DE10047248A1

DE10047248A1 - Elektrochemischer Zellenstapel

Info

Publication number: DE10047248A1
Application number: DE10047248A
Authority: DE
Inventors: Markus Schudy; Ottmar Schmid; Gustav Boehm; Joerg Beckmann
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Ballard Power Systems Inc
Priority date: 2000-09-23
Filing date: 2000-09-23
Publication date: 2002-04-18
Also published as: EP1328995A2; AU2002216900A1; US20040038102A1; WO2002025765A2; JP2004527872A; CA2422926A1; WO2002025765A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel, umfassend jeweils abwechselnd angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten (3) und Separatorplatten (2, 2a) zur Zu- und Abführung für das Reaktant- und Oxidant-Fluid, wobei durch einen Prägevorgang die eine Seite der Separatorplatte (2, 2a) eine Oberflächenstruktur und die andere Seite eine hierzu negative Oberflächenstruktur aufweist. Gemäß der Erfindung liegen sich beim Stapeln der Separatorplatten (2, 2a) jeweils eine Oberflächenstruktur einer Separatorplatte (2) einer korrespondierenden negativen Oberflächenstruktur der benachbarten Separatorplatte (2a) gegenüber.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere einen PEM- oder DMFC-Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolysezellenstapel, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Elektrolysezellen sind elektrochemische Einheiten, die chemische Substanzen, wie z. B. Wasserstoff und Sauerstoff an katalytischen Oberflächen von Elektroden unter Zuführung von elektrischer Energie erzeugen. Brennstoffzellen sind elektrochemi sche Einheiten, die elektrische Energie mittels Umsetzung von chemischer Energie an katalytischen Oberflächen von Elektroden erzeugen.

Elektrochemische Zellen dieser Art umfassen folgenden Hauptkomponenten:

- eine Kathodenelektrode, an der durch Zugabe von Elektronen die Reduktionsre aktion stattfindet. Die Kathode umfasst mindestens eine Elektrodenträgerschicht, die als Träger für den Katalysator dient.
- eine Anodenelektrode, an der die Oxidationsreaktion durch Abgabe von Elektro nen stattfindet. Die Anode besteht ebenso wie die Kathode aus mindestens einer Trägerschicht und Katalysatorschicht.
- eine Matrix, die zwischen Kathode und Anode angeordnet ist und als Träger für den Elektrolyten dient. Der Elektrolyt kann in fester oder flüssiger Phase sowie als Gel vorliegen. Vorteilhaft wird der Elektrolyt in fester Phase in eine Matrix einge bunden, so dass ein sogenannter Festelektrolyt entsteht.

Diese drei, oben aufgeführten Komponenten werden auch als Membran-Elektroden- Einheit (MEA), wobei auf einer Seite der Matrix die Kathodenelektrode und auf der anderen Seite die Anodenelektrode aufgebracht ist.

- eine Separatorplatte, die zwischen den MEAs angeordnet ist und zur Reaktanten- und Oxidantensammlung in elektrochemischen Zellen dient.
- Dichtelemente, die sowohl eine Vermischung der Fluide in den elektrochemischen Zellen verhindern, als auch ein Austreten der Fluide aus der Zelle zur Umgebung verhindern.

Werden Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen aufeinander gestapelt, so entsteht ein Elektrolysestapel oder Brennstoffzellenstapel, im weiteren auch als Stapel be zeichnet. Hierbei verläuft die elektrische Stromführung in einer Reihenschaltung von Zelle zu Zelle. Das Fluid-Management des Oxidanten und Reaktanten erfolgt über Sammel- und Verteilerkanäle zu den einzelnen Zellen. In elektrochemischen Zellen werden die Zellen eines Stapels z. B. parallel mittels mindestens jeweils eines Vertei lerkanals für jedes Fluid mit dem Reaktant- und Oxidant-Fluid versorgt. Die Reakti onsprodukte sowie überschüssiges Reaktant- und Oxidant-Fluid werden aus den Zellen mittels mindestens jeweils eines Sammelkanals aus dem Stapel geführt.

