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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, ein Bipolarplattensystem, eine Endplatte und/oder eine Brennstoffzelle.
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Brennstoffzellen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Diese dienen dazu, insbesondere durch Verwendung einer Reaktion Elektronen freizusetzen, um so einen Stromfluss zu erzeugen bzw. Energie bereitstellen zu können. Als Brennstoff können unterschiedliche Fluide zum Einsatz kommen, z.B. Wasserstoff. Problematisch bei den bekannten Systemen ist jedoch, dass die Brennstoffzellen ausmehren Zellen bestehen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Diese Zellen werden meist stapelhaft angeordnet und durch eine Endplatte endseitig bedeckt, um so eine kompakte Bauform zu erreichen. Die Fixierung der Zellen zueinander und der Endplatte erfolgt meist durch ein externes Befestigungsmittel. Hierdurch sind die Bipolarplatten und die Endplatte jedoch großen Biegespannungen ausgesetzt und/oder es resultiert ein hoher Bauraumbedarf.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine bauraumsparende Anordnung bereitzustellen, die dennoch eine sichere Fixierung der Bestandteile der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 1, mit einem Bipolarplattensystem gemäß Anspruch 4, mit einer Endplatte gemäß Anspruch 8 und mit einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
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Erfindungsgemäß ist eine Bipolarplatte. Die Bipolarplatte dient dazu, einen Teil einer Brennstoffzelle auszubilden oder ausbilden zu können. Die Bipolarplatte erstreckt sich in einer Längsrichtung und in einer Breitenrichtung, wobei die Längsrichtung und die Breitenrichtung insbesondere senkrecht aufeinander stehen, wobei die Bipolarplatte eine Vielzahl von Durchbrüchen aufweist, wobei die Durchbrüche eine äußere Kontur aufweisen, wobei die äußere Kontur der Durchbrüche jeweils durch einen Montagedurchbruch und zumindest einen Strömungsdurchbruch ausgebildet sind, wobei der Montagedurchbruch einen kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs ausbildet, und wobei der Montagedurchbruch dazu ausgelegt ist, ein Befestigungsmittel bzw. Verbindungsmittel aufzunehmen. Die Bipolarplatte ist ein Teil und/oder kann in einer Brennstoffzelle angeordnet bzw. Verwendung finden. Insbesondere ist jeweils zwischen zwei Bipolarplatten jeweils ein MEA angeordnet. Unter einem MEA ist eine Membran-Elektroden-Einheit im Sinne der Erfindung zu verstehen. Die Bipolarplatten dienen daher dazu, Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und/oder Sauerstoff und/oder Verbrennungsprodukte, insbesondere Fluide, z. B. Wasser oder Wasserdampf, von und/oder zu der MEA führen zu können und gleichzeitig das Aufnahmevolumen für die MEA zumindest teilweise zu begrenzen. Des Weiteren können die Bipolarplatten insbesondere dazu dienen, Elektronen zu leiten. Die Bipolarplatten sind insbesondere, zumindest teilweise, aus einem leitfähigen Material ausgebildet und/oder aus Kunststoff und/oder zumindest teilweise, aus einem isolierenden Material. Die Bipolarplatten können daher insbesondere einen Teil eines Stapels bzw. eines „Sacks“ einer Brennstoffzelle ausbilden. Die Bipolarplatten erstrecken sich insbesondere in einer Längsrichtung und in einer Breitenrichtung. Die Längsrichtung ist insbesondere diejenige Richtung, in welcher die Bipolarplatte ihre größte Hauptabmessung aufweist. Die Breitenrichtung hingegen kann insbesondere diejenige Richtung sein, in welcher sich die Breite der Bipolarplatte bemisst. Senkrecht zu der Längsrichtung und/oder der Breitenrichtung stehend kann dabei eine Höhenrichtung sein. Die Höhenrichtung kann insbesondere diejenige Richtung sein, in welcher sich die Materialstärke der Bipolarplatte bemisst. Besonders zweckmäßig stehen dabei die Längsrichtung und die Breitenrichtung senkrecht aufeinander. Des Weiteren bevorzugt können insbesondere die Längsrichtung, die Breitenrichtung und die Höhenrichtung jeweils senkrecht zueinanderstehen. In anderen Worten können die Längsrichtung, die Breitenrichtung und die Höhenrichtung ein rechtwinkliges Koordinatensystem miteinander ausbilden. Die Bipolarplatte umfasst eine Vielzahl von Durchbrüchen. Diese Durchbrüche durchdringen dabei die Bipolarplatte insbesondere vollständig, wobei die Haupterstreckungsrichtung der Durchbrüche insbesondere die Höhenrichtung ist. In anderen Worten können die Durchbrüche in Höhenrichtung die Bipolarplatte durchdringen. Hierdurch ist es möglich Mittel, insbesondere Befestigungsmittel, und/oder Fluide durch die Bipolarplatte zu führen. In anderen Worten