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Die Erfindung ist gebildet durch eine Bipolarplatte mit einem eine Mehrzahl von Medienports aufweisenden, passiven Plattenteil und einem der Verteilung der Reaktanten dienenden aktiven Plattenteil, wobei der passive Plattenteil und der aktive Plattenteil mittels mindestens einem Federelement miteinander gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel.
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Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zur Förderung der elektrochemischen Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist.
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Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten Reaktantengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über Medienports in die Bipolarplatte geleitet, die unter Nutzung eines Kanals oder einer Mehrzahl von Kanälen eine Verteilung der Reaktanten in einen aktiven Bereich bewirken soll, um mittels eines Flussfeldes die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatte durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien technisch dicht getrennt geführt werden müssen. Deshalb werden in der Regel zwei metallische Umformteile zu einer Bipolarplatte verschweißt. Des weiteren werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
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Diese Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen eines Spannsystems mit einer Kraft im Bereich mehrerer Tonnen verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
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Zu beachten ist dabei allerdings, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verursacht durch eine Wärmeausdehnung der verwendeten Komponenten, durch den für die Zuführung und Verteilung der Reaktanten verwendeten Druck und durch ein Aufquellen der verwendeten Membran bei deren Hydratisierung.
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Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wärmeausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen oder durch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionsschichten, das mit zunehmender Nutzungsdauer und damit Lebensalter des Brennstoffzellenstapels zunimmt. Es ist daher erforderlich das Setzungsverhalten über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu kompensieren, wozu dem Spannsystem Federelemente wie Tellerfedern oder Spiralfedern zugeordnet werden, was allerdings zusätzlichen Bauraum erfordert, das Gewicht des Brennstoffzellenstapels erhöht und die Kosten sowie den Entwicklungsaufwand steigert. Auch ist es erforderlich, die Spannkraft gleichmäßig auf die Fläche des Brennstoffzellenstapels zu verteilen, was in der Regel ein zusätzliches Element zwischen dem Spannsystem und den Federelementen erfordert.
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Aus der
DE 10 2013 011 412 A1 ist eine Bipolarplatte mit einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte bekannt, wobei die Kathodenplatte einen im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte elastisch verformbaren Federbereich aufweist, an welchen eine Dichtung angespritzt ist. Die
DE 10 2013 011 422 A1 offenbart eine Bipolarplatte, bei der sowohl die Kathodenplatte als auch die Anodenplatte einen im Wesentlichen in Hochrichtung elastisch verformbaren Bereich aufweisen, welcher mit einer Versteifungsstruktur versehen ist. In der
FR 2899386 A1 werden Halbplatten einer Bipolarplatte gezeigt, die mit Rippen versehen sind, an denen sich elektrisch leitfähige, elastische Leitkomponenten abstützen zur Sicherstellung des elektrischen Kontakts.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Bipolarplatte und einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit einem einen Mehrzahl von Medienports aufweisenden, passiven Plattenteil und einem der Verteilung der Reaktanten dienenden aktiven Plattenteil sind der passive Plattenteil und der aktive Plattenteil mittels mindestens einem Federelement miteinander gekoppelt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Federfunktion in die Bipolarplatte integriert ist und zusätzliche Federn oder Federelemente sowie der für diese erforderliche Bauraum eingespart werden können. Es liegt also eine Verschiebung der Federfunktion von dem den Brennstoffzellenstapel umfassenden Spannsystem in die Brennstoffzelle mit ihrer Bipolarplatte vor, wobei die Federfunktion speziellen Bereichen der Bipolarplatte zugewiesen ist, nämlich zwischen dem passiven Plattenteil und dem aktiven Plattenteil, wobei der passive Plattenteil den ein Flussfeld aufweisenden aktiven Plattenteil in Umfangsrichtung umfasst. Zu beachten ist, dass der passive Plattenteil eine medienführende, abdichtende und isolierende Funktion hat, während der aktive Plattenteil die Flussfeld aufweist und dem Setzungsverhalten, insbesondere der Gasdiffusionslagen ausgesetzt ist und aufgrund des Federelements in sicherer Anlage an den Gasdiffusionslagen gehalten wird.
