WO2015172946A1 - Bipolarplatte und schichtstruktur auf der bipolarplatte - Google Patents

Bipolarplatte und schichtstruktur auf der bipolarplatte Download PDF

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Stefan Haase
Johannes Schmid
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a bipolar plate and a layered structure comprising a gas diffusion layer and a bipolar plate, wherein a contact area between the bipolar plate and the gas diffusion layer is increased.
  • Bipolar plates find application in electrochemical cells, such as a fuel cell system, with multiple stacked single fuel cells, and have the task of separating the single cells from each other, providing electrical contact of the electrodes of the electrochemical cells, passing current to adjacent cells, cells be supplied with media or Christsedukten and derive the resulting waste heat.
  • a bipolar plate is in contact with a gas diffusion layer which serves in an electrochemical cell as a distributor structure of the reaction educts, that is to say in particular of the reaction gases, and is usually formed from tissues of carbon materials.
  • the bipolar plates are formed of metals so that the electrical contact with the gas diffusion layer is not ideal. This creates a high contact resistance.
  • the contact resistance between the two layers can be somewhat reduced, but this usually has to be embossed bipolar plate to provide flow fields for the endeavorsedukte. On the one hand, this in turn increases the contact resistance and, on the other hand, is a complicated and expensive process.
  • a further object of the invention is to provide a layer structure with a bipolar plate and a gas diffusion layer, which is characterized by a low contact resistance between the layers and permits optimum transport of reaction media.
  • the bipolar plate comprises a base surface and provided thereon raised structures.
  • the raised structures ie elevations with respect to the base area, each have a first area which is designed to penetrate into a gas diffusion layer to be brought into contact with the bipolar plate. Thereby, a contact area between the bipolar plate and the gas diffusion layer is increased and a contact resistance between these layers is reduced.
  • the raised structures also each have a second area which is present between the base area of the bipolar plate and the first area of the raised structures.
  • the first and / or second regions are in the form and / or arrangement in such a way that the base of the bipolar plate and the gas diffusion layer are kept at a distance (X).
  • the distance (X) can be adjusted, for example, during compression of the bipolar plate with a gas diffusion layer.
  • the shape, arrangement, structure and material of the raised structures are not limited as long as they provide very good contacting and penetration of the first regions into the gas diffusion layer while increasing the contact area between the layers and forming a clearance function through the second regions of the raised structures enable.
  • These functions are given, for example, by intersecting sublime structures.
  • a first region of the raised structures then lies above the crossing points of the raised structures, that is to say at the end remote from the base area of the bipolar plate.
  • These first areas of sublime structures invade According to the invention in a gas diffusion layer to be contacted. However, the intersection points effectively prevent complete sinking of the raised structures into the gas diffusion layer.
  • a gas diffusion layer-free region which serves for transporting reaction media and thus enables effective transport of these media through the distance (X) formed.
  • the first and / or second regions may also be formed with a specific structure which allows only the first regions of the raised structures to penetrate into a contacting gas diffusion layer but prevents further penetration of the second regions.
  • the distance (X) is determined from the base surface of the bipolar plate in the orthogonal direction, ie in the lamination direction of a gas diffusion layer to be contacted, to the farthest point of the second regions of the raised structures, ie the point at which the first regions adjoin.
  • a bipolar plate with very good transport paths for reaction media ie an optimally integrated flow field and an enlarged contact surface is provided, which enables a contact resistance reduced binding to a gas diffusion layer in a simple manner.
  • the bipolar plate according to the invention is particularly suitable for use in a fuel cell, wherein the fuel cell is arranged in particular in a vehicle.
  • the distance (X) substantially corresponds to a height of the second region of the raised structures.
  • the distance (X) 50 to 300th preferably 70 to 150 ⁇ , is.
  • the gas diffusion layer is fibrous or foamy, which allows a good media transport.
  • a height of the first region of the raised structures is preferably 1 to 10 times, preferably 2 to 4 times, an average fiber diameter of the fibers or an average foam bubble diameter of the foam bubbles in the gas diffusion layer.
  • a height of the first region of the raised structures is 3 to 100 ⁇ , preferably 5 to 30 ⁇ .
  • the height of the first region thus reflects a possible penetration depth into a gas diffusion layer, which already provides a good bond with the gas diffusion layer with 5 ⁇ reduction of contact resistance, which is optimal at a height between 5 and 30 ⁇ , since thus bring in contact the bipolar plate is prevented with the gas diffusion layer and a deformation of the raised areas and penetration of the first regions is facilitated in the gas diffusion layer.
  • the height of the first area is determined along a running direction of the first area and represents an average value.
  • a width of a base of the bipolar plate connected to the foot of the raised structures is smaller than twice the total height of the raised structures.
  • the total height results from the sum of the height h1 of the first regions and the height h2 of the second regions of the raised structures.
  • a distance between arranged in a row raised structures at their respective highest point is greater than twice the total height of the raised structures. This allows a good bond between bipolar plate and gas diffusion layer with a large contact area and low material usage.
  • a distance between raised structures in adjacent rows at their respective highest point to a spacing between arranged in a row of raised structures at their respective highest point satisfies the following relation: e / f> 2. Also hereby a very good contact surface of the bipolar plate is provided, which allows intimate contact with a gas diffusion layer with low contact resistance.
  • Raised structures having first and second regions that allow both contacting and penetration into a gas diffusion layer and spacing gas diffusion layer can be readily formed by applying an intermediate layer between the bipolar plate base and a gas diffusion layer to be contacted.
  • This also has the advantage that the intermediate layer and thus the raised structures can be tuned in a particularly targeted manner in terms of shape, arrangement and structure with regard to the gas diffusion layer to be brought into contact. For this reason, the provision of a foam-like intermediate layer and in particular an intermediate layer of individual structures for forming the raised structures onto the base surface of the bipolar plate is particularly preferred.
  • the raised structures are advantageously formed by structural processing of the bipolar plate, in particular by coating with material and / or deposition of material and / or growth of material.
  • the structural processing advantageously comprises grinding and / or milling and / or scraping and / or etching and / or oxidizing and / or PVD and / or CVD and / or growth of dendritic structures.