Zur wirtschaftlichen Verwendung von Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen für mo bile Anwendungen müssen für vergleichbare Leistungsgrößen die Gestehungskosten von Verbrennungsmotoren erreicht werden. Da zum Betrieb von mobilen Systemen mit Elektromotoren Zellenstapel mit einer Vielzahl von Zellen (< 300 Stück) benötigt werden, sind geringe Stückkosten der Zellkomponenten wichtig. Die Stückkosten umfassen sowohl Material- und Herstellkosten.

In US 6,040,076 wird ein Brennstoffzellenstapel für Schmelzkarbonat-Brennstoffzel len (MCFC, molten carbonate fuel cell) offenbart. Diese Brennstoffzellen sind aus schließlich im Hochtemperaturbereich (ca. 650°C) einsetzbar. Es ist weiterhin eine Separatorplatte zur Fluidverteilung offenbart. Die Separatorplatte ist durch Prägen ei ner ebenen Platte hergestellt und weist auf einer Seite eine Oberflächenstruktur zur Verteilung des Oxidanten und auf der anderen Seite eine hierzu negative Oberflächenstruktur zur Verteilung des Reaktanten auf. Die MEA ist zwischen den Separa torplatten angeordnet, wobei der in der MEA enthaltene Elektrolyt gegenüber ver gleichbaren Brennstoffzellenstapel relativ dick ausgeführt ist. Aufgrund dieses sehr stabilen Aufbaus der MEA wird der sogenannte Eierkarton-Effekt vermieden. Unter dem Eierkarton-Effekt wird der Effekt verstanden, bei dem zwei identisch strukturierte Platten formschlüssig ineinander fallen, wenn sie übereinander gestapelt werden. Nachteilig ist jedoch die hohe Zelldicke der Brennstoffzellen, aufgrund der relativ gro ßen Dicke der MEAs.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Zellenstapel in kompakter Bauart mit geringer Zelldicke zu schaffen, bei dem durch Stapeln der Separatorplat ten die zwischenliegenden MEAs durch den Eierkarton-Effekt nicht zerstört werden.

Diese Aufgabe wird durch den elektrochemischen Zellenstapels gemäß Patentan spruch 1 gelöst. Besondere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Un teransprüchen.

Erfindungsgemäß liegt beim Stapeln der Separatorplatten eine Oberflächenstruktur einer Separatorplatte einer negativ korrespondierenden Oberflächenstruktur der be nachbarten Separatorplatte gegenüber. Somit fallen die strukturierten Separatorplat ten beim Stapeln nicht ineinander, sondern stützen sich gegenseitig derart ab, dass eine ebene, dazwischen angeordnete MEA weder verformt noch zerstört wird. Somit wird in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel beim Stapeln eine Zerstörung der MEA durch den Eierkarton-Effekt verhindert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapels ist die wesentlich reduzierte Zellendicke und damit verbunden, eine kompaktere Bauart. Darüber hinaus wird mit dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel eine verbesserte volumen bezogene Leistungsdichte erzielt, was zu geringeren Gestehungskosten des erfin dungsgemäßen Zellenstapels führt.

In dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel können MEAs mit gerin ger Dicke eingesetzt werden. Eine solche Membran-Elektroden-Einheit umfasst:

- eine Membran, z. B. eine Polymermembran, mit einer Dicke im Bereich von 10- 200 µm,
- eine beiderseits auf der MEA aufgebrachte Katalysatorschicht z. B. Carbonca mit einer Dicke im Bereich von 5-15 µm,
- ein auf die Katalysatorschicht aufgebrachte Gasdiffusionsstruktur z. B. poröses Graphitpapier mit einer Dicke im Bereich von 50-500 µm.

