesehen. Auf nähere Einzelheiten wird in Figur lc, welches den Schnitt B-B beschreibt, eingegangen.
Sämtliche Durchgangslöcher, welche flüssige bzw. gasförmige Medien führen, sind von einer Dichtung 9 um- geben. Diese dient zur Abdichtung der Durchgangslöcher, wenn die Bipolarplatte auf benachbarte Bauteile aufgepresst wird. Die Dichtung 9 ist im Siebdruckverfahren auf den Rahmen aufgebracht . Die dichtende Wirkung der Dichtung 9 setzt ein, wenn der Rahmen 7 der Bipolarplatte in Richtung senkrecht zur Blattebene axial verpresst wird und somit ein Druck auf die Dichtungen 9 aufgebracht zur Abdichtung der Durchgangslöcher. Der Rahmen in Figur la ist ein Kunst- stoff-Spritzgussteil. Dies hat den Vorteil, dass die Durchgangsöffnungen sowie eventuelle Kanäle von den
Durchgangsöffnungen zu dem Zentralbereich hin einfach im Spritzgussverfahren hergestellt werden können'. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den Rahmen 7 aus anderen Materialien, wie z.B. aus Metallen oder graphitischen Werkstoffen zu fertigen.
Figur lb zeigt einen Schnitt durch den Rahmen 7 gemäß A-A. In dem Schnitt wurde auf die Darstellung der Dichtung 9 verzichtet. Gezeigt ist eine Durchgangsöffnung 10a, welche molekularen Wasserstoff durch ei- nen Zuführkanal 14 zu einem Flowfield an der Außenseite eines Innenteils bringen kann (siehe hierzu Figur lc) . In Figur lb ist außerdem eine Einfassung 12 zu sehen, in welche ein Innenteil zur Bedeckung des Zentralbereiches 6 bzw. ein elastisches Element, wel- c es dieses Innenteil elastisch hält, einbringbar ist.
Figur lc zeigt einen Schnitt gemäß B-B durch den Rahmen aus Figur la. Zur besseren Anschaulichkeit sind in diesem Schnitt noch weitere im Zentralbereich angeordnete Elemente einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gezeigt. In Figur lc ist eine Durchgangsöffnung 10b zur Durchleitung von Kühlflüssigkeit gezeigt. Die Durchgangsöffnung 10b ist mit einem Kühl- kanal 15, welcher zum Zentralbereich des Rahmens 7 hin offen ist, verbunden. In der umlaufenden Einfassung 12 ist ein elastisches Element 8 eingebracht, welches umlaufend ein Innenteil 3 elastisch innerhalb des Rahmens 7 trägt. Das elastische Innenteil weist zwei Außenflächen 3a sowie 3b auf. Die Außenfläche 3a hat nach oben hin ein aufgeprägtes Flowfield 11 zur flächigen Verteilung von Wasserstoff auf der Außenfläche 3a. Die untere Außenfläche 3b weist ebenfalls ein Flowfield auf. Die Außenflächen 3a und 3b sind jeweils elektrisch leitend und miteinander elektrisch verbunden. Im vorliegenden Falle sind sie aus Metall (z.B. Titan). Es ist jedoch auch möglich, diese aus anderen Metallen herzustellen oder auch aus Graphit oder auch einem Graphitkomposit. Möglich ist auch ein elektrisch leitfähiger Kunststoff. Auf dem Flowfield der Außenfläche 3a ist in Figur lc eine Gasdiffusi- onslage aus einem Carbonfaservlies aufgelegt. Oberhalb dieser Gasdiffusionslage ist dann eine ionen- leitfähige Polymerelektrolytmembran 17 einer Brennstoffzelle aufgelegt.
Im folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Bipolarplatte näher erläutert. Da diese dazu dient, eine Kathoden- sowie eine Anodenseite von Brennstoffzellen gas- und flüssigkeitsdicht gegeneinander abzu- grenzen, ist in axialer Richtung 18 (außer durch dafür vorgesehenen Durchgangsöffnungen) kein Medium durch die Bipolarplatte 1 durchführbar. Hierzu ist das aus einem Elastomer bestehende elastische Element 8 fest mit dem Rahmen 7 sowie dem Innenteil 3 gas- dicht verbunden, etwa durch Verkleben. Das Innenteil 3 ist im Inneren hohl, so dass durch das Durchgangsloch 10b zugeführte Kühlflüssigkeit durch den Kühlkanal 15 in den Innenraum 19 des Innenteils eindringen kann. Durch diese sehr direkte Art der Kühlung ist ein präzises Temperaturmanagement für den Brennstoff- zellenstack möglich.