  • the methods mentioned here are standard methods for processing surfaces and in particular metal surfaces, which do not require a high technical outlay and are therefore easy and inexpensive to implement and allow a specific embodiment of the raised structures of the bipolar plate.
  • the intermediate layer is connected to the base of the bipolar plate by gluing, soldering, brazing, pressing or impressions.
  • these method steps can also be combined with one another, which contributes to increasing the contact area between the bipolar plate and a gas diffusion layer to be brought into contact therewith.
  • the bipolar plate according to the invention is free of embossings for providing flow fields.
  • the function of the flow fields is taken over by the distance (X) maintained between the base of the bipolar plate and the gas diffusion layer; an embossment in the active region of the bipolar plate can thus be dispensed with.
  • a layer structure which comprises a bipolar plate as described above and a gas diffusion layer.
  • the layer structure according to the invention is characterized in that the first region of the raised structures of the bipolar plate in the Gas diffusion layer has penetrated and increases a contact area between the bipolar plate and the gas diffusion layer. Further, a shape and / or arrangement of the first region and / or the second region of the raised structures of the bipolar plate is formed so that the base of the bipolar plate and the gas diffusion layer are maintained at a distance (X).
  • the layer structure according to the invention is of simple structural design with high functionality, wherein a contact resistance between the individual layers is reduced.
  • the bipolar plate is therefore particularly well suited for installation in a fuel cell system.
  • the distance (X) during pressing of the bipolar plate according to the invention and the gas diffusion layer can be adjusted specifically.
  • the shape or arrangement of the first region and / or of the second region of the raised structures is designed for this purpose to penetrate into the gas diffusion layer.
  • the raised structures penetrate as far as desired, so that first portions of the raised structures are arranged in the gas diffusion layer, while second portions of the raised structures do not penetrate into the raised areas, so that the base of the bipolar plate and the gas diffusion layer on a Distance (X) are held, which then reflects the height of the second areas of the raised structures.
  • the total preferably form, execution and arrangement of the raised areas together with the contact pressure the desired distance (X).
  • An advantageous development of the layer structure according to the invention provides to further reduce the contact resistance between the individual layers that the gas diffusion layer is fibrous or foam-like, wherein a penetration depth of the first region of the raised Structures in the gas diffusion layer is a 1-10-well, preferably a 2-4-well, an average fiber diameter of the fibers, or an average foam bubble diameter of the foam bubbles in the gas diffusion layer. From the aspect of enlarging the contact surface and thus reducing the contact resistance, it is furthermore advantageously provided that the material of the gas diffusion layer is compressed in a contact region of the bipolar plate and the gas diffusion layer.
  • gas diffusion layer is fibrous or foam-like, wherein the distance (X) fulfills the following relation: X> 5 * d. d is an average
  • Fiber diameter of the fibers or an average
  • Foam bubble diameter of the foam bubbles in the gas diffusion layer is Foam bubble diameter of the foam bubbles in the gas diffusion layer.
  • a media flow field can be provided with a large transport volume with minimum use of material and at the same time very good electrical conductivity, which has a favorable effect on the cost structure of the
  • the bipolar plate according to the invention and the layer structure according to the invention are particularly suitable for use in a fuel cell, wherein the fuel cell is arranged in particular in a vehicle.
  • the contact area between the bipolar plate according to the invention and a gas diffusion layer is significantly increased.
  • the contact resistance between the bipolar plate according to the invention and a gas diffusion layer is reduced.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a bipolar plate according to a first advantageous embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a bipolar plate according to a second advantageous development of the invention
  • FIG. 3 a schematic representation of a bipolar plate according to a third advantageous development of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a bipolar plate according to a fourth advantageous development of the invention
  • FIG. 5 a schematic representation of a layer structure according to a first development of the invention
  • Figure 6 is a schematic representation of a layer structure according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 7 is a schematic representation of a layer structure according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a bipolar plate 10 with a base area 1 on which raised structures 2 are arranged or provided.
  • the raised structures 2 each have a first region 4.
  • the first region or regions 4 are designed to penetrate into a gas diffusion layer (not shown) to be brought into contact with the bipolar plate 10. As a result, a contact area between the bipolar plate 10 and the gas diffusion layer is increased.
  • the raised structures 2 furthermore have second areas 3 which extend between the base area 1 of the bipolar plate 10 and the first areas 4 of the raised structures 2.
  • the arrangement of the first region 4 and the second region 3, and thus the arrangement of the raised structures 2 to each other, is designed so that the base surface 1 of the bipolar plate 10 and a gas diffusion layer to be brought into contact with the bipolar plate are kept at a distance.
  • at least two intersecting structures result in a raised structure 2, which above the intersection point has a first area 4 with a height h1 and below the intersection point a second area 3 with a height h2.
  • the course of the intersecting structures when contacting the bipolar plate 10 with a gas diffusion layer, prevents its complete penetration of the raised structures 2.
  • the gas diffusion layer is thus kept at a distance, here e.g. the height h2 of the second areas corresponds.
  • the height h2 of the second regions is measured in a direction orthogonal to the base surface 1 of the bipolar plate 10 and extends to the point of intersection of the raised structures 2.
  • the height h1 of the first regions is in the direction or in the extension direction from the crossing point to the end of the first Area, so the end that is intended to penetrate into a gas diffusion layer determined.
  • the respective values of the heights are average values.
  • a distance X, and thus a height h2 of the second regions 4 is 50 to 300 ⁇ m, and preferably 70 to 150 ⁇ m.
  • the raised structures 2 can be formed, for example, by applying an intermediate layer and in particular a foam-like intermediate layer and furthermore, in particular, an intermediate layer of individual structures, onto the base area 1 of the bipolar plate 10.
  • the raised structures 2 may be formed by structural processing of the bipolar plate 10, in particular by coating with material and / or deposition of material and / or growth of material.
  • the bipolar plate 10 provides a large potential contact area due to the formation of the raised structures 2. Furthermore, due to the second regions 3 of the raised structures 2, which are intended not to penetrate into the gas diffusion layer, a media flow field is provided in the bipolar plate 0, without the bipolar plate 10 having embossings in the active region for this purpose.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of a bipolar plate.