Die flächenhafte Ausdehnung einer MEA richtet sich üblicherweise nach der Größe der Separatorplatte, insbesondere überdeckt die MEA die Separatorplatte vollständig.

Die aus der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht aufgebaute Elektrode dient auf einer Seite der MEA als Kathode und auf der anderen Seite der MEA als A node. Es ergeben sich hieraus MEAs mit einer Dicke kleiner als 1 mm, welche keine starre Oberfläche aufweisen. Dadurch kann die Zellendicke und somit die Geste hungskosten des Zellenstapels wesentlich reduziert werden. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer Erhöhung der volumenbezogenen Leistungsdichte des elektrochemischen Zellenstapels.

Die Separatorplatten werden bevorzugt aus leitfähigen Werkstoffen wie Metallen (z. B. Stahl oder Aluminium), leitfähigen Kunststoffen, Kohlenstoffen oder Compounds gefertigt. Die Herstellung der Separatorplatten erfolgt insbesondere mit Hilfe mecha nischer Umformungstechniken, z. B. Rollprägen, magnetisch Umformen, Gummikof ferprägen, Gas- oder Flüssigkeitsdruckprägen, oder Hohlprägen. Somit können die Fertigungskosten reduziert werden. Die Wandstärke einer Separatorplatte beträgt üblicherweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm. Die Fläche der zu prägenden Separa torplatte richtet sich nach dem Anwendungsgebiet, in dem der elektrochemische Zellenstapel eingesetzt wird.

Die Separatorplatte umfasst vorteilhaft:

- einen üblicherweise zentral auf der Separatorplatte angeordneten aktiven Kanal bereich, in dem das Fluid mit der MEA in Kontakt kommt;
- Durchbrechungen für die Ports, welche der Zu- und Abführung des Reaktant- und Oxidant-Fluids in die Separatorplatte dienen;
- Verteilerbereiche zur Beeinflussung der Fluidverteilung von den Portbereichen zu dem aktiven Kanalbereich.

Die aus der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht aufgebaute Elektrode ist vorteilhaft im Bereich des aktiven Kanalbereichs der Separatorplatte auf die Memb ran aufgebracht. Es ist aber auch möglich, dass diese Elektrode auch im Bereich des Verteilerbereichs der Separatorplatte auf die Membran aufgebracht wird. Dadurch er gibt sich eine größere aktive katalytische Fläche, was eine größere volumenbezo gene Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Zellenstapels zur Folge hat. Es ist a ber auch möglich, dass die aus der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht aufgebaute Elektrode die gesamte Fläche der MEA überdeckt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verteilerbereich der Separatorplatten eine Noppenstruktur auf. Mittels der im wesentlichen kreisförmigen Noppen wird eine gute und homogene Verteilung der Fluide erreicht. Dadurch kommt es zu einem gleichmäßigen Durchströmen des aktiven Kanalbereichs. Die maximale Höhe der Noppen entspricht vorteilhaft der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs.

Die Verteilerbereiche der Separatorplatte können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein separates Bauteil, z. B. eine weitere Platte bilden. Dieses Bauteil kann vorteilhaft eine Noppenstruktur aufweisen. Das separate Bauteil kann z. B. aus einem Metall, einem Polymer, einem Polymer-Metallverbundmaterial oder einer Keramik bestehen. Die Verbindung des separaten Bauteils mit der Sepa ratorplatte kann durch übliche Verbindungstechniken, z. B. Schweißen, Kleben, Löten oder Umbiegen erfolgen. Ein Vorteil des separaten Bauteils ist, andere Verteiler strukturen in die Separatorplatte zu integrieren, so dass eine verbesserte Verteilung der Fluide erzielt werden kann.

