WO2021259568A1 - Bipolarplatte sowie brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2021259568A1
WO2021259568A1 PCT/EP2021/063604 EP2021063604W WO2021259568A1 WO 2021259568 A1 WO2021259568 A1 WO 2021259568A1 EP 2021063604 W EP2021063604 W EP 2021063604W WO 2021259568 A1 WO2021259568 A1 WO 2021259568A1
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plate part
fuel cell
cathode
spring
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Oliver Keitsch
Sebastian Voigt
Fabian Lippl
Armin SIEBEL
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Audi Ag
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Definitions

  • the invention is formed by a bipolar plate with a passive plate part having a plurality of media ports and an active plate part serving to distribute the reactants, the passive plate part and the active plate part being coupled to one another by means of at least one spring element.
  • the invention further relates to a fuel cell stack.
  • Fuel cells are used to provide electrical energy through an electrochemical reaction, whereby several fuel cells connected in series can be combined to form a fuel cell stack in order to increase the usable power.
  • Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane which separates the anode from the cathode and which is coated with a catalyst to promote the electrochemical reaction.
  • the electrodes of the fuel cells are supplied with reactant gases by means of bipolar plates, namely in particular hydrogen on the anode side and oxygen or an oxygen-containing gas, in particular air, on the cathode side.
  • reactant gases these are fed via media ports into the bipolar plate, which is intended to distribute the reactants in an active area using a channel or a plurality of channels in order to use a flow field to cover the entire surface of the electrodes as much as possible to supply evenly.
  • a cooling medium is also passed through the bipolar plate, so that three different media have to be technically tightly separated in a very small space. That is why two metal formed parts are usually welded to form a bipolar plate.
  • gas diffusion layers are used in order to distribute the reactants introduced into the bipolar plates as evenly as possible over the entire surface of the membrane coated with the catalyst.
  • This plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack is generally pressed with the help of tension elements of a clamping system with a force in the range of several tons in order to achieve sufficient contact pressure on the catalyst-coated membrane to reduce ohmic losses and by means of the high compression of the seals used to avoid.
  • the compression force can be reduced by negative thermal expansion at falling or low temperatures or by the settlement behavior of the gas diffusion layers, which increases with increasing useful life and thus the age of the fuel cell stack. It is therefore necessary to compensate for the settlement behavior over the entire service life of the fuel cell stack, for which purpose spring elements such as disc springs or spiral springs are assigned to the tensioning system, which, however, requires additional installation space, increases the weight of the fuel cell stack and increases costs and development effort. It is also necessary to apply the clamping force evenly to the surface of the To distribute the fuel cell stack, which usually requires an additional ele ment between the tensioning system and the spring elements.
  • a bipolar plate with a cathode plate and an anode plate is known from DE 10 2013 011 412 A1, the cathode plate having a spring area which is elastically deformable essentially in the vertical direction of the bipolar plate and onto which a seal is molded.
  • DE 10 2013 011 422 A1 discloses a bipolar plate in which both the cathode plate and the anode plate have a region which is essentially elastically deformable in the vertical direction and which is provided with a stiffening structure.
  • FR 2899386 A1 half-plates of a bipolar plate are shown which are provided with ribs on which electrically conductive, elastic conductive components are supported to ensure electrical contact.
  • the object of the present invention is to provide an improved bipolar plate and an improved fuel cell stack.
  • the passive plate part and the active plate part are coupled to one another by means of at least one spring element.
  • the passive plate part has a media-carrying, sealing and insulating function, while the active plate part has the flow field and is exposed to the settlement behavior, in particular of the gas diffusion layers, and is held in secure contact with the gas diffusion layers due to the spring element.
  • a cathode plate and an anode plate are combined and the at least one spring element is formed by a leaf spring arranged between the passive partial plate and the active partial plate and formed by partial areas of the cathode plate and the anode plate, in particular when the cathode plate and the Anode plate are formed from a metal or a metal alloy. Due to the basically two-part construction with a leaf-like area and the use of a sufficiently elastic material, the leaf spring principle can be implemented without further components, whereby the spring constant of the leaf spring can be set by a form fit between the partial areas of the cathode plate and the anode plate, i.e. the flow of forces between the metal layers can be modified, for example through different welds or an adapted roughness of the surfaces.