  • the bipolar plate 20 in turn comprises a base surface 1 with arrow-shaped raised structures 2 arranged thereon.
  • the first regions 4 formed in arrowhead shape facilitate penetration into a gas diffusion layer to be contacted by enlarging the contact surface and thus reducing the contact resistance.
  • the broad legs of the arrowheads of the first regions 4 prevent penetration into a gas diffusion layer down to the base 1 of the bipolar plate 20, ie including the second regions 3.
  • the second regions 3 thus ensure a distance between the base 1 of the bipolar plate 20 and a to be contacted gas diffusion layer.
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment of a bipolar plate.
  • the bipolar plate 30 has raised structures 2, which in turn comprise first regions 4 and second areas 3 have.
  • the shape or the structure of the first regions 4 in relation to the shape and structure of the second regions 3 is formed such that penetration of the first regions 4 into a gas diffusion layer to be contacted is possible only up to the point of the raised structures 2 the second region 3 is formed thickened relative to the first region 4.
  • FIG. 4 shows a bipolar plate 40 which has raised structures 2 arranged in two rows R, as they are have already been explained in Figure 2.
  • FIG. 4 illustrates the relation between the raised areas 2.
  • FIG. 5 shows a layer structure 100 according to a development of the invention.
  • the layer structure 100 is formed from a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 20 as shown in FIG.
  • the gas diffusion layer 5 and the bipolar plate 20 were pressed to produce the layer structure 100.
  • the first regions 4 of the raised structures 2 entered the surface of the gas diffusion layer 5. Due to the shape or the structure of the first regions 4 and the second Areas 3, a sinking of the second areas 3 in the gas diffusion layer 5 was prevented.
  • the layer structure 100 is characterized by a low contact resistance and a good suitability for the transport of reaction media.
  • the gas diffusion layer is fibrous or foamy, and the distance X satisfies the following relation: X a 5 * d. d is an average fiber diameter of the fibers or an average foam bubble diameter of the foam bubbles in the gas diffusion layer 5.
  • the distance X is 50 to 300 [im, and preferably 70 to 150 [im.
  • a height h1 of the first regions 4 of the raised structures 2 is a 0-compartment, preferably a 2-4 compartment, an average fiber diameter of the fibers or an average foam bubble diameter of the foam bubbles in the gas diffusion layer 5, the height h1 of the first Areas 4 of the raised structures 2 in particular 3 to 100 [im, preferably 5 to 30 [im.
  • FIG. 6 shows a layer structure 200 according to a second development of the invention.
  • the layer structure 200 was produced by pressing a bipolar plate 30 with a gas diffusion layer 5.
  • the bipolar plate 30 has pyramidal raised structures 2, each having a first region 4 and a second region 3, on.
  • the shape, design and arrangement of the raised areas, together with the contact pressure, produce the desired spacing X. Limiting the pressing pressure can prevent the raised structures 2 from continuing to enter the Gas diffusion layer 5 penetrate.
  • FIG. 7 shows a layer structure 300 according to a third development of the invention.
  • Layer structure 300 differs from layer structure 200 of FIG. 6 in the shape of the raised structure 2.
  • the specific, M-shaped form offers a certain resistance which, even when the layer structure 300 is pressed, completely penetrates the raised structure 2 into the gas diffusion layer via the vertex the raised structure 2, prevented.
  • a penetration depth of the first region 4 of the raised structure 2 and thus a certain distance X that of the height h 2 of the second region 3 of the raised structure 2 corresponds to be adjusted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, die eine Grundfläche und darauf vorgesehene erhabene Strukturen umfasst. Die erhabenen Strukturen weisen je einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf. Der erste Bereich ist dabei ausgebildet, in eine mit der Bipolarplatte in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht einzudringen und eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht zu vergrößern. Der zweite Bereich ist zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte und dem ersten Bereich der erhabenen Strukturen vorhanden. Eine Form und/oder Anordnung des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs ist ausgebildet, die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand zu halten.

Description

BIPOLARPLATTE UND SCHICHTSTRUKTUR AUF DER BIPOLARPLATTE
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und eine Schichtstruktur, die eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte umfasst, wobei eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht vergrößert ist. Bipolarplatten finden Anwendung in elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise einem Brennstoffzellensystem, mit mehreren zu einem Stapel zusammengefassten Einzel-Brennstoffzellen, und haben die Aufgabe, die Einzelzellen voneinander zu trennen, einen elektrischen Kontakt der Elektroden der elektrochemischen Zellen bereitzustellen, Strom zu benachbarten Zellen weiterzuleiten, Zellen mit Medien oder Reaktionsedukten zu versorgen und die entstandene Abwärme abzuleiten.
Üblicherweise steht eine Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionsschicht in Kontakt, die in einer elektrochemischen Zelle als Verteilerstruktur der Reaktionsedukte, also insbesondere der Reaktionsgase, dient, und meist aus Geweben aus Kohlenstoffmaterialien gebildet ist. Herkömmlicherweise sind die Bipolarplatten aus Metallen gebildet, so dass der elektrische Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht nicht ideal ist. Dadurch entsteht ein hoher Kontaktwiderstand. Durch Verpressen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht kann der Kontaktwiederstand zwischen den beiden Schichten etwas reduziert werden, jedoch muss dazu im Regelfall die Bipolarplatte verprägt sein, um Flussfelder für die Reaktionsedukte bereitzustellen. Dies erhöht einerseits wiederum den Kontaktwiderstand und ist andererseits ein aufwendiger und kostenintensiver Prozess. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte bereitzustellen, die eine große Kontaktfläche mit einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht und zudem Flussfelder für Reaktionsmedien bereitstellt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Schichtstruktur mit einer Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht bereitzustellen, die sich durch einen geringen Kontaktwiderstand zwischen den Schichten auszeichnet und einen optimalen Transport von Reaktionsmedien erlaubt.