Die Separatorplatte weist auf beiden Seiten vorteilhaft Dichtungsbereiche auf. Diese Dichtungsbereiche dienen neben der Abdichtung der Separatorplatten untereinander und nach außen auch zur Abdichtung einzelnen Bereiche auf einer Separatorplatte, z. B. die Abdichtung benachbarter Ports. Die Dichtungsbereiche zeichnen sich durch kanalartig eingeprägte Vertiefungen aus, die mit Dichtungskörpern ausgefüllt sind. Die Vertiefungen sind hierbei derart angeordnet, dass die Dichtungskörper, getrennt durch die Separatorplatte, übereinander liegen. Die Höhe der Dichtungskörper ist be vorzugt größer als die maximale Höhe der kanalartig eingeprägten Vertiefungen. So mit wird beim Stapeln der Separatorplatten eine guter Dichtungseffekt erzielt. Es ist aber auch möglich, dass die Dichtungsbereiche durch andere Dichttechniken, z. B. Bördeln mit Isolationszwischenschicht oder Vergießen mit aushärtenden Stoffen, z. B. Polymeren gebildet wird.

Beim Stapeln der Separatorplatten verläuft die auf die Dichtungskörper ausgeübte Kraft vorteilhaft im wesentlichen senkrecht zur Separatorplatte und senkrecht zu den Dichtungskörpern. Somit werden Schub- und Scherspannungen innerhalb der Dich tungskörper vermieden, wodurch sich einerseits eine längere Lebensdauer der Dich tungskörper und andererseits ein besserer Dichtungseffekt ergibt. Außerdem wird somit eine Zerstörung der MEA vermieden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindungen weist die Separatorplatte, insbesondere in den Portbereichen, kanalartig eingeprägte Vertiefungen. Jeder der Ports wird, bedingt durch die Strömungsführung auf den Seiten der Separatorplatte, jeweils auf einer der beiden Seiten der Separatorplatte vollständig abgedichtet, z. B. mit einer den Port umlaufenden Dichtung. Diese kanalartig eingeprägten Vertiefun gen sind derart ausgeführt, dass auf der einen Seite eine kanalartige Führung aus gebildet wird, in der ein Dichtungskörper eingelegt werden kann. Auf der anderen, dichtungsabgewandten Seite dient diese korrespondierende Erhöhung als Abstütz stelle für die MEA. Die Höhe der Vertiefung sollte der maximalen Höhe der Vertiefun gen im aktiven Kanalbereich und Verteilerbereich entsprechen. Der Vorteil dieser Ab stützstellen ist, dass die MEA beim Stapeln der Separatorplatten nicht zerstört wird.

Die Dichtungskörper können insbesondere lösbare Dichtungen, z. B. O-Ring oder Polymermasse sein, so dass z. B. nach Auswechseln der Dichtungen die Separa torplatte wiederverwendbar bleibt. Es ist auch möglich, dass die Dichtkörper als Dichtraupe auf die MEA aufgebracht werden. Dadurch kann ein schnelles Auswech seln der MEAs erreicht werden.

Neben den bereits beschriebenen Vorteilen kann mit der Separatorplatte in dem er findungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel eine homogene Temperaturver teilung erreicht werden. Dadurch kann eine Bildung von "Hot Spots" (Bereiche hoher Temperatur), welche eine Zerstörung der MEA bewirken, vermieden werden. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Zellenstapel bis zu einer Temperatur von 150°C eingesetzt werden.

Ein Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist die Ener gieversorgung in mobilen Systemen, z. B. Kraftfahrzeug, Schienenfahrzeuge, Flug zeuge. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzel lenstapels ist der Einsatz in elektronischen Geräten zur Energieversorgung. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel auch als eigenständiges Energieerzeugungsmodul verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapels zur Ü bersicht und Erläuterung des Gesamtaufbaus,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel im Be reich des aktiven Kanalbereichs,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel im Be reich des Verteilerbereichs,

Fig. 4 in Detaildarstellung den Portbereich, den aktiven Kanalbereich, den Vertei lerbereich sowie den Dichtungsbereich in einer ersten Ausführung einer Se paratorplatte in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,

Fig. 5 in Detaildarstellung eine zweite Ausführung einer Separatorplatte mit einer serpentinenförmigen Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs.