  • the spring constant of the leaf spring can be set by an increased frictional force between the subregions of the cathode plate and the anode plate.
  • the spring constant of the leaf spring is set by an intermediate element arranged between the subregions of the cathode plate and the anode plate.
  • the bipolar plate is not made of metal, but is designed as a graphite compound bipolar plate, it is advantageous if the subregions are at least partially substituted by an elastic element that is connected to the passive plate part and the active plate part by injection molding or vulcanization is.
  • the adjustment of the spring Shafts can be constructed by adapting the resistance torque against bending or by adapting the material properties.
  • channels to be formed in the elastic element for guiding media between the media ports these channels preferably being used for the cooling medium because the reactant gases can also be passed through a suitable gas diffusion layer to the active sub-plate.
  • two media ports serving to guide a cooling medium are arranged in the passive plate part, of which a coolant channel is guided through the subregions, so in particular the intermediate element can only have a partially substituting effect with the coolant channel in the unsubstituted regions , or the intermediate element can itself have the coolant channel.
  • Fig. 1 is a plan view of a schematic representation of a bipolar plate with the passive plate part having the media ports and the active plate part having a flow field,
  • Fig. 2 is a schematic representation of a longitudinal section through a
  • FIG. 3 a representation corresponding to FIG.
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 3 with the tensioned spring element
  • FIG. 5 shows a representation corresponding to FIG. 2 with symbolized frictional force
  • FIG. 6 shows a representation corresponding to FIG. 2 with an intermediate element
  • FIG. 7 shows a representation corresponding to FIG. 2 with a partial area substituted by an elastic element; is supported, and FIG. 9 shows an illustration corresponding to FIG. 2 of one from the
  • a fuel cell stack 2 is shown schematically, which consists of a plurality of fuel cells 3 connected in series.
  • Each of the fuel cells 3 comprises an anode and a cathode as well as a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode.
  • the membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE sulfonated tetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.
  • the anodes and / or the cathodes can also be admixed with a catalyst, the membranes preferably having a catalyst layer made of a noble metal or of mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, on their first side and / or on their second side. Ruthenium or the like are coated, which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.
  • fuel for example hydrogen
  • anode gas fuel (for example hydrogen) is supplied to the anode as the anode gas.
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the membrane lets the protons (e.g. FT) through, but is impermeable to the electrons (e-).
  • the following reaction takes place at the anode: 2H2 -> 4FT + 4e _ (oxidation / electron release). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.
  • Cathode gas for example oxygen or air containing oxygen
  • Cathode gas can be supplied to the cathode via cathode spaces within fuel cell stack 2, so that the following reaction takes place on the cathode side: O2 + 4FT + 4e _ -> 2H2O (reduction / electron uptake).
  • the reactant gases are transferred to bipolar plates 7 in which channels are formed and combined to form a flow field for the distribution of the reactant gases to the membrane.
  • the bipolar plates 7 are provided for the passage of a cooling medium, so that three different media can be carried in a very small space.
  • Figure 1 shows a typical division of the bipolar plate 7 with a passive plate part 9 having a plurality of media ports 8 and an active plate part 10 serving to distribute the reactants, the passive plate part 9 encompassing the active plate part 10 having a flow field in the circumferential direction.
  • the passive plate part 9 three pairs of media ports are shown in the exemplary embodiment at the edge of the flow field, namely two media ports 8 for the supply and discharge of the cooling medium and two media ports each for the supply and discharge of the two reactant gases.
  • the passive plate part up lines 11 are assigned so that the passive plate part 9 can exercise its sealing, isolating and media leading function.
  • the fuel cell stack 2 shown schematically in FIG. 8 and known from the prior art has a plurality of fuel cells 3 which are arranged between two end plates 1.
  • the upper end plate 1 is symbolically assigned a spring assembly 4, which supports the end plate 1 against a spring cap 5, with two tension straps 6 on the side of the fuel cell stack 2 running from the spring cap 5 via the first end plate 1 to the second end plates 1 , so that the fuel cells 3 are braced in the fuel cell stack 2 with a pressing force.