Die Aufgabe wird bei einer Bipolarplatte erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte eine Grundfläche und darauf vorgesehene erhabene Strukturen umfasst. Die erhabenen Strukturen, also Erhöhungen gegenüber der Grundfläche, weisen je einen ersten Bereich auf, der ausgebildet ist, in eine mit der Bipolarplatte in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht einzudringen. Dadurch wird eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht vergrößert und ein Kontaktwiderstand zwischen diesen Schichten verringert. Die erhabenen Strukturen weisen ferner je einen zweiten Bereich auf, der zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte und dem ersten Bereich der erhabenen Strukturen vorhanden ist. Die ersten und/oder zweiten Bereiche sind in Form und/oder Anordnung dabei so ausgebildet, dass die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand (X) gehalten werden. Der Abstand (X) kann dabei beispielsweise auch beim Verpressen der Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionsschicht eingestellt werden. Form, Anordnung, Struktur und Material der erhabenen Strukturen sind im Einzelnen nicht beschränkt, solange sie eine sehr gute Kontaktierung und ein Eindringen der ersten Bereiche in die Gasdiffusionsschicht unter Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Schichten und das Ausbilden einer Abstandsfunktion durch die zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen ermöglichen. Diese Funktionen sind beispielsweise durch sich kreuzende erhabene Strukturen gegeben. Ein erster Bereich der erhabenen Strukturen liegt dann oberhalb der Kreuzungspunkte der erhabenen Strukturen, also am von der Grundfläche der Bipolarplatte entfernteren Ende. Diese ersten Bereiche der erhabenen Strukturen dringen erfindungsgemäß in eine zu kontaktierende Gasdiffusionsschicht ein. Durch die Kreuzungspunkte wird jedoch ein komplettes Einsinken der erhabenen Strukturen in die Gasdiffusionsschicht effektiv verhindert. Unterhalb der Kreuzungspunkte, also zwischen den Kreuzungspunkten und der Grundfläche der Bipolarplatte, wird ein Gasdiffusionsschicht-freier Bereich, ein Abstandsbereich, gebildet, der zum Transport von Reaktionsmedien dient und somit durch den entstandenen Abstand (X) eine effektive Beförderung dieser Medien ermöglicht. Alternativ oder additiv zu sich kreuzenden erhabenen Strukturen können auch die ersten und/oder zweiten Bereiche mit spezifischer Struktur ausgebildet sein, die ein Eindringen lediglich der ersten Bereiche der erhabenen Strukturen in eine in Kontakt gelangende Gasdiffusionsschicht erlaubt, jedoch ein weiteres Eindringen der zweiten Bereiche unterbindet. Der Abstand (X) wird dabei ausgehend von der Grundfläche der Bipolarplatte in orthogonaler Richtung, also in Laminierrichtung einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht, bis zum weitest entferntesten Punkt der zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen, also dem Punkt, an den die ersten Bereiche angrenzen, bestimmt. Somit wird eine Bipolarplatte mit sehr guten Transportwegen für Reaktionsmedien, also einem optimal integrierten Flussfeld sowie einer vergrößerten Kontaktfläche bereitgestellt, die auf einfache Weise ein kontaktwiderstandreduziertes Anbinden an eine Gasdiffusionsschicht ermöglicht. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist insbesondere zur Verwendung in einer Brennstoffzelle geeignet, wobei die Brennstoffzelle insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet ist.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht vor, dass der Abstand (X) im Wesentlichen einer Höhe des zweiten Bereichs der erhabenen Strukturen entspricht. Somit kann einfach durch gezielte Ausgestaltung der Struktur und Form der erhabenen Strukturen maßgeblich Einfluss auf das auszubildende Medienflussfeld genommen werden, ohne dass separate Bearbeitungsschritte, wie beispielsweise ein Verprägen der Bipolarplatte, vorgenommen werden müssen. Zur Bereitstellung einer Bipolarplatte mit einem Flussfeld mit großem Transportvolumen ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der Abstand (X) 50 bis 300
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vorzugsweise 70 bis 150 μιη, beträgt. Weiter vorteilhaft ist die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig, was einen guten Medientransport ermöglicht. Eine Höhe des ersten Bereichs der erhabenen Strukturen beträgt vorzugsweise ein 1 - bis 10-Faches, vorzugsweise ein 2- bis 4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht. Hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht effektiv vergrößert und damit ein Kontaktwiderstand zwischen diesen beiden Schichten deutlich reduziert.
Ebenfalls aus Gründen der Erhöhung der Kontaktfläche zu einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht und einer damit verbundenen Kontaktwiderstandsreduzierung, beträgt eine Höhe des ersten Bereichs der erhabenen Strukturen 3 bis 100 μιτι, vorzugsweise 5 bis 30 μιτι. Die Höhe des ersten Bereichs spiegelt damit eine mögliche Eindringtiefe in eine Gasdiffusionsschicht wider, die bei 5 μιη bereits einen guten Verbund mit der Gasdiffusionsschicht unter Reduzierung des Kontaktwiderstandes bereitstellt, der bei einer Höhe zwischen 5 und 30 μηη optimal ist, da somit beim in Kontakt bringen der Bipolarplatte mit der Gasdiffusionsschicht auch einer Deformation der erhabenen Bereiche vorgebeugt und ein Eindringen der ersten Bereiche in die Gasdiffusionsschicht erleichtert wird. Die Höhe des ersten Bereichs wird entlang einer Verlaufsrichtung des ersten Bereichs bestimmt und stellt einen Durchschnittswert dar.
Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Breite eines mit der Grundfläche der Bipolarplatte in Verbindung stehenden Fußes der erhabenen Strukturen kleiner ist als die doppelte Gesamthöhe der erhabenen Strukturen. Die Gesamthöhe ergibt sich dabei aus der Summe der Höhe h1 der ersten Bereiche und der Höhe h2 der zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen. Hierbei wird jeweils Bezug genommen auf durchschnittliche Werte der Breite und der Höhe. Hierdurch wird ein sehr gutes Volumen/Oberflächen-Verhältnis in den erhabenen Strukturen erzielt, das die Ausbildung einer besonders großen Kontaktfläche bei möglichst geringem Materialaufwand für die erhabenen Strukturen erlaubt.