Die Versorgung des Flowfields der Außenfläche 3a erfolgt über die in Figur lb gezeigte Anordnung aus Durchgangsöffnung 10a sowie sich daran anschließendem Zuführkanal 14, welcher zum Flowfield der Außenfläche 3a hin offen ist. Durch die Ausprägung des Flowfiel- des kommt es zu einem flächigen Verteilen des zugeführten Reaktionsgases auf dem Flowfield, die Feinstdiffusion zur Membran 17 hin wird durch die Gasdiffusionslage 16 erreicht. Das Ableiten über- schüssigen Reaktionsgases erfolgt durch die in Figur la zu sehende, diagonal entfernte Anordnung um die Durchgangsöffnung 10a' herum, welche über einen in der Geometrie dem Zufuhrkanal 14 entsprechenden Ab- führkanal 20 verfügt. Für die Verhältnisse auf der
Außenfläche 3b gelten die Ausführungen zu der Außenfläche 3a des Innenteils 3 entsprechend.
Die Bipolarplatte ist nun so aufgebaut, dass in Rich- tung 18 für den Bereich des Rahmens 7 sowie für den Zentralbereich 6 (also alles, was innerhalb des Rahmens 7 liegt) getrennt axialer Anpressdruck in Richtung 18 aufbringbar ist. Hierbei dient der Druck auf den Rahmen 7 in Richtung 18 primär dazu, die die Durchgangsöffnungen 10a bzw. 10b umgebenden Dichtungen 9 zu verpressen, so dass keine Leckage im Bereich der Dichtungsöffnungen auftritt. Eine Verspannung für den Zentralbereich dient dazu, eine gleichmäßige Auflage bzw. einen gleichmäßigen Anpressdruck von Memb- ran sowie Gasdiffusionslage auf das Flowfield zu erreichen. Hierdurch wird dann eine gleichmäßige Gasverteilung über das Flowfield und somit zu der Membran 17 hin sowie eine homogene Stromverteilung ermöglicht. Die bewirkt dann gute Wirkungsgrade des erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstacks. Insbesondere interessant ist hierbei, dass bei Setzeffekten der Dichtung 9 bzw. z.B. der Gasdiffusionslage 16 im Dauerbetrieb des Brennstoffzellenstacks eine Nachstellung unabhängig möglich ist.
Die hierzu notwendige mechanische Entkopplung von Innenteil 3 sowie Rahmen 7 wird hierbei durch das elastische Element 8 erreicht, welches ein Bewegen des Innenteils 3 bezüglich des Rahmens 7 in einem be- grenzten Maße zulässt. Das elastische Element, welches elastisch und dichtend den Bereich zwischen Rah- men 7 und Innenteil 3 abdeckt, kann hierbei mit diesen beiden Teilen verklebt sein oder formschlüssig mit diesen verbunden sein.
Figur 2a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Hierbei ist ein im wesentlichen flaches Innenteil 3' vorgesehen, welches in seinem Inneren nicht hohl ist. Der Rahmen 7' weist umlaufend einen herausstehenden Arm 21 auf. Dieser Arm 21 sowie die äußere Umrandung des Innenteils 3" sind umlaufend mit einem Elastomer 8" umspritzt, . welches, wie in Figur 2a gezeigt, im Querschnitt im Wesentlichen knochenförmig ist.
Figur 2b zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Hierbei ist der Rahmen 7" aus einem Elastomermaterial. Dieser Rahmen 7" weist an seiner dem Zentralbereich zugewandten Seite umlaufend einen Arm 22 auf, welcher mit dem Außenrand ei- nes Innenteils 3 zwei Mal gestrichen verklebt ist.
Der Rahmen 7" hat hierbei einen so hohe Eigenelastizität, dass das elastische Spiel zwischen Innenteil und Rahmen allein durch diese Eigenelastizität bewirkt wird. Es ist kein zusätzliches elastisches Ele- ment zur Zwischenschaltung zwischen den Rahmen 7" und das Innenteil 3" nötig. Der Rahmen 7" weist außerdem an seiner Oberseite eine hügelartige und umlaufende Lippe 23 auf, welche in eine korrespondierende Vertiefung eines benachbarten Bauteiles (diese Vertie- fung entspricht z.B. der Vertiefung 24) eingreift und somit eine Dichtwirkung zeigt.