  • the spring package 4 together with the Federkap 5 can be saved by integrating the spring function in at least one of the bipolar plates 7, preferably in all of the bipolar plates 7 of a fuel cell stack 2, by the passive plate part 9 and the active plate part 10 coupled to one another by means of at least one spring element 12 are, as shown schematically in FIG. 3 with a symbolized spring, for the unrestrained state which, when assembling the fuel cell stack 2, changes to the clamped state shown in FIG for example.
  • the spring element 12 according to FIG. 2 is realized in that a cathode plate 13 and an anode plate 14 are combined and one spring element 12 is arranged between the passive sub-plate 9 and the active sub-plate 10, through sub-areas 15 of the cathode plate 13 and the anode plate 14
  • the leaf spring 16 formed is thus formed by the two-part structure of the bipolar plate 7, the leaf spring principle can be implemented with an integrated, one-piece leaf spring 16, in particular in the case of a metallic bipolar plate 7.
  • the spring constant of the leaf spring 16 can be set by a form fit 17 between the partial areas 15 of the cathode plate 13 and the anode plate 14 according to FIG. 2 or by an increased frictional force 18 between the partial areas of the cathode plate 13 and the anode plate 14 according to FIG. 5 .
  • the spring constant of the leaf spring 16 is set by an intermediate element 19 arranged between the subregions 15 of the cathode plate 13 and the anode plate 14.
  • FIG. 7 refers to the possibility that the subregions 15 are at least partially substituted by an elastic element 20, which is connected to the passive plate part 9 and the active plate part 10 by injection molding or vulcanization, with channels in the elastic element 20 for guidance of media, in particular of the coolant, between tween the media ports 8 are formed.
  • the reactant gases can be guided over an enlarged gas diffusion layer.
  • the channel for the cooling medium can be omitted from the design of the partial area 15 as a leaf spring 16, the channel size and shape can be used to adapt the spring properties.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte einem einen 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.

Description

Bipolarplatte sowie Brennstoffzellenstapel BESCHREIBUNG:
Die Erfindung ist gebildet durch eine Bipolarplatte mit einem eine Mehrzahl von Medienports aufweisenden, passiven Plattenteil und einem der Vertei lung der Reaktanten dienenden aktiven Plattenteil, wobei der passive Platt- enteil und der aktive Plattenteil mittels mindestens einem Federelement mit einander gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzel lenstapel.
Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellensta pel 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 Reak- tion mit einem Katalysator beschichtet ist.
Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten Reaktan tengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und ka thodenseitig 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 Ka nals oder einer Mehrzahl von Kanälen eine Verteilung der Reaktanten in ei nen 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 tech nisch dicht getrennt geführt werden müssen. Deshalb werden in der Regel zwei metallische Umformteile zu einer Bipolarplatte verschweißt. Des weite- ren werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
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 Memb ran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Ver- pressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
Zu beachten ist dabei allerdings, dass während des Betriebs des Brennstoff zellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verur sacht 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 Hydratisie rung.
Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wär- meausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen oder durch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionsschichten, das mit zunehmender Nut zungsdauer und damit Lebensalter des Brennstoffzellenstapels zunimmt. Es ist daher erforderlich das Setzungsverhalten über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu kompensieren, wozu dem Spannsystem Fe- derelemente wie Tellerfedern oder Spiralfedern zugeordnet werden, was al lerdings zusätzlichen Bauraum erfordert, das Gewicht des Brennstoffzellen stapels 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 Ele ment zwischen dem Spannsystem und den Federelementen erfordert.
Aus der DE 10 2013 011 412 A1 ist eine Bipolarplatte mit einer Kathoden- platte und einer Anodenplatte bekannt, wobei die Kathodenplatte einen im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte elastisch verformbaren Fe derbereich aufweist, an welchen eine Dichtung angespritzt ist. Die DE 10 2013 011 422 A1 offenbart eine Bipolarplatte, bei der sowohl die Kathoden platte als auch die Anodenplatte einen im Wesentlichen in Hochrichtung elastisch verformbaren Bereich aufweisen, welcher mit einer Versteifungs struktur versehen ist. In der FR 2899386 A1 werden Halbplatten einer Bipo larplatte gezeigt, die mit Rippen versehen sind, an denen sich elektrisch leit fähige, elastische Leitkomponenten abstützen zur Sicherstellung des elektri schen Kontakts.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Bipolarplatte und einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspru- ches 1 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des An spruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiter bildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit einem einen Mehrzahl von Me- dienports 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 ge koppelt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Federfunktion in die Bipo larplatte 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 umfas senden 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, wo- bei 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, ins- besondere der Gasdiffusionslagen ausgesetzt ist und aufgrund des Fe derelements in sicherer Anlage an den Gasdiffusionslagen gehalten wird.