Fig. 1 zeigt in der linken Abbildung einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1, der abwechselnd aus Separatorplatten 2 und 2a und Membran-Elektroden-Ein heiten 3 (MEA) aufgebaut ist. Die rechte Abbildung zeigt die Struktur einer Separa torplatte 2 des Stapels. Die Separatorplatten 2 und 2a bezeichnen benachbarte Platten, wobei die sich gegenüberliegenden Seiten der beiden Platten eine positive und eine korrespondierend negative Struktur aufweisen. Somit wird eine zwischen ei ner Separatorplatte 2 und einer Separatorplatte 2a befindliche MEA 3 nicht beschä digt wird. Der Stapel 1 verfügt darüber hinaus über Endplatten 4, die ein Verspannen des Brennstoffzellenstapels 1 ermöglichen. Weiterhin sind je zwei Leitungen 5, 6 zur Fluidzuführung und Fluidabführung der Reaktionsgase vorgesehen. Die Platten 9 aus elektrisch leitfähigem Material dienen der Stromabnahme. Die Stromabnahme kann aber auch direkt über die Separatorplatten 2 erfolgen. Im Betrieb wird in dieser Aus führung über die eine Seite der Separatorplatte 2 der Reaktant und über die Rück seite der Oxidant geleitet.

Die Separatorplatte 2, 2a mit beidseitig strukturierten Flächen weist vier Durchbrüche (Ports) 10 für die Leitungen 5, 6 zur Fluidzuführung und Fluidabführung auf. Weiter hin ist auf beiden Seiten der Separatorplatte 2, 2a eine Struktur für den aktiven Ka nalbereich 11 vorhanden. Zur Verteilung der Fluide von den Ports 10 zu dem aktiven Kanalbereich 11 ist ein Verteilerbereich 12 vorgesehen. Die beiden Fluide, Reaktant und Oxidant werden nach außen und gegeneinander durch Dichtungen 13 abge dichtet.

Fig. 2 zeigt in einem Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel den Bereich des aktiven Kanalbereichs 11 in einer explodierten Darstellung gemäß dem Schnitt A-A in Fig. 4. Der abwechselnd aus strukturierten Separatorplatten 2 und 2a sowie zwischenliegenden MEAs 3 aufgebaute Brennstoffzellenstapel 1 ist durch Endplatten 4 begrenzt. Der aktive Kanalbereich 11 einer Separatorplatte 2, 2a zeichnet sich durch direkt aufeinanderfolgende kanalartige Umformungen aus. Diese Umformungen können z. B. rechteckförmig oder wellenförmig ausgebildet sein.

Im Bereich des aktiven Kanalbereichs 11 ist auf einer Seite der MEA 4 die Anode 15 und auf der Rückseite der MEA 3 die Kathode 16 angeordnet. Es ist aber auch mög lich den Bereich der Anode 15 und den Bereich der Kathode 16 auf den Verteilerbe reich der Sammel- und Verteilerkanäle 12 auszuweiten (Fig. 3). Des weiteren kann der Bereich der Anode 15 und der Bereich der Kathode 16 auch auf den Dichtungs bereich 14 ausgeweitet werden (nicht dargestellt). Die poröse Elektrodenschicht wird im Dichtungsbereich 14 imprägniert, wodurch eine Querströmung der Fluide verhin dert wird.

Die zwischen einer Separatorplatte 2 und einer Separatorplatte 2a angeordnete MEA 3 liegt auf einer Seite auf der Oberflächenstruktur der Separatorplatte 2 und auf der Rückseite auf der korrespondierenden negativen Oberflächenstruktur der benach barten Separatorplatte 2a auf. Somit ist gewährleistet, dass zum einen durch die Sta pelung der Separatorplatten 2 und 2a die zwischenliegende MEA 3 nicht zerstört wird. Zum anderen werden durch die Stapelung Hohlräume 21 gebildet, in denen auf einer Seite der MEA 3 der Oxidant und auf der Rückseite der MEA 3 der Reaktant geführt wird.