können daher die Durchbrüche dazu dienen, ein Fluid von der einen Seite der Bipolarplatte auf die andere Seite der Bipolarplatte strömen lassen zu können und auch gleichzeitig einen Aufnahmeraum für ein Befestigungs- oder Verspannmittel bereitstellen. Für die Fluidleitung sind insbesondere die Strömungsdurchbrüche der Durchbrüche gedacht. Die Durchbrüche selber werden dabei durch einen Bestandteil ausgebildet, welcher der Strömungsdurchbruch ist und zumindest auch durch einen weiteren Bestandteil, welcher als Montagedurchbruch bezeichnet wird. Der Montagedurchbruch dient dabei dazu, ein Befestigungsmittel, welches auch ein Verspannmittel oder Verbindungsmittel sei kann, aufzunehmen, um so eine Verspannung der Bipolarplatte und/oder der „Stacks“ bzw. der Stapel der Brennstoffzelle zu ermöglichen. In anderen Worten kann daher der Durchbruch durch eine Vereinigung von einem Montagedurchbruch und mindestens einen Strömungsdurchbruch ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise verfügt dabei die Bipolarplatte grundlegend über eine Vielzahl von Durchbrüchen, welche jeweils zumindest einen Strömungsdurchbruch und einen Montagedurchbruch aufweisen. Die Durchbrüche sind dabei derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass diese auf der Bipolarplatte eine äußere Kontur ausbilden. Die äußere Kontur ist dabei insbesondere der äußere Rand des Durchbruchs auf einer die Bipolarplatte, insbesondere in Höhenrichtung, berandenden Fläche. Diese äußere Kontur des Durchbruchs oder der Durchbrüche ist zumindest abschnittsweise durch den Strömungsdurchbruch und zumindest abschnittsweise durch den Montagedurchbruch ausgebildet. In anderen Worten wird der Rand des Durchbruchs zumindest teilweise durch den Montagedurchbruch und zumindest teilweise auch durch den Strömungsdurchbruch ausgebildet. Der Montagedurchbruch bildet insbesondere einen kreissegmentförmigen Teil der äu-ßeren Kontur des Durchbruchs aus. In anderen Worten ist daher zumindest ein Teil des äußeren Durchbruchs durch einen kreisförmigen Abschnitt ausgebildet, welcher gleichzeitig auch den Montagedurchbruch begrenzt. Alternativ ausgedrückt kann der Durchbruch somit einen teilkreissegmentförmigen Abschnitt aufweisen, welcher gerade eben durch die Montagedurchbruch ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders kerbwirkungsfaktorarme und fertigungsgünstige sowie kompakte Ausgestaltung des Montagedurchbruchs, insbesondere angepasst an ein Befestigungsmittel, insbesondere ein Befestigungsmittel in Form einer Schraube, erreicht werden. Eine Schraube im Sinne der Erfindung kann insbesondere ein Befestigungsmittel sein, welches einen Betätigungskopf und/oder einen Betätigungsabschnitt aufweist und darüber hinaus ein außenliegendes Gewinde und/oder ein innenliegendes Gewinde aufweist, welches insbesondere in einen Schaftabschnitt eingebracht ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bipolarplatte ein Strömungsbereich auf, wobei der Strömungsbereich später zur Abgrenzung eines Fluidvolumens dient, wobei das Fluidvolumen insbesondere in Fluidverbindung mit zumindest zwei Durchbrüchen steht oder stehen kann. Der Strömungsbereich ist insbesondere derjenige Bereich der Bipolarplatte, bzw. die außenliegende in Höhenrichtung gerandende Fläche oder Flächen der Bipolarplatte, welcher bzw. welche später in Fluidkontakt mit dem MEA steht oder bringbar ist. Der Strömungsbereich kann daher eine Fläche auf der Bipolarplatte ausbilden oder sein bzw. umfassen. Zweckmäßigerweise weist die Bipolarplatte sowohl einen Strömungsbereich auf, der durch eine in positive Höhenrichtung berandenden Fläche ausgebildet ist, und einen Strömungsbereich, der durch eine in negative Höhenrichtung berandenden Fläche ausgebildet ist. Der Strömungsbereich dient insbesondere später dazu, das Fluidvolumen zu begrenzt, welches in Kommunikation mit dem MEA steht und/oder das Volumen zumindest teilweise bereitzustellen, in welchem der MEA angeordnet ist. Der Strömungsbereich berandet daher insbesondere ein Fluidvolumen, welches in Fluidverbindung mit zumindest zwei Durchbrüchen der Bipolarplatte steht oder stehen kann. Dies kann insbesondere dann entscheidend sein, wenn später ein Dichtelement angeordnet wird und/oder auf der Bipolarplatte angeordnet ist, welches es gerade erlaubt, dass ein Fluidstrom von dem Durchbruch zum Strömungsbereich und von dem Strömungsbereich zu einem anderen Durchbruch erfolgen kann. Hierdurch können die Durchbrüche, insbesondere die Strömungseinbrüche der Durchbrüche, welche in Fluidverbindung mit dem Strömungsbereich bzw. dem Fluidvolumen stehen, genutzt werden, um einen Zu- und Abfluss von Fluiden in das Fluidvolumen zu erreichen.