Ferner vorteilhaft ist ein Abstand zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen an ihrem jeweils höchsten Punkt größer als die doppelte Gesamthöhe der erhabenen Strukturen. Dies ermöglicht einen guten Verbund zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht bei großer Kontaktfläche und geringem Materialeinsatz.
Alternativ oder additiv dazu ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Abstand zwischen erhabenen Strukturen in benachbarten Reihen an ihrem jeweils höchsten Punkt zu einem Abstand zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen an ihrem jeweils höchsten Punkt die folgende Relation erfüllt: e/f > 2. Auch hierdurch wird eine sehr gute Kontaktfläche der Bipolarplatte bereitgestellt, die einen innigen Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht bei geringem Kontaktwiderstand ermöglicht.
Erhabene Strukturen mit ersten und zweiten Bereichen, die sowohl ein Kontaktieren und Eindringen in eine Gasdiffusionsschicht als auch ein auf Abstand Halten einer Gasdiffusionsschicht ermöglichen, lassen sich sehr einfach durch Aufbringen einer Zwischenschicht zwischen der Bipolarplattengrundfläche und einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht bilden. Dies hat ferner den Vorteil, dass die Zwischenschicht und damit die erhabenen Strukturen besonders gezielt in Form, Anordnung und Struktur im Hinblick auf die in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht abgestimmt werden können. Aus diesem Grund ist das Vorsehen einer schaumartigen Zwischenschicht und insbesondere einer Zwischenschicht aus einzelnen Strukturen zur Bildung der erhabenen Strukturen, auf die Grundfläche der Bipolarplatte, besonders bevorzugt. Aus Gründen einer einfachen und kostengünstigen Herstellung unter Einsparung von Materialkosten, sind die erhabenen Strukturen vorteilhafterweise durch strukturelle Bearbeitung der Bipolarplatte, insbesondere durch Beschichten mit Material und/oder Ablagern von Material und/oder Aufwachsen von Material, gebildet. Somit kann die Leitfähigkeit im Übergang des ersten Bereichs der erhabenen Strukturen und der zum Kontakt vorgesehenen Gasdiffusionsschicht weiter verbessert und der Kontaktwiderstand zwischen diesen beiden Schichten effektiv gesenkt werden. Vorteilhaft umfasst die strukturelle Bearbeitung ein Schleifen und/oder Fräsen und/oder Kratzen und/oder Ätzen und/oder Oxidieren und/oder PVD und/oder CVD und/oder Aufwachsen von dendritischen Strukturen. Die hier genannten Verfahren sind Standardverfahren zur Bearbeitung von Oberflächen und insbesondere von metallenen Oberflächen, die keinen hohen technischen Aufwand erfordern und daher leicht und kostengünstig umsetzbar sind und eine spezifische Ausgestaltung der erhabenen Strukturen der Bipolarplatte erlauben.
Weiter vorteilhaft ist die Zwischenschicht mit der Grundfläche der Bipolarplatte durch Kleben, Löten, Hartlöten, Anpressen oder Eindrücken verbunden. Je nach Bedarf können diese Verfahrensschritte auch miteinander kombiniert werden, was zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und einer damit in Kontakt zu bringenden Gasdiffusionsschicht beiträgt.
Zur Einsparung von Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist diese frei von Verprägungen zur Bereitstellung von Flussfeldern. Die Funktion der Flussfelder wird durch den zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht eingehaltenen Abstand (X) übernommen; eine Verprägung im aktiven Bereich der Bipolarplatte kann damit entfallen.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Schichtstruktur beschrieben, die eine wie vorstehend beschriebene Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht umfasst. Die erfindungsgemäße Schichtstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich der erhabenen Strukturen der Bipolarplatte in die Gasdiffusionsschicht eingedrungen ist und eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht vergrößert. Ferner ist eine Form und/oder Anordnung des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs der erhabenen Strukturen der Bipolarplatte so ausgebildet, dass die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand (X) gehalten werden. Die erfindungsgemäße Schichtstruktur ist von einfachem strukturellem Aufbau bei hoher Funktionalität, wobei ein Kontaktwiederstand zwischen den Einzelschichten reduziert ist. Gleichzeitig werden durch die Ausbildung und Erhaltung des Abstandes Medienflussfelder bereitgestellt, ohne dass die Bipolarplatte hierzu gesondert bearbeitet werden muss. Die Bipolarplatte eignet sich daher besonders gut für den Verbau in einem Brennstoffzellensystem. Insbesondere kann der Abstand (X) beim Verpressen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht gezielt eingestellt werden. Die Form bzw. Anordnung des ersten Bereichs und/oder des zweiten Bereichs der erhabenen Strukturen ist hierfür so ausgebildet, in die Gasdiffusionsschicht einzudringen. Durch einen vorgegebenen Pressdruck dringen die erhabenen Strukturen soweit wie gewünscht ein, so dass erste Bereiche der erhabenen Strukturen in der Gasdiffusionsschicht angeordnet werden, während zweite Bereiche der erhabenen Strukturen nicht in die erhabenen Bereiche eindringen, so dass die Grundfläche der Bipolarplatte und die Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand (X) gehalten werden, der dann die Höhe der zweiten Bereiche der erhabenen Strukturen widerspiegelt. Mit anderen Worten ergeben in Summe vorzugsweise Form, Ausführung und Anordnung der erhabenen Bereiche zusammen mit dem Anpressdruck den gewünschten Abstand (X).
Die für die erfindungsgemäße Bipolarplatte vorgesehenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Schichtstruktur.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schichtstruktur sieht zur weiteren Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen den Einzelschichten vor, dass die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig ist, wobei eine Eindringtiefe des ersten Bereichs der erhabene Strukturen in die Gasdiffusionsschicht ein 1-10-Faches, vorzugsweise ein 2-4- Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht, beträgt. Unter dem Aspekt der Vergrößerung der Kontaktfläche und damit der Reduzierung des Kontaktwiderstandes ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass das Material der Gasdiffusionsschicht in einem Kontaktbereich der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht verdichtet ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig ist, wobei der Abstand (X) folgende Relation erfüllt: X > 5 * d. d ist dabei ein durchschnittlicher
Faserdurchmesser der Fasern oder ein durchschnittlicher
Schaumblasendurchmesser der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht.