An den Rändern der Separatorplatten 2, 2a ist der aktive Kanalbereich 11 durch ei nen Dichtungsbereich 14 begrenzt. Der Dichtungsbereich 14, der im oberen Aus schnitt in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, zeichnet sich durch zwei benachbarte Umformungen aus. Diese Umformungen sind auf beiden Flächen der Separatorplatte 2, 2a jeweils bis zu einer maximalen Höhe ausgeführt. Diese maximale Höhe ist durch die Höhe des aktiven Kanalbereichs 11 und des Verteilerbereichs 12 vorgege ben. Zwischen diesen beiden Umformungen ist ein Bereich ausgebildet, in dem auf beiden Seiten der Separatorplatte 2, 2a ein Dichtungskörper 13 eingelegt werden kann. Die Dichtungsstruktur einer benachbarten Separatorplatte 2, 2a weist einen Dichtungsbereich 14 mit entsprechend negativ korrespondierenden Umformungen auf, so dass bei der Stapelung der Separatorplatten 2 und 2a die zwischenliegende MEA 3 nicht zerstört wird.

Durch die Stapelung der Separatorplatten 2, 2a wird mit Hilfe der Dichtungskörper 13 die dazwischenliegende MEA 3 zum einen fixiert und zum anderen der aktive Kanal bereich 11 nach außen abgedichtet.

Die Endplatten 4 weisen entsprechend der jeweils benachbarten Separatorplatte 2 o der 2a negativ korrespondierende Umformungen auf. Zweckmäßig sind diese Um formungen ausschließlich auf der, dem Stapelinneren zugewandten Fläche der End platte 4 ausgeführt.

Fig. 3 zeigt in einer explodierten Darstellung einen Schnitt durch einen erfindungs gemäßen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Schnitt B-B in Fig. 4 den Verteilerbe reich 12 mit angrenzendem Dichtungsbereich 14. Die Struktur des Dichtungsbereichs 14 entspricht der Struktur des Dichtungsbereichs 14 in Fig. 2.

Der Verteilerbereich 12 zeichnet sich durch im wesentlichen kreisförmigen Umfor mungen (Noppen) aus, welche auf beiden Seiten der Separatorplatte 2, 2a angeord net sind. Die Höhe der Noppen entspricht der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs. Die Abstände der Noppen untereinander richtet sich nach der Menge des durch den Verteilerbereich 12 durchzusetzenden Fluids. Mittels der Nop pen wird eine homogene Verteilung der Fluide zu dem aktiven Kanalbereich 11 er reicht.

Fig. 4 zeigt beispielhaft in einer ersten Ausführung einer Separatorplatte 2, 2a in De taildarstellung den Portbereich 10, den aktiven Kanalbereich 11, die Verteilerbereiche 12 sowie den Dichtungsbereich 14.

In der Separatorplatte 2 sind, jeweils gegenüberliegend, je zwei Durchbrechungen für die Ports 10a und die Ports 10b ausgeführt. Bei Gegenstromführung der Fluide die nen z. B. die Ports 10a der Fluidzuführung und die Forts 10b der Fluidabführung. Einer der beiden Ports 10a zur Fluidzuführung versorgt das Kanalsystem (Verteilerbe reich 12 und aktiver Kanalbereich 11) auf einer Seite der Separatorplatte 2, wohinge gen der andere der beiden Ports 10a das Kanalsystem der Rückseite der Separa torplatte 2 versorgt.

In Schnitt A-A ist der aktive Kanalbereich 11 mit dem angrenzenden Dichtungsbe reich 14 dargestellt. Der aktive Kanalbereich 14 zeichnet sich durch eine alternieren de Oberflächenstruktur aus, wobei eine Vertiefung auf der einen Fläche der Separa torplatte einer Erhöhung auf der Rückseite der Separatorplatte entspricht.