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Zweckmäßigerweise durchdringen der Montagedurchbruch und der Strömungsdurchbruch eines Durchbruchs oder der Durchbrüche die Bipolarplatte. Hierdurch kann eine besonders einfache Durchführung eines Befestigungsmittels und eines Strömungsfluids durch die Bipolarplatte erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist der Strömungsdurchbruch derart ausgebildet, dass dieser sich in der Ebene, welche durch die Längs- und die Breitenrichtung aufgespannt ist, von dem Montagedurchbruch zum Strömungsbereich erstreckt. Hierdurch kann eine besonders strömungstechnisch günstige Ausgestaltung des Strömungsdurchbruchs erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise bildet der kreissegmentförmige Teil des Montagedurchbruchs zumindest 51 %, bevorzugt zumindest 65 %, und besonders bevorzugt zumindest 75 %, eines Kreises aus. In anderen Worten kann der kreissegmentförmige Teil zumindest 51 % eines vollständigen Kreises, bevorzugt zumindest 65 % eines vollständigen Kreises, und besonders stark bevorzugt zumindest 75 % eines vollständigen Kreises ausbilden. Durch die Ausgestaltung dahingehend, dass zumindest 51 % durch den kreissegmentförmigen Teil des Montagedurchbruchs ausgebildet sind, kann eine Lagesicherung des im kreissegmentförmigen Teils bzw. im Montagedurchbruch aufgenommenen Befestigungsmittels erreicht werden. In anderen Worten kann durch eine derartige Ausgestaltung insbesondere eine formschlüssige Lagesicherung eines Befestigungsmittels innerhalb des Montagedurchbruchs sichergestellt oder zumindest notfallhaft bereitgestellt werden, sodass insbesondere ein Verrutschen der Bipolarplatte in Relation zum Befestigungsmittel in einer Längsrichtungs- und Breitenrichtungs-Ebene formschlüssig verhindert ist oder verhinderbar ist. Um diese Formschlusssicherung weiter zu verbessern, sollte der kreissegmentförmige Teil zumindest 65 %, bevorzugt zumindest 75 % eines vollständigen Kreises ausbilden. Hierdurch kann die Formschlusssicherung zwischen der Bipolarplatte und einem Befestigungsmittel weiter verbessert werden, um eine bessere Genauigkeit der Lagesicherung zu erreichen. Durch diese Art der formschlüssigen Sicherung der Bipolarplatte relativ zum Befestigungsmittel kann dabei eine besonders einfache Montage erreicht werden. Hierdurch ist es später insbesondere möglich, die einzelnen Bipolarplatten über die Befestigungsmittel aufzufädeln, sodass eine Vereinfachung der Montage erfolgen kann.
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Bevorzugt bildet der kreissegmentförmige Teil des Montagedurchbruchs jedoch maximal 98 %, bevorzugt maximal 90 %, und besonders bevorzugt maximal 80 %, eines Kreises aus. Die Teile welche dabei fehlen, um den vollständigen Kreis auszubilden, gehören insbesondere zu dem Strömungsdurchbruch. In anderen Worten kann daher durch eine derartige Ausgestaltung sichergestellt werden, dass ausreichend Platz für den Strömungsdurchbruch in dem Durchbruch vorhanden ist, sodass eine ausreichende Strömungsfläche bzw. Strömungsmöglichkeit bereitgestellt wird.
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Bevorzugt weist die Bipolarplatte Strömungsnuten, insbesondere in einem bzw. dem Strömungsbereich der Bipolarplatte, auf, wobei die Strömungsnuten insbesondere in einem Durchbruch enden und/oder starten. In anderen Worten kann die Bipolarplatte, insbesondere in einer Fläche, welche die Bipolarplatte in Höhenrichtung begrenzt, Nuten aufweisen, welche einen Fluidfluss begünstigen und/oder erreichen können. Diese Nuten werden dabei insbesondere Strömungsnuten genannt. Zweckmäßigerweise verlaufen diese Strömungsnuten derart auf der Bipolarplatte bzw. sind derart auf der Bipolarplatte angeordnet, sodass diese in einem Durchbruch, insbesondere in einem Strömungsdurchbruch enden und/oder starten. In anderen Worten reichen die Nuten bis in den Strömungsdurchbruch oder den Durchbruch hinein. Hierdurch kann eine besonders strömungstechnisch günstige Anbindung der Strömungsnuten erreicht werden. Durch das Vorsehen der Strömungsnuten kann insbesondere auch ein Verstopfen und auch ein gleichmäßiges Zuführen von Fluiden in die MEA erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strömungsnuten durch gerade und/oder rechteckige Abschnitte ausgebildet und/oder wobei die Strömungsnuten mäanderförmig verlaufen. Durch die Verwendung von lediglich geraden und/oder rechteckigen bzw. rechtwinkligen Abschnitten und/oder bei einer mäanderförmigen Ausgestaltung weist die Strömungsnut eine besonders große Erstreckung auf. Hierdurch kann eine besonders effektive und homogene Zuführung von Fluiden und/oder eine Abführung von Fluiden in und/oder aus der MEA in die Strömungsnuten erfolgen. Durch die mäanderförmige Ausgestaltung der Strömungsnut kann insbesondere ebenfalls eine besonders lange Strömungslänge der Nuten erreicht werden und somit eine besonders homogene Zuführung bzw. Abführung von Fluiden aus und/oder in die MEA.
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Vorteilhafterweise ist der Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs, der durch den Strömungsdurchbruch ausgebildet ist, weiter vom Schwerpunkt des Durchbruchs oder vom Mittelpunkt des kreissegmentförmigen Teils beabstandet als der Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs, der durch den Montagedurchbruch ausgebildet ist. In anderen Worten kann der Strömungsdurchbruch wie ein Fortsatz sich von dem ansonsten kreisförmigen Montagedurchbruch weg erstrecken. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt bildet der Montagedurchbruch alle kreissegmentförmigen Teile des Durchbruchs aus und/oder ist ausschließlich durch kreissegmentförmige Teile ausgebildet, die insbesondere alle den gleichen Mittelpunkt aufweisen. Durch diese Arten der Ausgestaltung des Durchbruchs, einiger Durchbrüche, des überwiegenden Teils der Durchbrüche und/oder aller Durchbrüche kann eine besonders gute Fluidführungsmöglichkeit geschaffen werden. Der Mittelpunkt des kreissegmentförmigen Teils ist insbesondere der Punkt, um welchen sich der Radius des kreissegmentförmigen Teils bestimmt bzw. der Punkt, welcher den gleichen Abstand zu allen Punkten des kreissegmentförmigen Teils aufweist.
