DE102015015392A1

DE102015015392A1 - Bipolarplatten-Anordnung, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015015392A1
Application number: DE102015015392.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Keuerleber; Stephen Wade; Claudette Kennette; Vaibhav Patel
Original assignee: Daimler AG; Ford Motor Co
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG; Ford Motor Co
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-06-09
Also published as: GB2525951A; GB2525951B; GB201421472D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatten-Anordnung (28) für einen Brennstoffzellenstapel, welche eine Anodenplatte (30) und eine Kathodenplatte (32) umfasst. Wenigstens ein Dichtelement (38) ist auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung (28) aufgebracht. Die beiden Platten (30, 32) sind miteinander durch Verbindungsmittel (36) verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement (38) verschieden sind. Wenigstens eine der beiden Platten (30, 32) umfasst ein Verriegelungselement (40), welches dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Dichtelement (38) an der Platte (30) zu fixieren. In einem Bereich, welcher das Verriegelungselement (40) umfasst, ist ein Teil des wenigstens einen Dichtelements (38) in einem Zwischenraum (66) zwischen den beiden Platten (30, 32) angeordnet. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Vielzahl solcher Bipolarplatten-Anordnungen (28) umfasst, und ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatten-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel. Die Bipolarplatten-Anordnung umfasst eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Wenigstens ein Dichtelement ist auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung aufgebracht. Die beiden Platten sind miteinander durch Verbindungsmittel verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement verschieden sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Vielzahl solcher Bipolarplatten-Anordnungen umfasst, und ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.
In einem Brennstoffzellensystem erzeugen Brennstoffzellen wie etwa Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen, elektrischen Strom durch die elektrochemische Reaktion, welche stattfindet, wenn ein Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff über einander gegenüberliegende Seiten einer Elektrolytmembran geführt werden. Des Weiteren wird typischerweise ein Kühlmittel oder Kühlfluid verwendet, um die Wärme abzuführen, welche von dieser Reaktion erzeugt wird.
Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), welche eine Anode, eine Kathode und die Protonenaustauschmembran umfasst, welche zwischen diesen Elektroden angeordnet ist. Diese Membran-Elektroden-Anordnung ist zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung des Brennstoffs und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung des Oxidationsmittels umfasst. Die jeweiligen Kanäle, welche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt sind, bilden eine Kanalstruktur, welche als Strömungsfeld bezeichnet wird.
In einem Brennstoffzellenstapel sind oft eine Vielzahl solcher Einheitszellen, welche die beiden Separatorplatten und die zwischen den Separatorplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung umfassen, in Reihe verbunden. In solch einem Brennstoffzellenstapel werden anstelle von monopolaren Separatorplatten Bipolarplatten verwendet, welche elektrisch leitfähig sind und als Anode für eine Einheitszelle und als Kathode für die angrenzende Einheitszelle fungieren.
In einer Bipolarplatten-Anordnung können eine erste Platte, welche als Anode für eine erste Einheitszelle und eine zweite Platte, welche als Kathode für die angrenzende Einheitszelle fungiert, miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen. Weil die Reaktanden in Form des Brennstoffs und des Oxidationsmittels und des Kühlmittels voneinander getrennt gehalten werden müssen, umfasst die Bipolarplatten-Anordnung typischerweise Dichtelemente, welche auf die Anodenplatte und die Kathodenplatte aufgebracht sein können. Solche Dichtelemente, zum Beispiel in der Form von Elastomerdichtungen, werden daher verwendet, um alle Gase und Fluide innerhalb der Bereiche zu halten, in welchen diese wirken sollen.
Dokument US 6 338 492 B1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten, welche mit Kanälen für Gase und Flüssigkeiten versehen sind. Dichtelemente, welche einer Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt sind, welche zwischen zwei Bipolarplatten zwischengeschaltet ist, sind in Nuten eingesetzt, welche in den jeweiligen Bipolarplatten bereitgestellt sind. Die Dichtelemente sind in jede Nut derart eingespritzt, dass ein freier Spalt zwischen dem Dichtelement und seitlichen Wänden der Nut bereitgestellt ist. Um das Dichtelement in der Nut zurückzuhalten, sind Sacklöcher in einem Boden der Nut bereitgestellt, und das Dichtelement bildet Stopfen, welche in die Sacklöcher eingesteckt sind. Auf diese Weise ist das Dichtelement an der Bipolarplatte verankert. Des Weiteren kann auf der gegenüberliegenden Seite der Nut eine Bohrung bereitgestellt sein, welche mit der Nut durch eine schmalere Durchtrittsöffnung verbunden ist. Wenn das Dichtelement in solche Nuten eingespritzt wird, werden Verschlüsse in den Bohrungen gebildet, welche das Dichtelement auf der Bipolarplatte zurückhalten.