Bevorzugt ist dabei, wenn eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte zu sammengefasst sind und das mindestens eine Federelement durch eine zwi- sehen 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 prinzi piell zweiteiligen Aufbau mit einem blattartigen Bereich und der Nutzung ei- nes ausreichend elastischen Materials kann das Blattfederprinzip ohne wei tere 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 unterschiedli- che Verschweißungen oder eine angepasste Rauheit der Oberflächen.
Alternativ oder auch ergänzend kann die Federkonstante der Blattfeder durch eine erhöhte Reibkraft zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte und der Anodenplatte eingestellt sein.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Federkonstante der Blattfeder durch ein zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte und der Anoden platte angeordnetes Zwischenelement eingestellt ist. 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 Federeigen- schäften kann dabei konstruktiv über eine Anpassung des Widerstandsmo ments gegen Biegung oder über eine Anpassung der Materialeigenschaften erfolgen. Da unverändert von dem passiven Plattenteil mit den Medienports die Medi en in die Bipolarplatte geleitet und verteilt werden müssen, ist vorgesehen, dass in dem elastischen Element Kanäle für die Führung von Medien zwi schen den Medienports ausgebildet sind, wobei diese Kanäle vorzugsweise für das Kühlmedium genutzt werden, da die Reaktantengase auch durch ei- ne geeignete Gasdiffusionslage zur aktiven Teilplatte geleitet werden kön nen.
Möglich ist auch, dass in dem passiven Plattenteil zwei der Führung eines Kühlmediums dienende Medienports angeordnet sind, von denen ein Kühl- mittelkanal durch die Teilbereiche geführt ist, also insbesondere das Zwi schenelement nur teilweise substituierend wirken kann mit dem Kühlmittel kanal in den nicht substituierten Bereichen, oder das Zwischenelement kann selbst den Kühlmittelkanal aufweisen. 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. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina tionen 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 Merkmalskombi nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung einer Bipo larplatte mit dem passiven, die Medienports aufweisenden Plattenteil und dem aktiven, ein Flussfeld aufweisenden Platt enteil,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine
Bipolarplatte, wobei der passive Plattenteil und der aktive Platt enteil mittels eines Federelements miteinander gekoppelt sind, Fig. 3 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung mit dem stilisiert dargestellten, unverspannten Federelement,
Fig. 4 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung mit dem verspann ten Federelement,
Fig. 5 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung mit symbolisierter Reibkraft,
Fig. 6 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung mit einem Zwi- schenelement,
Fig. 7 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung mit einem durch ein elastisches Element substituierten Teilbereich, Fig. 8 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Tech nik bekannten, zwischen zwei Endplatten verspannten Brenn stoffzellenstapels, wobei eine der Endplatten über Federele mente gegen eine Federkappe abgestützt ist, und Fig. 9 eine der Figur 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.
In der Figur 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 Memb- ran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethyl- en-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocar- bon-Membran gebildet sein. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zu sätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugswei- se auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysa torschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetal le wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Ano den 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 FT) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 -> 4FT + 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 Brennstoffzel lenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4FT + 4e_ -> 2H2O (Redukti on/Elektronenaufnahme). 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.
Figur 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 gezeig ten 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 Dich tungen 11 zugeordnet, damit der passive Plattenteil 9 seine dichtende, isolie rende und Medien führende Funktion ausüben kann.
Der in der Figur 8 schematisch gezeigte, aus dem Stand der Technik be kannte 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 verlau fen, so dass die Brennstoffzellen 3 in dem Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Verpresskraft verspannt sind.