Der Verteilerbereich 12 mit dem angrenzendem Dichtungsbereich 14 ist in Schnitt B- B dargestellt. Zwischen den Umformungen (Noppen) einer Fläche der Separa torplatte sind Stege angeordnet. Der Verteilerbereich 12 zeichnet sich durch eine im wesentlichen regelmäßige Anordnung von Umformungen aus, wobei benachbarte Umformungen in entgegengesetzte Richtungen (oben, unten) weisen. Die maximale Höhe der Noppen entspricht der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Ka nalbereichs 11.

Der Dichtungsbereich 14, der die Ports 10a, 10b begrenzt, ist in Schnitt C-C abgebil det. Der Dichtungsbereich 14 zeichnet sich durch Führungen aus, die sich auf beiden Seiten der Separatorplatte gegenüberliegenden. In diesen Führungen kann beidseitig ein Dichtungskörper eingelegt werden. Somit wird gewährleistet, dass beim Stapeln der Separatorplatten auf die Separatorplatte und die Dichtungskörper ausgeübte Kraft, senkrecht zur Separatorplatte und den Dichtungskörpern verläuft. Die Führun gen werden auf beiden Flächen durch Umformungen der Separatorplatte begrenzt, wodurch eine Fixierung der Dichtungskörper erreicht wird. Die Höhe der Umformun gen entspricht hierbei der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbe reichs 11 und des Verteilerbereichs 12.

Die beiden Ports 10a und die beiden Ports 10b sind auf beiden Seiten der Separa torplatte gegeneinander abgedichtet. Auf einer Seite der Separatorplatte steht einer der beiden Ports 10a mit einem der beiden Ports 101b in Strömungsverbindungen. Die jeweils anderen Ports 10a und 10b sind auf dieser Seite der Separatorplatte durch Dichtungskörper vollständig abgedichtet. Auf der Rückseite der Separatorplatte ste hen gerade diese Ports 10a und 10b - genau diese Ports sind auf der gegenüberlie genden Seite der Separatorplatte abgedichtet - in Strömungsverbindung. Die ande ren Ports 10a und 10b auf dieser Seite der Separatorplatte werden durch Dichtungs körper vollständig abgedichtet.

Jeder Port 10a, 10b wird somit auf genau einer Seite der Separatorplatte abgedich tet. Auf der anderen, der dichtungsabgewandten Seite der Separatorplatte sind Ab stützstellen 24 vorhanden, die ein Eindrücken der MEA verhindern. Ein Eindrücken der MEA bedeutet eine Verengung des Strömungsquerschnittes in der Kanalstruktur, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Fluide führen kann. Diese Abstützstel len 24 sind in Schnitt D-D und Schnitt E-E beispielhaft für einen der beiden Ports 10a gezeigt. Schnitt D-D zeigt, dass in dem Portbereich 10 die Abstützstellen 24 aus schließlich auf der unteren Seite der Separatorplatte vorhanden sind. Den detaillier ten Verlauf der Führung für den Dichtungskörper auf der oberen Fläche der Separa torplatte zeigt Schnitt E-E. Auf der oberen Seite der Separatorplatte sind zwei Um formungen vorhanden, die als Begrenzung für einen Dichtungskörper dienen. Zwi schen diesen Umformungen befindet sich eine weitere Umformung, welche auf der unteren Seite der Separatorplatte als Abstützstelle 24 dient.

Schnitt F-F und Schnitt G-G zeigen hierzu den Verlauf der Abstützstellen 24 für den anderen der beiden Ports 10a. Die ausgeführten Umformungen sind negativ korres pondierend zu den Umformungen in Schnitt D-D und Schnitt E-E.

Ein entsprechender Verlauf der Abstützstellen 24 und Dichtungsführungen gilt für die Ports 10b.