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Bevorzugt weist die Bipolarplatte ein Breiten zu Längenverhältnis von insbesondere weniger als oder gleich 1 zu 3 auf, wobei die Bipolarplatte in ihrem Mittelbereich in Längsrichtung einen Durchbruch, insbesondere eine Vielzahl von Durchbrüchen, aufweist. In anderen Worten kann die Abmessung der Bipolarplatte in Breitenrichtung zu der Abmessung der Bipolarplatte in Längsrichtung in einem Verhältnis von weniger oder gleich 1 zu 3 stehen. Sollte ein derartiges Verhältnis vorliegen, so kann insbesondere in einem Mittelbereich in Längsrichtung ein Durchbruch, insbesondere eine Vielzahl von Durchbrüchen, vorgesehen sein. Der Mittelbereich in Längsrichtung ist insbesondere derjenige Bereich der Bipolarplatte in Längsrichtung, welcher sich in Längsrichtung vom idealen Mittelpunkt aus +/-25 %, bevorzugt +/-15 %, und besonders bevorzugt +/- 10 %, und besonders stark bevorzugt +/- 5 %, der maximalen Länge der Bipolarplatte in Längsrichtung erstreckt. Der Mittelpunkt der Bipolarplatte ist insbesondere der Volumenschwerpunkt oder der Schwerpunkt der Bipolarplatte. Durch die Anordnung eines Durchbruchs, insbesondere einer Vielzahl von Durchbrüchen, wie sie auch vorhergehend und nachfolgend beschrieben sind, im Mittelbereich kann insbesondere eine besonders gute Verspannenmöglichkeit der Bipolarplatte erreicht werden. Insbesondere können Biegemomente aufgrund der Verspannung durch die Anordnung eines Durchbruchs im Mittelbereich vermieden bzw. reduziert werden. Vorteilhafterweise sind dabei alle diese Durchbrüche wie vorhergehend oder nachfolgend beschrieben ausgebildet, insbesondere weisen die Durchbrüche daher Montagedurchbrüche und Strömungsdurchbrüche auf, wobei durch den Strömungsdurchbruch insbesondere ein Befestigungsmittel geführt ist oder führbar ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann ein Bipolarplattensystem betreffen. Insbesondere umfasst das Bipolarplattensystem eine Bipolarplatte wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben, und ein Dichtelement, insbesondere einen Dichtring. Zweckmäßigerweise liegt das Dichtelement an der Bipolarplatte an, wobei das Dichtelement zumindest abschnittsweise dem kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur eines Durchbruchs folgt oder folgen kann. Das Bipolarplattensystem umfasst daher insbesondere zumindest ein Dichtelement, welches als Dichtring ausgebildet sein kann. Unter einem Dichtring ist ein Dichtelement zu verstehen, welches in sich selbst geschlossen ist. In anderen Worten ist der Dichtring daher ein Dichtelement ohne Ende. Das Dichtelement liegt insbesondere an der Bipolarplatte an, dies kann insbesondere durch einen unmittelbaren Kontakt des Dichtelements mit der Bipolarplatte geschehen. Zweckmäßigerweise bildet dieser Kontakt bzw. dieser Kontaktbereich des Dichtelements mit der Bipolarplatte eine in sich geschlossene Kontur aus. In anderen Worten kann daher das Dichtelement entlang seiner Erstreckung immer in Kontakt mit der Bipolarplatte stehen. Zweckmäßigerweise folgt das Dichtelement zumindest abschnittsweise dem oder einem kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur eines Durchbruchs. Unter Folgendes ist insbesondere zu verstehen, dass die Projektion des Dichtelements und die Projektion der äußeren Kontur auf eine Ebene, die durch die Längsrichtung und die Breitenrichtung aufgespannt ist, sich überdeckt bzw. überdecken und/oder dass der Verlauf des Dichtelements und der äußeren Kontur zumindest in dem folgenden Bereich der gleiche ist und/oder das Dichtelement zumindest abschnittsweise an dem kreissegmentförmigen Teil der Außenkontur anliegt. Durch dieses Folgen des Dichtelements im kreissegmentförmigen Kreis der äußeren Kontur des Durchbruchs kann insbesondere erreicht werden, dass eine besonders kurze Länge des Dichtelements und auch eine hohe Abdichtwirkung erreicht werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform folgt das Dichtelement zumindest 40 %, bevorzugt zumindest 60 %, und besonders bevorzugt zumindest 80 %, und besonders stark bevorzugt zumindest 90 %, und ganz besonders stark bevorzugt zumindest 97%, des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur eines Durchbruchs. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt folgt das Dichtelement zumindest 40 %, bevorzugt zumindest 60 %, und besonders bevorzugt zumindest 80 %, und besonders stark bevorzugt zumindest 90 %, und ganz besonders stark bevorzugt zumindest 97%, der äußeren Kontur eines Durchbruchs. Durch das Folgen von zumindest 40 % des kreissegmentförmigen Teils und/oder der gesamten äußeren Kontur des Durchbruchs kann gerade eine besonders einfache Montage erreicht werden. Sollte hingegen zumindest 60 % oder zumindest 80 % des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur und/oder der gesamten äußeren Kontur des Durchbruchs durch das Dichtelement gefolgt werden, so kann eine besonders gute Abdichtwirkung erreicht werden. Sollten hingegen 90 % der äußeren Kontur oder des kreisförmigen Teils durch das Dichtelement gefolgt sein, so kann hierdurch eine besonders gute mechanische Abstützfähigkeit um den Durchbruch herum erreicht werden. Diese Fähigkeit ist insbesondere deshalb bemerkenswert, da bei einer Verspannung der Bipolarplatte mittels eines Befestigungselements, welches durch den Durchbruch geführt ist, erreicht wird, dass direkt Kontaktkräfte bzw. Verspannkräfte über das Dichtelement sicher abgeführt werden können. Unter zumindest X Prozent Folgen des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur des Durchbruchs oder der äußeren Kontur des Durchbruchs ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest X Prozent der Projektion der äußeren Kontur des kreissegmentförmigen Teils bzw. der gesamten äußeren Kontur auf eine Ebene, die durch die Längs- und die Breitenrichtung aufgespannt ist, sich mit der Projektion des Dichtelements in dieser Ebene überdeckt und/oder dass das Dichtelement zumindest an X Prozent des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur oder der äußeren Kontur anliegt.