So kann ein Medienflussfeld mit großem Transportvolumen bei minimalem Materialeinsatz und gleichzeitig sehr guter elektrischer Leitfähigkeit bereitgestellt werden, was sich günstig auf die Kostenstruktur der
Schichtstruktur auswirkt.
Besonders vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt der Bereitstellung eines Flussfeldes mit großem Transportvolumen bei hoher Stabilität der Schichtstruktur und reduziertem Druckverlust ist der Abstand (X) 50 bis 300 μηη und vorzugsweise 70 bis 150 μιη.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte sowie die erfindungsgemäße Schichtstruktur sind insbesondere zur Verwendung in einer Brennstoffzelle geeignet, wobei die Brennstoffzelle insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen und deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
- Die Kontaktfläche zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht wird deutlich vergrößert. - Der Kontaktwiderstand zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht ist reduziert.
- Die elektrische Leitfähigkeit zwischen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und einer Gasdiffusionsschicht ist erhöht.
- In der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sind Flussfelder integriert, ohne dass separate Bearbeitungsschritte vorgesehen werden müssen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer vierten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur gemäß einer zweiten Weiterbildung der Erfindung und
Figur 7 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur gemäß einer dritten Weiterbildung der Erfindung.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der erfindungsgemäßen Bipolarplatte bzw. der Schichtstruktur dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile.
Figur 1 zeigt eine Bipolarplatte 10 mit einer Grundfläche 1 auf der erhabene Strukturen 2 angeordnet bzw. vorgesehen sind. Die erhabenen Strukturen 2 weisen je einen ersten Bereich 4 auf. Der bzw. die ersten Bereiche 4 sind ausgebildet, in eine mit der Bipolarplatte 10 in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht (nicht gezeigt) einzudringen. Hierdurch wird eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht vergrößert. Die erhabenen Strukturen 2 weisen ferner zweite Bereiche 3 auf, die sich zwischen der Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 und den ersten Bereichen 4 der erhabenen Strukturen 2 erstrecken.
Die Anordnung des ersten Bereichs 4 und des zweiten Bereichs 3, und damit die Anordnung der erhabenen Strukturen 2 zueinander, ist so ausgebildet, dass die Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 und eine mit der Bipolarplatte in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht auf einem Abstand gehalten werden. Dies wird, wie beispielhaft in Figur 1 gezeigt, dadurch ermöglicht, dass sich erste und zweite Bereiche von z.B. benachbarten erhabenen Strukturen 2 kreuzen. So ergibt sich aus mindestens zwei sich kreuzenden Strukturen eine erhabene Struktur 2, die oberhalb des Kreuzungspunktes einen ersten Bereich 4 mit einer Höhe h1 und unterhalb Kreuzungspunktes einen zweiten Bereich 3 mit einer Höhe h2 aufweisen. Der Verlauf der sich kreuzenden Strukturen verhindert beim in Kontakt bringen der Bipolarplatte 10 mit einer Gasdiffusionsschicht sein vollständiges Eindringen der erhabenen Strukturen 2. Die Gasdiffusionsschicht wird somit auf Abstand gehalten, der hier z.B. der Höhe h2 der zweiten Bereiche entspricht.
Die Höhe h2 der zweiten Bereiche wird dabei in einer Richtung orthogonal zur Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 gemessen und erstreckt sich bis zum Kreuzungspunkt der erhabenen Strukturen 2. Die Höhe h1 der ersten Bereiche wird in Verlaufsrichtung bzw. in Erstreckungsrichtung vom Kreuzungspunkt bis zum Ende des ersten Bereichs, also dem Ende, das vorgesehen ist in eine Gasdiffusionsschicht einzudringen, bestimmt. Die jeweiligen Werte der Höhen sind dabei Durchschnittswerte.
Vorzugsweise beträgt ein Abstand X, und damit auch eine Höhe h2 der zweiten Bereiche 4 50 bis 300 μητι und vorzugsweise 70 bis 150 pm. Die erhabenen Strukturen 2 können beispielsweise durch Aufbringen einer Zwischenschicht und insbesondere einer schaumartigen Zwischenschicht und ferner insbesondere einer Zwischenschicht aus einzelnen Strukturen, auf die Grundfläche 1 der Bipolarplatte 10 gebildet sein. Alternativ dazu können die erhabenen Strukturen 2 durch strukturelle Bearbeitung der Bipolarplatte 10, insbesondere durch Beschichten mit Material und/oder Ablagern von Material und/oder Aufwachsen von Material, gebildet sein.
Die Bipolarplatte 10 stellt aufgrund der Ausbildung der erhabenen Strukturen 2 eine große potentielle Kontaktfläche bereit. Ferner wird aufgrund der zweiten Bereiche 3 der erhabenen Strukturen 2, die vorgesehen sind nicht in die Gasdiffusionsschicht einzudringen, ein Medienflussfeld in der Bipolarplatte 0 bereitstellt, ohne dass die Bipolarplatte 10 hierzu im aktiven Bereich Verprägungen aufweist.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Bipolarplatte. Die Bipolarplatte 20 umfasst wiederum eine Grundfläche 1 mit darauf angeordneten, pfeilförmigen erhabenen Strukturen 2. Durch die in Pfeilspitzenform ausgebildeten ersten Bereiche 4 wird ein Eindringen in eine zu kontaktierende Gasdiffusionsschicht unter Vergrößerung der Kontaktfläche und damit unter Reduzierung des Kontaktwiderstandes, erleichtert. Die breiten Schenkel der Pfeilspitzen der ersten Bereiche 4 verhindern jedoch ein Eindringen in eine Gasdiffusionsschicht bis auf die Grundfläche 1 der Bipolarplatte 20, also unter Einbeziehung der zweiten Bereiche 3. Die zweiten Bereiche 3 sichern somit einen Abstand zwischen der Grundfläche 1 der Bipolarplatte 20 und einer zu kontaktierenden Gasdiffusionsschicht.