Figur 3 zeigt noch einmal zusammenfassend schematisch die Kräfteverhältnisse in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack. Hierbei sind der Zentralbereich 6 sowie der Bereich des Rahmens' 13 getrennt voneinander axial in Richtung 18 verspannbar. Eine Kraft F2 ist z.B. mittels Spannbolzen oder Spannbändern auf Endplatten eines Brennstoffzellenstacks aufbringbar, so dass eine axiale Belastung und Rahmen von Bipolarplatten 1 aufgebracht wird. Unabhängig davon ist eine Kraft Fl auf den Zentralbereich 6 der Bipolarplatten 1 aufbringbar. Dies ist z.B. mittels Spannbändern oder einer schraubzwingenmäßigen Pressanordnung möglich, ohne dass die Bipolarplatten 1 hierfür in axialer Richtung 18 perforiert werden müssen.
In der vorliegenden Erfindung ist wesentlich, dass (z.B. bezogen auf Fig. 3) der Zentralbereich 6 sowie der Rahmenbereich 13 (vollständig) voneinander mechanisch entkoppelt sind. Dies heißt, dass der Entkopplungsweg lediglich durch den Elastizitätsbereich des dazwischen liegenden elastischen Gliedes begrenzt ist und nicht durch eine flanschartige, klemmende Kon- struktion zusätzlich in der Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist.
Somit ist es ohne weiteres möglich, dass der Entkopplungsweg (d.h. die maximale Verschiebung in Richtung 18 nach Fig. 3) auch über 50 % der größten Ausdehnung des Elastomermaterials in Richtung 18 (dies ist z.B. in Fig. 2a gut zu sehen als maximale Höhe des Elements 8') betragen kann.
Insbesondere ist in Fig. 3 auch gut erkennbar, dass kein mechanischer "Anschlag" zwischen Rahmenbereich 13 sowie Zentralbereich 6 besteht, die Verschiebbarkeit wird allein durch die zwischen diesen Bereichen angeordneten elastischen Elemente angeordnet. Dies kommt auch dadurch zum Ausdruck, dass in der Plattenebene, d.h. senkrecht zum Richtungsvektor 18, in der Projektionsrichtung 18 keine Überschneidungen zwischen Rahmenbereich 13 und Zentralbereich 6 bestehen. Stattdessen schließt der Rahmenbereich 13 den Zentralbereich 6 ein, ohne dass es hier zu Überschneidun- gen kommt .
Dieser Zusammenhang ist auch in Fig. lc gut erkennbar, hier ist deutlich zu sehen, dass der Rahmen 7 sowie die Bipolarplatte 3 keine Überschneidungen in der Plattenebene (d.h. senkrecht zum Richtungsvektor 18) aufweisen, so dass eine lediglich durch das elastische Element 8 begrenzte Verschiebbarkeit der Bipolarplatte 3 bezüglich des Rahmens 7 in Richtung 18 möglich ist. Dieser Zusammenhang ist auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 2a sowie Fig. 2b leicht erkennbar.
Gezeigt ist zusammenfassend somit ein Brennstoffzel- lenpaket, welches in axialer Schichtung zwischen ein- zelnen Brennstoffzellen Bipolarplatten enthält und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bipolarplatten einen im Zentralbereich 6 offenen Rahmen 7 sowie ein im Zentralbereich angeordnetes Innenteil 3 aufweisen, wobei Rahmen und Innenteil elastisch miteinander ge- koppelt sind und das Brennstoffzellenpaket für den
Zentralbereich 6 und den Bereich 13 des Rahmens separate Mittel zur axialen Kompression des Brennstoffzellenpakets vorsieht.