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Vorteilhafterweise ragt das Dichtelement in den oder einen Durchbruch und/oder ragt zumindest in zwei Durchbrüche hinein. Maßgeblich sind dabei insbesondere lediglich die Durchbrüche, welche einen Montagedurchbruch und einen Strömungsdurchbruch aufweisen und/oder durch welche ein Befestigungsmittel geführt ist und/oder welche dazu dienen bzw. ausgebildet sind, ein Befestigungsmittel aufzunehmen. Durch das Hineinragen kann insbesondere erreicht werden, dass die Dichtung zwischen den Befestigungsmittel und der Berandung eines Durchbruchs angeordnet werden kann, sodass ein Kontakt zwischen den Befestigungsmittel und dem Durchbruch verhindert wird. In anderen Worten kann daher das Dichtelement dazu genutzt werden, eine elektronische Isolierung zwischen dem Befestigungsmittel und der Bipolarplatte herbeizuführen.
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Zweckmäßigerweise ist das Dichtelement insbesondere aus einem isolatorischen Material ausgebildet.
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Vorteilhafterweise weist das Bipolarplattensystem eine Vielzahl von Dichtelementen auf, wobei die Dichtelemente zumindest abschnittsweise dem Verlauf der äu-ßeren Kontur zumindest eines Durchbruchs folgen, und/oder wobei jeder Durchbruch umgeben von einer äußeren Kontur eines Dichtelements ist. Maßgeblich hierfür sind insbesondere diejenigen Durchbrüche, welche einen Montagedurchbruch und einen Strömungsdurchbruch aufweisen und/oder welche dazu ausgebildet sind, ein Befestigungsmittel aufzunehmen. Durch das Ausbilden dahingehend, dass die Durchbrüche und/oder zumindest einer der Durchbrüche von einer äußeren Kontur eines Dichtelements umgeben ist, kann erreicht werden, dass der Durchbruch zur Fluidführung in und/oder aus einem Fluidvolumen verwendet werden kann. Unter einem umgeben des Durchbruchs von einer äußeren Kontur eines Dichtelements ist insbesondere zu verstehen, dass bei einer Projektion auf die Ebene, welche durch die Längsrichtung und die Breitenrichtung gebildet ist, des umgebenden Dichtelements und des Durchbruchs die äußere Kontur der Projektion des Dichtelements bzw. der äußere Rand dieser Kontur die äußeren Kontur des Durchbruchs umschließt und/oder beinhaltet.
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Bevorzugt ist das Dichtelement, insbesondere stoffschlüssig und/oder irreversibel, an der Bipolarplatte festgelegt, und/oder wobei das Dichtelement durch ein Siebdruckverfahren hergestellt ist. Der Vorteil einer Nutzung eines Siebdruckverfahrens liegt insbesondere in der kostengünstigen Herstellung eines Bipolarplattensystems mit einem Dichtelement. Durch die Festlegung des Dichtelements an der Bipolarplatte kann insbesondere eine einfache Montage des Bipolarplattensystems erreicht werden. Um diese Festlegung zu erreichen ist diese insbesondere stoffschlüssig ausgeführt, beispielsweise durch ein Kleben und/oder durch ein Siebdruckverfahren. Zweckmäßigerweise ist das Dichtelement irreversibel an der Bipolarplatte festgelegt, sodass die Verbindung zwischen dem Dichtelement und der Bipolarplatte lediglich durch eine Zerstörung der Verbindung erreicht werden kann. Hierdurch kann eine besonders hohe Dichtwirkung erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtelement derart auf der Bipolarplatte angeordnet, sodass das Dichtelement ein in sich geschlossene Kontur auf der Bipolarplatte ausbildet, wobei innerhalb der geschlossenen Kontur vorteilhafterweise zumindest zwei Strömungsdurchbrüche, insbesondere von unterschiedlichen Durchbrüchen, und/oder der Strömungsbereich der Bipolarplatte angeordnet ist bzw. sind. Durch das Vorsehen einer geschlossenen Kontur des Dichtelements auf der Bipolarplatte kann eine besonders hohe Dichtwirkung erreicht werden. Durch die Anordnung innerhalb der geschlossenen Kontur von zumindest zwei Strömungsdurchbrüchen kann eine besonders gute Zu- und Abführung von Fluiden in den abgedichteten Bereich erreicht werden. Insbesondere ist dabei innerhalb dieses abgedichteten Bereichs bzw. innerhalb der geschlossenen Kontur dabei auch der Strömungsbereich der Bipolarplatte und/oder zumindest der Ausgang bzw. die Kontur von Strömungsdurchbrüchen, insbesondere von unterschiedlichen Durchbrüchen, angeordnet. Hierdurch kann eine besonders homogene bzw. zielgerichtete Zu- und Abfuhr von Fluiden in den Strömungsbereich der Bipolarplatte erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bipolarplattensystem ein Befestigungsmittel, wobei das Befestigungsmittel durch den Durchbruch, insbesondere durch den Montagedurchbruch des Durchbruchs, geführt ist, wobei das Befestigungsmittel insbesondere das Dichtelement kontaktiert. Durch den Kontakt des Dichtelements mit dem Befestigungsmittel kann eine Isolation zwischen dem Befestigungsmittel und der Bipolarplatte erreicht werden. Durch die Durchführung des Befestigungsmittels durch einen Durchbruch, insbesondere