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Bevorzugt ist dabei, wenn eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte zusammengefasst sind und das mindestens eine Federelement durch eine zwischen der passiven Teilplatte und der aktiven Teilplatte angeordnete, durch Teilbereiche der Kathodenplatte und der Anodenplatte gebildete Blattfeder gebildet ist, insbesondere wenn die Kathodenplatte und die Anodenplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind. Durch den prinzipiell zweiteiligen Aufbau mit einem blattartigen Bereich und der Nutzung eines ausreichend elastischen Materials kann das Blattfederprinzip ohne weitere Bauteile umgesetzt werden, wobei die Federkonstante der Blattfeder durch einen Formschluss zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte und der Anodenplatte eingestellt sein kann, also der Kraftfluss zwischen den Metallschichten modifiziert werden kann, zum Beispiel durch unterschiedliche Verschweißungen oder eine angepasste Rauheit der Oberflächen.
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Alternativ oder auch ergänzend kann die Federkonstante der Blattfeder durch eine erhöhte Reibkraft zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte und der Anodenplatte eingestellt sein.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Federkonstante der Blattfeder durch ein zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte und der Anodenplatte angeordnetes Zwischenelement eingestellt ist.
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Insbesondere wenn die Bipolarplatte nicht aus Metall gebildet ist, sondern als Graphit-Compound-Bipolarplatte ausgeführt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Teilbereiche zumindest teilweise durch ein elastisches Element substituiert sind, das durch Spritzguss oder Vulkanisation mit dem passiven Plattenteil und dem aktiven Plattenteil verbunden ist. Die Einstellung der Federeigenschaften kann dabei konstruktiv über eine Anpassung des Widerstandsmoments gegen Biegung oder über eine Anpassung der Materialeigenschaften erfolgen.
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Da unverändert von dem passiven Plattenteil mit den Medienports die Medien in die Bipolarplatte geleitet und verteilt werden müssen, ist vorgesehen, dass in dem elastischen Element Kanäle für die Führung von Medien zwischen den Medienports ausgebildet sind, wobei diese Kanäle vorzugsweise für das Kühlmedium genutzt werden, da die Reaktantengase auch durch eine geeignete Gasdiffusionslage zur aktiven Teilplatte geleitet werden können.
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Möglich ist auch, dass in dem passiven Plattenteil zwei der Führung eines Kühlmediums dienende Medienports angeordnet sind, von denen ein Kühlmittelkanal durch die Teilbereiche geführt ist, also insbesondere das Zwischenelement nur teilweise substituierend wirken kann mit dem Kühlmittelkanal in den nicht substituierten Bereichen, oder das Zwischenelement kann selbst den Kühlmittelkanal aufweisen.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer derartigen Bipolarplatte und für eine Brennstoffzellenvorrichtung bzw. ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit dem passiven, die Medienports aufweisenden Plattenteil und dem aktiven, ein Flussfeld aufweisenden Plattenteil,
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Bipolarplatte, wobei der passive Plattenteil und der aktive Plattenteil mittels eines Federelements miteinander gekoppelt sind,
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung mit dem stilisiert dargestellten, unverspannten Federelement,
- 4 eine der 3 entsprechende Darstellung mit dem verspannten Federelement,
- 5 eine der 2 entsprechende Darstellung mit symbolisierter Reibkraft,
- 6 eine der 2 entsprechende Darstellung mit einem Zwischenelement,
- 7 eine der 2 entsprechende Darstellung mit einem durch ein elastisches Element substituierten Teilbereich,
- 8 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten, zwischen zwei Endplatten verspannten Brennstoffzellenstapels, wobei eine der Endplatten über Federelemente gegen eine Federkappe abgestützt ist, und
- 9 eine der 2 entsprechende Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte, bei der der passive Plattenteil und der aktive Plattenteil ohne ein Federelement in dem Teilbereich miteinander verbunden sind.
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In der 8 ist schematisch ein Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt, der aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 3 besteht. Jede der Brennstoffzellen 3 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden als Anodengas Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e~). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Die Reaktantengase werden an Bipolarplatten 7 übergeben, in denen Kanäle ausgebildet und zu einem Flussfeld zusammengefasst sind für die Verteilung der Reaktantengase an die Membran. Zusätzlich sind die Bipolarplatten 7 vorgesehen für die Durchleitung eines Kühlmediums, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden.
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1 zeigt dabei eine typische Einteilung der Bipolarplatte 7 mit einem eine Mehrzahl von Medienports 8 aufweisenden, passiven Plattenteil 9 und einem der Verteilung der Reaktanten dienenden aktiven Plattenteil 10, wobei der passive Plattenteil 9 den ein Flussfeld aufweisenden aktiven Plattenteil 10 in Umfangsrichtung umfasst. In dem passiven Plattenteil 9 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel randseitig des Flussfeldes drei Medienportpaare gezeigt, nämlich zwei Medienports 8 für die Zufuhr und die Ableitung des Kühlmediums und jeweils zwei Medienports für die Zufuhr und die Ableitung der beiden Reaktantengase. Außerdem sind dem passiven Plattenteil Dichtungen 11 zugeordnet, damit der passive Plattenteil 9 seine dichtende, isolierende und Medien führende Funktion ausüben kann.