Gezeigt ist vor allem auch eine Bipolarplatte 1 zur Verwendung in solchen vorgenannten Brennstoffzellen- paketen, welche zwei elektrisch miteinander verbundene Außenflächen 3a, 3b zur elektrischen Kontaktierung sowie Ab- und Zufuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten zu an die Außenflächen benachbarte Flächen 5 von
Brennstoffzellen aufweist, wobei die Bipolarplatte einen Zentralbereich 6 offenen Rahmen 7 sowie ein im Zentralbereich angeordnetes Innenteil 3 aufweist, wobei Rahmen und Innenteil elastisch miteinander gekoppelt sind. Vorzugsweise zeichnet sich diese elastische Entkopplung dadurch aus, dass in Plattenebene der Bipolarplatte keine Überschneidungen von Rahmen 7 und darin angeordnetem Innenteil 3 gegeben sind, so dass eine einwandfreie mechanische Entkopplung von Zentralbereich und Rahmenbereich gegeben ist.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstack kann für den Zentralbereich 6 und den Bereich 13 des Rahmens separate Mittel zur axialen Kompression des Brennstoffzellenstacks und/oder Mittel zur separaten axialen Kompression des Brennstoffzellenstacks aufweisen.
Hierzu können z.B. Spannbolzen, Spannbänder, SpannJoche oder auch hydraulische Kompressionsmittel zur ge- trennten Kompression von Zentralbereich und Bereich des Rahmens vorgesehen werden. Außerdem ist es auch möglich, andere Mittel zur separaten axialen Kompression des Brennstoffzellenstacks vorzusehen. Dies können z.B. nichtebene ("topographische") Endplatten des Brennstoffzellenstacks oder auch nichtebene Bipolarplatten sein. Hier wird jeweils durch eine unterschiedliche Höhe bzw. Topographie dieser normalerweise ebenen Platten eine unterschiedliche Verspannung von Zentralbereich und Rahmen und Bereich des Rahmens erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Bipolarplatte (1) für Brennstoffzellenstacks
(2) , welche zwei elektrisch miteinander verbundene Außenflächen (3a, 3b) zur elektrischen Kontaktierung sowie Ab- und Zufuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten zu an die Außenflächen benachbarte Flächen (5) von Brennstoffzellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte einen im Zentralbereich (6) offenen Rahmen (7) sowie ein im Zentralbereich angegrd- netes Innenteil (3) aufweist, wobei Rahmen und Innenteil elastisch miteinander gekoppelt sind.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innehteil (3) und der Rahmen (7) durch ein zu der Bipolarplatte gehörendes elastisches Element (8) verbunden sind.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element als E- lastomerumspritzung (8') von Rahmen und/oder Innenteil ausgeführt ist (Fig. 2a) .
4. Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass das elastische Element mit dem
Innenteil und/oder dem Rahmen verklebt ist oder formschlüssig mit Innenteil und/oder Rahmen verbunden ist.
5. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen
(7) zum flüssigkeitsdichten Abschluss zu benachbarten Bauteilen hin mit Dichtungen (9) versehen ist.
6. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (7) Durchgangsöffnungen (10a, 10b, 10c) für_Gase und/oder Flüssigkeiten sowie Befestigungsmittel aufweist.
7. Bipolarplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (10a, 10b) des Rahmens (7) zum Zentralbereich (6) hin offen sind.
8. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) einen hohlen Innenraum aufweist und dieser mit mindestens einer Durchgangsöffnung (10b) des Rahmens verbindbar ist.
9. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der R hmen (7) aus Kunststoff ist.
10. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (7") aus einem Elastomermaterial ist.
11. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) aus Metall, Graphit oder Graphitkomposit ist oder mit einer Metallschicht überzogen ist oder aus einem leitfähigen Kunststoff besteht.
12. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil ein aufgeprägtes Flowfield (11) zur flächi- gen Gasverteilung auf einer Außenfläche (3a) des
Innenteils (3) aufweist.
13. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (7) zum Zentralbereich (6) hin umlaufend eine Einfassung (12) zum Halten des Innenteils (3) oder des elastischen Elements aufweist.
14. Brennstoffzellenstack, welcher in axialer Schichtung zwischen einzelnen Brennstoffzellen Bipolarplatten nach einem der Ansprüche 1-13 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstack für den Zentralbereich (6) und den Bereich (13) des Rahmens Mittel zur axialen Kompression des Brennstoffzellenstacks und/oder Mittel zur separaten axialen Kompression des Brennstoffzellenstacks vorsieht.
15. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsmittel Ξpannbolzen, Spannbänder, nicht ebene End- und/oder Bipolarplatten, hydraulische Kompressionsmittel oder Spannjoche sind.
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