durch den Montagedurchbruch des Durchbruchs, kann eine besonders einfache und bauraumsparende Verspann- und Montagemöglichkeit der Bipolarplatte erreicht werden. Zweckmäßigerweise weist das Befestigungsmittel einen Betätigungsbereich, insbesondere einen Kopf, und einen Montagebereich auf, wobei der Montagebereich ein Gewinde ausbildet. Zweckmäßigerweise ist der Montagebereich in und/oder um einen Schaftbereich des Befestigungsmittels ausgebildet. Das Befestigungsmittel erstreckt sich insbesondere in Höhenrichtung. In anderen Worten ist daher die Haupterstreckungsrichtung des Befestigungsmittels vorteilhafterweise parallel zur Höhenrichtung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist durch jeden Durchbruch der Bipolarplatte, welcher einen Montagedurchbruch und einen Strömungsdurchbruch aufweist, ein Befestigungsmittel geführt. Hierdurch kann eine besonders homogene Verspannungsmöglichkeit der Bipolarplatte erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Befestigungsmittel ein sich entlang einer Höhenrichtung bzw. der Höhenrichtung erstreckenden Strömungsdurchlass auf, wobei der Strömungsdurchlass in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchbruch steht, welcher den Durchbruch mit ausbildet, durch welchen das Befestigungsmittel geführt ist. Beispielsweise kann das Befestigungsmittel ein Banjo sein, wobei innerhalb des Banjos ein Strömungsdurchlass ausgebildet sein kann. Alternativ bevorzugt kann der Strömungsdurchlass auch extern in das Befestigungsmittel beispielsweise durch eine externe Nut, eingebracht sein. Der Strömungsdurchlass erstreckt sich insbesondere in Höhenrichtung. In anderen Worten kann daher der Strömungsdurchlass eine Fluidförderfähigkeit in Höhenrichtung bereitstellen. Dieser Strömungsdurchlass des Befestigungsmittels steht insbesondere in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchbruch, sodass ein Fluid von dem Strömungsdurchlass in den Strömungsdurchbruch strömen kann. Hierdurch kann eine besonders effektive Strömungsmöglichkeit bereitgestellt werden.
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Bei einer alternativen oder zusätzlich bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bipolarplattensystem eine Vielzahl von Befestigungsmitteln, wobei die Vielzahl von Befestigungsmitteln durch jeweils einen Durchbruch geführt sind, wobei dieser Durchbruch insbesondere einen Montagedurchbruch und/oder einen Strömungsdurchbruch aufweist. Hierdurch kann insbesondere eine besonders homogene Spannungskraftverteilung erreicht werden, sodass letztendlich eine besonders hohe Dichtewirkung erzielt werden kann, wobei jedoch gleichzeitig wertvoller Bauraum gespart werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann eine Endplatte für eine Brennstoffzelle betreffen, wobei die Endplatte sich in eine Längsrichtung und eine Breitenrichtung erstreckt, wobei die Endplatte zwei, insbesondere in Längsrichtung voneinander distanzierte, Montagebereiche aufweist, wobei die Biegesteifigkeit der Endplatte, insbesondere zwischen den Montagebereichen, variabel ist, vorteilhafterweise in Richtung zu den Montagebereichen abnehmend. Die Endplatte erstreckt sich insbesondere in eine Längsrichtung und eine Breitenrichtung, wobei die Längsrichtung der Endplatte mit der Längsrichtung wie vorhergehend und nachfolgend beschrieben korrespondieren kann und/oder die Breitenrichtung mit der Breitenrichtung wie vorhergehend und nachfolgend beschrieben korrespondieren kann. Die Längsrichtung der Endplatte ist insbesondere diejenige Richtung, in welche die Endplatte ihre größte Hauptabmessung aufweist und/oder in welche sich die Länge der Endplatte bestimmt. Die Breitenrichtung hingegen ist insbesondere diejenige Richtung, in welche sich die Breite der Endplatte bestimmt und/oder in welcher die Endplatte ihre zweitgrößte Hauptabmessung aufweist. Die Längsrichtung und die Breitenrichtung können insbesondere senkrecht auf einer Höhenrichtung stehen, insbesondere ist diese Höhenrichtung dabei parallel und/oder deckungsgleich mit der bereits vorhergehend und/oder nachfolgend dargelegten Höhenrichtung ausgerichtet. Die Endplatte dient insbesondere dazu, in einer Brennstoffzelle angeordnet zu sein und ein distales Ende der Brennstoffzelle, insbesondere in Höhenrichtung, auszubilden. Um eine Montage der Endplatte zu erreichen, weist diese insbesondere zwei voneinander distanzierte Montagebereiche auf. Die Montagebereiche sind dabei insbesondere Bereiche, welche dazu dienen, eine Kraftübertragung auf die Endplatte bereitzustellen. Zweckmäßigerweise ist zwischen diesen beiden Montagebereichen ein Bereich vorgesehen, in welchem die Endplatte eine variable Biegesteifigkeit aufweist. Insbesondere ist dieser Bereich mit variabler Biegesteifigkeit dabei derart ausgebreitet, dass dieser einen Mittelbereich in Längsrichtung der Endplatte umfasst und/oder ausbildet. Der Mittelbereich der Endplatte bestimmt sich dabei