Figur 3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung einer Bipolarplatte. Die Bipolarplatte 30 weist erhabene Strukturen 2 auf, die wiederum erste Bereiche 4 und zweite Bereiche 3 haben. Hier ist die Form bzw. die Struktur der ersten Bereiche 4 im Verhältnis zur Form und Struktur der zweiten Bereiche 3 so ausgebildet, dass ein Eindringen der ersten Bereiche 4 in eine zu kontaktierende Gasdiffusionsschicht lediglich bis zu dem Punkt der erhabenen Strukturen 2 möglich ist, an dem der zweite Bereich 3 verdickt gegenüber dem ersten Bereich 4 ausgebildet ist.
Material und Struktur der zweiten Bereiche 3 müssen nicht massiv sein, sondern können porös oder mit Durchgängen versehen sein, so dass ein Flussfeld mit großem Medienvolumen bereitgestellt werden kann, c beschreibt einen mit der Bipolarplatte 30 in Verbindung stehenden Fuß der erhabenen Bereiche 2. Eine Breite eines mit der Grundfläche der Bipolarplatte 1 in Verbindung stehenden Fußes der erhabenen Strukturen c ist dabei vorteilhafterweise kleiner als eine doppelte Gesamthöhe der erhabenen Strukturen 2. In Figur 4 ist eine Bipolarplatte 40 gezeigt, die in zwei Reihen R angeordnete erhabene Strukturen 2 aufweist, wie sie in Figur 2 bereits erläutert wurden. Figur 4 veranschaulicht die Relation zwischen den erhabenen Bereichen 2. Hierbei ist ein Abstand zwischen in einer Reihe R angeordneten erhabenen Strukturen f an ihrem jeweils höchsten Punkt größer als die doppelte Gesamthöhe h der erhabenen Strukturen 2 mit h = h1 + h2. Ferner erfüllt ein Abstand zwischen erhabenen Strukturen 2 in benachbarten Reihen e an ihrem jeweils höchsten Punkt zu einem Abstand f zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen 2 an ihrem jeweils höchsten Punkt vorteilhafterweise die folgende Relation: e/f > 2. Figur 5 zeigt eine Schichtstruktur 100 gemäß einer Weiterbildung der Erfindung. Die Schichtstruktur 100 wird aus einer Gasdiffusionsschicht 5 und einer wie in Figur 2 dargestellten Bipolarplatte 20 gebildet. Die Gasdiffusionsschicht 5 und die Bipolarplatte 20 wurden zur Herstellung der Schichtstruktur 100 verpresst. Hierdurch drangen die ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 in die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 5 ein. Aufgrund der Form bzw. der Struktur der ersten Bereiche 4 und der zweiten Bereiche 3, wurde ein Einsinken der zweiten Bereiche 3 in die Gasdiffusionsschicht 5 verhindert. So ist zwischen der Gasdiffusionsschicht 5 und der Grundfläche 1 der Bipolarplatte 20 ein Abstand X gebildet, der eine Höhe aufweist, die der Höhe der zweiten Bereiche 3 entspricht. Hierdurch ist ein Medienflussfeld gebildet worden. Die Schichtstruktur 100 zeichnet sich durch einen geringen Kontaktwiderstand und eine gute Eignung zur Beförderung von Reaktionsmedien aus.
Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsschicht faserhaltig oder schaumartig, und der Abstand X erfüllt folgende Relation: X ä 5 * d. d ist dabei ein durchschnittlicher Faserdurchmesser der Fasern oder ein durchschnittlicher Schaumblasendurchmesser der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht 5.
Ferner vorzugsweise beträgt der Abstand X 50 bis 300 [im und vorzugsweise 70 bis 150 [im.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Höhe h1 der ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 ein - 0-Faches, vorzugsweise ein 2-4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht 5, wobei die Höhe h1 der ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 insbesondere 3 bis 100 [im, vorzugsweise 5 bis 30 [im, beträgt.
Figur 6 zeigt eine Schichtstruktur 200 gemäß einer zweiten Weiterbildung der Erfindung. Die Schichtstruktur 200 wurde durch Verpressen einer Bipolarplatte 30 mit einer Gasdiffusionsschicht 5 hergestellt. Die Bipolarplatte 30 weist pyramidale erhabene Strukturen 2 mit je einem ersten Bereich 4 und einem zweiten Bereich 3, auf. Durch einen entsprechenden Druck beim Verpressen der Schichten sind die ersten Bereiche 4 der erhabenen Strukturen 2 in die Gasdiffusionsschicht 5 eingedrungen. Form, Ausführung und Anordnung der erhabenen Bereiche ergeben zusammen mit dem Anpressdruck den gewünschten Abstand X. Eine Limitierung des Pressdrucks kann dabei verhindern, dass die erhabenen Strukturen 2 weiter in die Gasdiffusionsschicht 5 eindringen. Somit liegen, wie hier gezeigt, zweite Bereiche 3 der erhabenen Strukturen 2 zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte 1 und den ersten Bereichen 4 der erhabenen Strukturen 2, also auch zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte 1 und der Gasdiffusionsschicht 5, frei, woraus ein Abstand X zwischen der Grundfläche der Bipolarplatte 1 und der Gasdiffusionsschicht 5 resultiert, der zur Ausbildung eines Medienflussfelds geeignet ist.