Gemäß der Erfindung kann das Federpaket 4 zusammen mit der Federkap pe 5 eingespart werden, indem die Federfunktion in mindestens eine der Bi polarplatte 7, vorzugsweise in alle Bipolarplatten 7 eines Brennstoffzellen stapels 2 integriert ist, indem der passive Plattenteil 9 und der aktive Platt enteil 10 mittels mindestens einem Federelement 12 miteinander gekoppelt sind, wie dies in der Figur 3 schematisch mit einer symbolisierten Feder dar gestellt für den unverspannten Zustand, der bei der Assemblierung des Brennstoffzellenstapels 2 in den in Figur 4 dargestellten, verspannten Zu stand übergeht, der eine ausreichende Nachspannreserve bietet zum Aus- gleich des Setzungsverhaltens zum Beispiel.
Realisiert ist das Federelement 12 gemäß Figur 2, indem eine Kathodenplat te 13 und eine Anodenplatte 14 zusammengefasst sind und das eine Fe derelement 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 zwei teiligen Aufbau der Bipolarplatte 7 kann das Blattfederprinzip mit einer inte grierten, einstückig ausgebildeten Blattfeder 16 umgesetzt werden, insbe sondere bei einer metallischen Bipolarplatte 7.
Dabei kann die Federkonstante der Blattfeder 16 durch einen Formschluss 17 zwischen den Teilbereichen 15 der Kathodenplatte 13 und der Anoden platte 14 entsprechend Figur 2 eingestellt sein oder durch eine erhöhte Reib kraft 18 zwischen den Teilbereichen der Kathodenplatte 13 und der Anoden- platte 14 entsprechend Figur 5.
Alternativ besteht auch die in Figur 6 gezeigte Möglichkeit, dass die Feder konstante der Blattfeder 16 durch ein zwischen den Teilbereichen 15 der Ka thodenplatte 13 und der Anodenplatte 14 angeordnetes Zwischenelement 19 eingestellt ist.
Schließlich verweist Figur 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, zwi schen den Medienports 8 ausgebildet sind. Die Reaktantengase können über eine vergrößerte Gasdiffusionslage geführt werden. Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 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 Fe dereigenschaften genutzt werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE 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

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Bipolarplatte (7) mit einem eine Mehrzahl von Medienports (8) aufwei- senden, passiven Plattenteil (9) und einem der Verteilung der Reaktan ten dienenden aktiven Plattenteil (10), wobei der passive Plattenteil (9) und der aktive Plattenteil (10) mittels mindestens einem Federelement (12) miteinander gekoppelt sind, wobei eine Kathodenplatte (13) und ei ne Anodenplatte (14) zusammengefasst sind und das mindestens eine Federelement (12) durch eine zwischen dem passiven Plattenteil (9) und dem aktiven Plattenteil (10) angeordnete, durch Teilbereiche (15) der Ka thodenplatte (13) und der Anodenplatte (14) gebildete Blattfeder (16) ge bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathodenplatte (13) und eine Anodenplatte (14) zusammengefasst sind und das mindestens eine Federelement (12) durch eine zwischen dem passiven Plattenteil (9) und dem aktiven Plattenteil (10) angeordnete, durch Teilbereiche (15) der Ka thodenplatte (13) und der Anodenplatte (14) gebildete Blattfeder (16) ge bildet ist.
2. Bipolarplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Federkonstante der Blattfeder (16) durch eine erhöhte Reibkraft (18) zwischen den Teilbereichen (15) der Kathodenplatte (13) und der Ano denplatte (14) eingestellt ist.
3. Bipolarplatte (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Federkonstante der Blattfeder (16) durch ein zwischen den Teilbereichen (15) der Kathodenplatte (13) und der Anodenplatte (14) angeordnetes Zwischenelement (19) eingestellt ist.
4. Bipolarplatte (7) nach Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenplatte (13) und die Anodenplatte (14) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind.
5. Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass in dem passiven Plattenteil (9) zwei der Führung eines Kühlmediums dienende Medienports (8) angeordnet sind, von denen ein Kühlmittelkanal durch die Teilbereiche (15) geführt ist.
6. Brennstoffzellenstapel (2) mit mindestens einer Bipolarplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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