in gleicher Weise wie der Mittelbereich der Bipolarplatte. Zweckmäßigerweise ist die Biegesteifigkeit des zwischen dem Montagebereichen liegenden Bereichs derart ausgebildet, dass dessen Biegesteifigkeit in Richtung zu den Montagebereichen abnehmend ist. Daher ist insbesondere die Biegesteifigkeit in dem weitesten in Längsrichtung beanstandeten Bereich zu den Montagebereichen am größten. Grundlegend kann die Endplatte im Sinne der Erfindung auch als Kopfplatte bezeichnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Endplatte bogenförmige Versteifungsrippen auf, wobei die bogenförmigen Versteifungsrippen sich insbesondere parallel zur Längsrichtung erstrecken. Zweckmäßigerweise weisen diese bogenförmigen Versteifungsrippen eine variable Höhe in Längsrichtung auf. Die bogenförmigen Versteifungsrippen sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass diese eine größte Hauptabmessung parallel zur Längsrichtung aufweisen, um so eine besonders gute Biegespannungsaufnahme bereitzustellen.
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Zweckmäßigerweise weist die Endplatte, insbesondere die Montagebereiche der Endplatte, Festlegungsdurchbrüche auf. Besonders bevorzugt erstrecken sich durch diese Festlegungsdurchbrüche dabei die Befestigungsmittel, wobei die Befestigungsmittel sich insbesondere auch durch die oder einige der Durchbrüche der Bipolarplatten erstrecken können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann eine Brennstoffzelle betreffen. Zweckmäßigerweise umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Bipolarplatte, bevorzugt eine Vielzahl von Bipolarplatten, insbesondere wie vorgehend und/oder nachfolgend beschrieben. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Brennstoffzelle auch ein Bipolarplattensystem, bevorzugt eine Vielzahl von Polarplattensystem und/oder ein Bipolarplattensystem mit einer Vielzahl von Bipolarplatten und/oder Befestigungsmitteln und/oder Dichtelementen, insbesondere wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben, betreffen. Des Weiteren alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Brennstoffzelle auch zumindest eine Endplatte oder zwei Endplatten aufweisen, insbesondere wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform einer Brennstoffzelle ist zwischen und/oder in zwei Bipolarplatten ein Hohlraum ausgebildet, welcher teilweise durch den Strömungsbereich einer oder beider Bipolarplatten begrenzt ist, wobei in den Hohlraum ein Fluid durch einen der Durchbrüche, insbesondere durch einen Strömungsdurchbruch, der Bipolarplatte gelangt oder gelangen kann und/oder wobei aus dem Hohlraum ein Fluid durch einen der Durchbrüche, insbesondere durch ein Strömungsdurchbruch, der Bipolarplatte gelangt oder gelangen kann. In anderen Worten kann daher der Strömungsbereich der Bipolarplatte in Fluidverbindung mit einem Strömungsdurchbruch eines Durchbruchs und einem Strömungsdurchbruch eines anderen Durchbruchs stehen. Hierdurch kann eine besonders effektive und einfache Möglichkeit geschaffen werden, Fluide über die Strömungsdurchbrüche in Anlage mit dem Strömungsbereich zu bringen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist in den Hohlraum eine MEA angeordnet. Unter einer MEA ist dabei eine Membran-Elektroden-Einheit zu verstehen. Hierdurch kann eine besonders kompakte Ausgestaltung der Brennstoffzelle erreicht werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. Einzelne Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können dabei auch in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde.
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Es zeigen:
- 1 eine Bipolarplatte;
- 2 ein Bipolarplattensystem und/oder eine Bipolarplatte;
- 3 eine Ansicht einer alternativen Ausgestaltung einer Bipolarplatte;
- 4 ein Bipolarplattensystem mit einer Bipolarplatte und einem Befestigungsmittel;
- 5 eine Brennstoffzelle mit einer Endplatte und einer Vielzahl von Bipolarplatten und Bipolarplattensystemen; und
- 6 eine isometrische Ansicht einer Endplatte.
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In der 1 ist eine isometrische Ansicht einer Bipolarplatte 210 gezeigt. Die Bipolarplatte 210 weist eine Vielzahl von Durchbrüchen 240 auf, welche sich in Höhenrichtung H erstrecken. Die Durchbrüche 240 umfassen jeweils einen Montagedurchbruch 242 und ein Strömungsdurchbruch 244. Der Montagedurchbruch 242 weist jeweils einen kreissegmentförmigen Teil auf und/oder bildet einen kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs 240 aus. Der Montagedurchbruch 242 ist dazu ausgebildet, ein Befestigungsmittel aufzunehmen die Bipolarplatte weist ein Breiten zu Längen-Verhältnis von weniger oder gleich 1 zu 3 auf, wobei in dem Mittelbereich in Längsrichtung L eine Vielzahl von Durchbrüchen 240 in der Bipolarplatte 210 angeordnet sind. Hierdurch kann eine besonders homogene Verspannkraftverteilung auf die Bipolarplatte 210 ausgebildet werden.