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Der in der 8 schematisch gezeigte, aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzellenstapel 2 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 3 auf, die zwischen zwei Endplatten 1 angeordnet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der oberen Endplatte 1 symbolisiert ein Federpaket 4 zugeordnet, das die Endplatte 1 gegenüber einer Federkappe 5 abstützt, wobei seitlich an dem Brennstoffzellenstapel 2 zwei Zugbänder 6 von der Federkappe 5 über die erste Endplatte 1 zu der zweiten Endplatten 1 verlaufen, so dass die Brennstoffzellen 3 in dem Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Verpresskraft verspannt sind.
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Gemäß der Erfindung kann das Federpaket 4 zusammen mit der Federkappe 5 eingespart werden, indem die Federfunktion in mindestens eine der Bipolarplatte 7, vorzugsweise in alle Bipolarplatten 7 eines Brennstoffzellenstapels 2 integriert ist, indem der passive Plattenteil 9 und der aktive Plattenteil 10 mittels mindestens einem Federelement 12 miteinander gekoppelt sind, wie dies in der 3 schematisch mit einer symbolisierten Feder dargestellt für den unverspannten Zustand, der bei der Assemblierung des Brennstoffzellenstapels 2 in den in 4 dargestellten, verspannten Zustand übergeht, der eine ausreichende Nachspannreserve bietet zum Ausgleich des Setzungsverhaltens zum Beispiel.
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Realisiert ist das Federelement 12 gemäß 2, indem eine Kathodenplatte 13 und eine Anodenplatte 14 zusammengefasst sind und das eine Federelement 12 durch eine zwischen der passiven Teilplatte 9 und der aktiven Teilplatte 10 angeordnete, durch Teilbereiche 15 der Kathodenplatte 13 und der Anodenplatte 14 gebildete Blattfeder 16 gebildet ist also durch den zweiteiligen Aufbau der Bipolarplatte 7 kann das Blattfederprinzip mit einer integrierten, einstückig ausgebildeten Blattfeder 16 umgesetzt werden, insbesondere bei einer metallischen Bipolarplatte 7.
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Dabei kann die Federkonstante der Blattfeder 16 durch einen Formschluss 17 zwischen den Teilbereichen 15 der Kathodenplatte 13 und der Anodenplatte 14 entsprechend 2 eingestellt sein oder durch eine erhöhte Reibkraft 18 zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte 13 und der Anodenplatte 14 entsprechend 5.
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Alternativ besteht auch die in 6 gezeigte Möglichkeit, dass die Federkonstante der Blattfeder 16 durch ein zwischen den Teilbereichen 15 der Kathodenplatte 13 und der Anodenplatte 14 angeordnetes Zwischenelement 19 eingestellt ist.
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Schließlich verweist 7 auf die Möglichkeit, dass die Teilbereiche 15 zumindest teilweise durch ein elastisches Element 20 substituiert sind, das durch Spritzguss oder Vulkanisation mit dem passiven Plattenteil 9 und dem aktiven Plattenteil 10 verbunden ist, wobei in dem elastischen Element 20 Kanäle für die Führung von Medien, insbesondere von dem Kühlmittel, zwischen den Medienports 8 ausgebildet sind. Die Reaktantengase können über eine vergrößerte Gasdiffusionslage geführt werden.
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Bei den Ausführungsformen gemäß den 2, 5 und 6 kann der Kanal für das Kühlmedium ausgespart sein von der Gestaltung des Teilbereiches 15 als Blattfeder 16, wobei die Kanalgröße und -form zur Anpassung der Federeigenschaften genutzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Endplatte
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Federpaket
- 5
- Federkappe
- 6
- Zugband
- 7
- Bipolarplatte
- 8
- Medienport
- 9
- passiver Plattenbereich
- 10
- aktiver Plattenbereich
- 11
- Dichtung
- 12
- Federelement
- 13
- Kathodenplatte
- 14
- Anodenplatte
- 15
- Teilbereich
- 16
- Blattfeder
- 17
- Formschluss
- 18
- Reibkraft
- 19
- Zwischenelement
- 20
- elastisches Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013011412 A1 [0007]
- DE 102013011422 A1 [0007]
- FR 2899386 A1 [0007]