Figur 7 zeigt eine Schichtstruktur 300 gemäß einer dritten Weiterbildung der Erfindung. Schichtstruktur 300 unterscheidet sich von Schichtstruktur 200 aus Figur 6 durch die Form der erhabenen Struktur 2. Die spezifische, M-förmige Form bietet einen gewissen Widerstand, der auch beim Verpressen der Schichtstruktur 300 ein vollständiges Eindringen der erhabenen Struktur 2 in die Gasdiffusionsschicht über den Scheitelpunkt der erhabenen Struktur 2 hinaus, verhindert. So kann gezielt durch Auswahl der Form des erhabenen Bereichs 2 in Kombination mit dem Druck beim Verpressen der Schichtstruktur 300 eine Eindringtiefe des ersten Bereiches 4 der erhabenen Struktur 2 und damit ein bestimmter Abstand X, der der Höhe h2 des zweiten Bereichs 3 der erhabenen Struktur 2 entspricht, eingestellt werden. Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Grundfläche der Bipolarplatte
2 erhabene Strukturen
3 zweite Bereiche der erhabenen Strukturen
4 erste Bereiche der erhabenen Strukturen
5 Gasdiffusionsschicht
10 Bipolarplatte
20 Bipolarplatte
30 Bipolarplatte
40 Bipolarplatte
50 Bipolarplatte
60 Bipolarplatte
100 Schichtstruktur
200 Schichtstruktur
300 Schichtstruktur
c mit der Bipolarplatte in Verbindung stehender Fuß einer erhabenen
Struktur
e Abstand zwischen erhabenen Strukturen in benachbarten Reihen an ihrem jeweils höchsten Punkt
f Abstand zwischen in einer Reihe angeordneten erhabenen Strukturen an ihrem jeweils höchsten Punkt
h1 Höhe der ersten Bereiche
h2 Höhe der zweiten Bereiche
h Gesamthöhe der erhabenen Strukturen
R Reihe an erhabenen Strukturen
X Abstand

Claims

Patentansprüche 1. Bipolarplatte umfassend eine Grundfläche (1) und darauf vorgesehene erhabene Strukturen (2), wobei die erhabenen Strukturen (2) je einen ersten Bereich (4), der ausgebildet ist, in eine mit der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) in Kontakt zu bringende Gasdiffusionsschicht (5) einzudringen und eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) und der Gasdiffusionsschicht (5) zu vergrößern und einen zweiten Bereich (3), der zwischen der Grundfläche (1 ) der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) und dem ersten Bereich (4) der erhabenen Strukturen (2) vorhanden ist, umfassen, wobei eine Form und/oder Anordnung des ersten Bereichs (4) und/oder des zweiten Bereichs (3) ausgebildet ist, die Grundfläche (1 ) der Bipolarplatte (10,
20, 30, 40, 50, 60) und die Gasdiffusionsschicht (5) auf einem Abstand (X) zu halten.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (X) im Wesentlichen einer Höhe (h2) des zweiten Bereichs (3) der erhabenen Strukturen (2) entspricht und/oder dass der Abstand (X)
50 bis 300 pm, vorzugsweise 70 bis 150 μηη, beträgt.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (5) faserhaltig oder schaumartig ist, wobei eine Höhe (h1 ) des ersten Bereichs (4) der erhabenen Strukturen (2) ein 1 -10-Faches, vorzugsweise ein 2-4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht (5) ist, und/oder wobei eine Höhe (h1 ) des ersten Bereichs (4) der erhabenen Strukturen (2) 3 bis 100 μηη, vorzugsweise 5 bis 30 μιτι, beträgt.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite eines mit der Grundfläche der Bipolarplatte in Verbindung stehenden Fußes der erhabenen Strukturen (c) kleiner ist als die doppelte Gesamthöhe (h) der erhabenen Strukturen (2) und/oder dass ein Abstand (f) zwischen in einer Reihe (R) angeordneten erhabenen Strukturen (2) an ihrem jeweils höchsten Punkt größer ist als die doppelte Gesamthöhe (h) der erhabenen Strukturen (2) und/oder dass ein Abstand (e) zwischen erhabenen Strukturen (2) in benachbarten Reihen (R) an ihrem jeweils höchsten Punkt zu einem Abstand (f) zwischen in einer Reihe (R) angeordneten erhabenen Strukturen (2) an ihrem jeweils höchsten Punkt die folgende Relation erfüllt: e/f > 2.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Strukturen (2) durch Aufbringen einer Zwischenschicht, insbesondere einer schaumartigen Zwischenschicht, und insbesondere einer Zwischenschicht aus einzelnen Strukturen, auf die Grundfläche (1) der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60), gebildet sind oder dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Strukturen (2) durch strukturelle Bearbeitung der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60), insbesondere durch Beschichten mit Material und/oder Ablagern von Material und/oder Aufwachsen von Material, gebildet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht mit der Grundfläche (1) der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) durch Kleben, Löten, Hartlöten, Anpressen oder Eindrücken verbunden ist.
7. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem aktiven Bereich frei von Verprägungen zur Bereitstellung von Flussfeldern ist.
8. Schichtstruktur umfassend eine Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine
Gasdiffusionsschicht (5), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (4) der erhabenen Strukturen (2) in die Gasdiffusionsschicht (5) eingedrungen ist und eine Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) und der Gasdiffusionsschicht (5) vergrößert, wobei durch eine Form und/oder Anordnung des ersten Bereichs (4) und/oder des zweiten Bereichs (3) der erhabenen Strukturen (2) der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) die Grundfläche (1 ) der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) und die Gasdiffusionsschicht (5) auf einem Abstand (X) gehalten werden.
9. Schichtstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (5) faserhaltig oder schaumartig ist, wobei eine Eindringtiefe des ersten Bereichs (4) der erhabene Strukturen (2) in die Gasdiffusionsschicht (5) ein 1 -10-Faches, vorzugsweise ein 2-4-Faches, eines durchschnittlichen Faserdurchmessers der Fasern oder eines durchschnittlichen Schaumblasendurchmessers der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht (5), beträgt, und wobei insbesondere das Material der Gasdiffusionsschicht (5) in einem Kontaktbereich der Bipolarplatte (10, 20, 30, 40, 50, 60) und der Gasdiffusionsschicht (5) verdichtet ist.
10. Schichtstruktur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (5) faserhaltig oder schaumartig ist, wobei der Abstand (X) folgende Relation erfüllt:
X > 5 * d wobei d ein durchschnittlicher Faserdurchmesser der Fasern oder ein durchschnittlicher Schaumblasendurchmesser der Schaumblasen in der Gasdiffusionsschicht (5) ist und wobei der Abstand (X) insbesondere 50 bis 300 pm, vorzugsweise 70 bis 150 pm, beträgt.
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