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In der 2 ist eine isometrische Ansicht von Bipolarplatten 210 zu erkennen, welche in Höhenrichtung H übereinander angeordnet sind. Zwischen den Bipolarplatten 210 ist jeweils ein Dichtelement 310 angeordnet. In anderen Worten ist in der 2 auch ein Bipolarplattensystem 300 zu erkennen. Wie der in Höhenrichtung H höchsten Bipolarplatte 210 angesehen werden kann, ist auf dieser eine Vielzahl von Dichtelementen 310 festgelegt. Diese Dichtelemente 310 umgeben jeweils einen Durchbruch 240. Jeder der Durchbrüche 240 umfasst zumindest einen Montagedurchbruch 242 und einen Strömungsdurchbruch 244. Das Dichtelement 310 folgt zumindest 60 % des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur jedes Durchbruchs 240. Der kreissegmentförmige Teil des Montagedurchbruchs 242 bildet zumindest 65 % eines Kreises der jeweiligen Durchbrüche 240 aus. Die Strömungsdurchbrüche 244 sind dabei derart ausgebildet, dass dies zum Strömungsbereich 252 weisend ausgebildet sind. Der Strömungsbereich 252 ist ebenfalls von einem Dichtelement 310 umgeben. Jedes Dichtelement 310 ragt dabei zumindest teilweise in einen Durchbruch 240 oder zwei Durchbrüche 240, nämlich zumindest teilweise in den Montagedurchbruch 242, hinein. Hierdurch kann eine besonders gute Isolationsmöglichkeit eines Befestigungsmittels 9 geschaffen werden, welches in den Montagedurchbruch 244 aufgenommen werden kann, wie es beispielsweise in der 4 gezeigt ist.
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In der 3 ist eine Ansicht einer Bipolarplatte 210 gezeigt, wobei die Bipolarplatte 210 sechs Durchbrüche 240 aufweist, welche sich in Höhenrichtung H erstrecken. Senkrecht zu der Höhenrichtung H steht die Breitenrichtung B und die Längsrichtung L. Von dem links unten angeordneten Durchbruch 240 zu dem rechts obig angeordneten Durchbruch 240 erstrecken sich die Strömungsnuten 250, welche durch den Strömungsbereich 252 führen. Die Strömungsnuten 250 sind dabei mäanderförmig angeordnet.
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Der Strömungsbereich 252 ist vom Dichtelement 310 umgeben, welches auch zwei Durchbrüche 240 umgibt.
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In der 4 ist ein Bipolarplattensystem 300 gezeigt. Das Bipolarplattensystem 300 umfasst eine Vielzahl von Dichtelementen 310 und eine Vielzahl von Bipolarplatten 210 sowie ein Befestigungsmittel 9. Das Befestigungsmittel 9 erstreckt sich in Höhenrichtung H. Wie der 4 entnommen werden kann, kontaktiert eine Vielzahl von Dichtelementen 310 die Bipolarplatte 210 und das Befestigungsmittel 9. Das Befestigungsmittel 9 ist dabei derart ausgebildet, dass dieses einen sich in Höhenrichtung H erstreckenden Strömungsdurchlass aufweist, wobei das Strömungsdurchlass in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchbruch 244 der jeweiligen Durchbrüche 240 steht. Hierdurch kann eine besonders gute und vorteilhafte Fluidversorgung und/oder Abfuhr durch das Befestigungsmittel 9 erfolgen.
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In der 5 ist eine Brennstoffzelle 1 gezeigt, wobei die Brennstoffzelle 1 eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 9 und eine Vielzahl von Bipolarplatten 210 und/oder Bipolarplattensystemen 300 aufweist. Die Brennstoffzelle 1 ist in Höhenrichtung H zumindest abschnittsweise durch eine Endplatte 500 begrenzt.
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In der 6 ist eine Endplatte 500 gezeigt. Die Endplatte 500 erstreckt sich in Längsrichtung L und in Breitenrichtung B, wobei die Endplatte 500 in Längsrichtung L voneinander distanzierte Montagebereiche 502 aufweist, wobei in den Montagebereichen 502 Festlegungsdurchbrüche 510 angeordnet sind. Die Montagebereiche 502 sind derart angeordnet, dass diese jeweils zumindest drei Befestigungsdurchbrüche 510 aufweisen. Zwischen den Montagebereichen 502, insbesondere in Längsrichtung L gesehen, ist die Biegesteifigkeit der Endplatte 500 variabel, wobei diese in Richtung zu den Montagebereichen 502 hin abnehmend ist. Diese variable Biegesteifigkeit kann dabei durch die Versteifungsrippen 520 erreicht werden, welche sich parallel zur Längsrichtung L erstrecken.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Brennstoffzelle
- 9
- Befestigungsmittel bzw. Verbindungsmittel
- 210
- Bipolarplatte
- 240
- Durchbruch
- 242
- Montagedurchbruch
- 244
- Strömungsdurchbruch
- 250
- Strömungsnut
- 252
- Strömungsbereich
- 300
- Bipolarplattensystem
- 310
- Dichtelement
- 500
- Endplatte
- 502
- Montagebereichen
- 510
- Festlegungsdurchbrüche
- 520
- Versteifungsrippen
- B
- Breitenrichtung
- L
- Längsrichtung
- H
- Höhenrichtung