In Fig. 5 ist in eine weitere Ausführung einer Separatorplatte 2 dargestellt. Der aktive Kanalbereich 11 ist serpentinenförmig ausgeführt. An zwei sich gegenüberliegenden Ecken der Separatorplatte 2 sind die Ports 10 für die Fluidzuführung und Fluidabfüh rung angeordnet. Im Bereich der Ports 10 sind zur Verteilung der Fluide Verteilerbe reiche 12 vorhanden. Diese Verteilerbereiche 12 können vorteilhaft eine Noppenstruktur aufweisen. Die Ports 10 sind entsprechend den Ausführungen wie in Fig. 4 erläutert, gegeneinander abgedichtet.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenstack

2

,

2

a Separatorplatte

3

MEA

4

Endplatte

5

,

6

Leitung

9

Stromabnehmerplatte

10

Ports

10

a Portbereich Fluidzuführung

10

b Portbereich Fluidabführung

11

aktiver Kanalbereich

12

Verteilerbereich

13

Dichtung

14

Dichtungsbereich

15

Anode

16

Kathode

21

Hohlraum

24

Abstützstellen

Claims

1. Elektrochemischer Zellenstapel umfassend abwechselnd angeordnete Memb ran-Elektroden-Einheiten (3) und Separatorplatten (2, 2a) zur Zu- und Abfüh rung für das Reaktant- und Oxidant-Fluid, wobei durch einen Prägevorgang eine Seite der Separatorplatte (2, 2a) eine Oberflächenstruktur und die andere Seite eine hierzu negative Oberflächenstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stapeln der Separatorplatten (2, 2a) jeweils eine Oberflächenstruktur einer Separatorplatte (2) einer korrespondierenden negativen Oberflächen struktur der benachbarten Separatorplatte (2a) gegenüberliegt.

2. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) mittels Rollprägen, Gummikofferprägen, magnetisch Umformen, Gas- oder Flüssigkeitsdruckprägen oder Hohlprägen hergestellt wird.

3. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur der Separatorplatte (2, 2a) Portbereiche (10) zur Zu- und Abführung der Fluide in die Separatorplatte (2, 2a), Kanalbereiche (10) zur Kontaktierung der Membran-Elektroden-Einhei ten (3) mit den Fluiden und Verteilerbereiche (12) zur Beeinflussung der Flu idströmung aufweist.

4. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerbereiche (12) eine Noppenstruktur aufweisen.

5. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, dass die Verteilerbereiche (12) ein separates Bauteil bilden.

6. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Bauteil aus einem Metall, einem Polymer, einem Polymer- Metallverbundmaterial oder einer Keramik besteht und mit der Separatorplatte (2, 2a) durch Schweißen, Kleben, Löten oder Umbiegen verbunden ist.

7. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) Durchbrechungen für die Portbereiche (10) zur Zu- und Abführung des Reaktant- und Oxidant-Fluids in die Kanalbereiche der Separatorplatte (2, 2a) aufweist.

8. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) auf beiden Seiten ka nalartig eingeprägte Vertiefungen aufweist, welche mit Dichtungskörpern (13) ausgefüllt und, getrennt durch die Separatorplatte (2, 2a), übereinander ange ordnet sind.

9. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stapeln der Separatorplatten (2, 2a) der Kraftverlauf zwischen den Separatorplatten (2, 2a) nahezu senkrecht durch die Dichtungskörper (13) ver läuft.

10. Elektrochemischer Zellenstapel nach Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) kanalartig eingeprägte Vertiefungen derart auf weist, dass auf einer Seite (22, 23) der Separatorplatte (2, 2a) in den Vertiefun gen Dichtungskörper (13) verlaufen und dass die korrespondierenden Erhöhun gen auf der anderen Seite gleichzeitig als Abstützstellen (24) für die Membran- Elektroden-Einheiten (3) dienen.