Dokument US 2004/0180255 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenanordnung, welche zwei gestapelte Platten umfasst, welche miteinander verbunden sind, um ein Modul zu bilden. Zwischen solchen Modulen sind Membranen angeordnet, mit einem Anodenkatalysator auf einer Seite und einem Kathodenkatalysator auf der anderen Seite. Die Platten sind miteinander durch ein gemeinsames Dichtelement aus einem Polymermaterial verbunden, welches auf die Platten gespritzt ist. Ein tunnelartiger Hohlraum kann durch die beiden Platten in einem Bereich gebildet werden, in welchem das Dichtelement angeordnet ist. Der Hohlraum ist über Öffnungen zugänglich, welche in einer Platte oder in beiden Platten maschinell hergestellt sein können. Wenn das Dichtelement erzeugt wird, dringt Dichtmaterial durch die Öffnungen in den Hohlraum ein, so dass das Dichtmaterial den Hohlraum ausfüllt. Auf diese Weise kann eine Klebstoffverbindung hergestellt werden, durch welche die Platten zusammengehalten werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatten-Anordnung der eingangs genannten Art, ein Brennstoffzellensystem mit solchen Bipolarplatten-Anordnungen und ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welche beziehungsweise welches für eine besonders genaue Positionierung des Dichtelements sorgt.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatten-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatten-Anordnung umfasst eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Wenigstens ein Dichtelement ist auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung aufgebracht. Die beiden Platten sind miteinander durch Verbindungsmittel verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement verschieden sind. Wenigstens eine der beiden Platten umfasst ein Verriegelungselement, welches dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Dichtelement an der Platte zu fixieren, welche das Verriegelungselement aufweist. In einem Bereich, welcher das Verriegelungselement umfasst, ist ein Teil des wenigstens einen Dichtelements in einem Zwischenraum zwischen den beiden Platten angeordnet. Auf diese Weise wird das Dichtelement zuverlässig in seiner Position gehalten, und es ist sicher an der Platte verankert, welche das Verriegelungselement umfasst. Jedoch ist es nicht die Funktion des Dichtelements, die beiden Platten zusammenzuhalten. Die beiden Platten sind vielmehr miteinander durch die Verbindungsmittel verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement verschieden sind. Weil das Verriegelungselement das Dichtelement sicher an der Platte fixiert, kann eine besonders genaue Positionierung des Dichtelements auf der Platte erreicht werden.
Die Wichtigkeit dieser genauen Positionierung hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Komponenten, welche innerhalb jeder Einheitszelle verwendet werden, oder jede wiederkehrende Lage des Brennstoffzellenstapels kumulative Toleranzen haben, welche bei der Gestaltung des Dichtelements in Betracht gezogen werden sollten. Die extrem kleine Einheitszellenhöhe für derzeitige Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel erfordert vergleichsweise kleine Dichtelemente mit beispielsweise einer Dicke von weniger als 1 mm und welche extrem enge Toleranzen von beispielsweise weniger als 50 μm haben. Des Weiteren hängt die Dichtfunktion des wenigstens einen Dichtelements vom Erreichen einer korrekten Ausrichtung oder Positionierung des Dichtelements relativ zu der Platte oder dem Substrat ab, auf welche beziehungsweise welches es aufgebracht ist. Diese Ausrichtung beizubehalten ist entscheidend, um das Dichtelement während aller Herstellungs- und Handhabungsprozesse wirksam in Position zu halten, um die korrekte Funktionalität des Dichtelements sicherzustellen. Durch das Bereitstellen des Verriegelungselements an wenigstens einer der beiden Platten der Bipolarplatten-Anordnung wird das wenigstens eine Dichtelement erfolgreich in Position gehalten, weil der Teil, welcher in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten angeordnet ist, derart als ein Hinterschnitt fungiert, dass das wenigstens eine Dichtelement die Platte mechanisch greift.
Das wenigstens eine Dichtelement wird bevorzugt durch Spritzgießen auf die Platte aufgebracht. Jedoch braucht die Verbindung des Dichtelements mit der Platte nur stark genug zu sein, um ein Entformen der Bipolarplatten-Anordnung aus dem Spritzgießwerkzeug zuzulassen, ohne dass das Dichtelement während des Entformens verschoben wird. Nach dem Entformen kann die Kraft geringer werden, welche das wenigstens eine Dichtelement an der Platte fixiert, welche das Verriegelungselement aufweist, beispielsweise aufgrund eines Abkühlens des Dichtelements.
Das Verriegelungselement an wenigstens einer der beiden Platten bereitzustellen, ist besonders vorteilhaft, wenn die Platten der Bipolarplatten-Anordnung aus Metall gebildet sind. Solche Metallplatten als das Substrat, auf welches das Dichtelement aufgebracht wird, haben typischerweise eine Beschichtung auf der Oberseite der Metalloberfläche, welche Korrosion verhindert und die Leitfähigkeit verbessert. Solch eine Beschichtung kann es schwieriger machen, dass das Dichtelement ausreichend an der Platte anhaftet, um in Position gehalten zu werden. Jedoch ist dieses Problem bewältigt, weil die Platte das Verriegelungselement umfasst. Daher braucht keine Grundierung auf die Beschichtung auf der Metalloberfläche aufgebracht zu werden, um die Anhaftung des Dichtelements an dem Plattenmaterial zu erhöhen. Daher können der Aufwand und die Kosten, welche mit dem Aufbringen einer Grundierung verbunden sind, während der Herstellung der Bipolarplatten-Anordnung vermieden werden.
Des Weiteren ist das Bereitstellen des Verriegelungselements auf der Platte, um das Dichtelement in Position zu halten, besser für eine Serienfertigung geeignet, als das Hinzufügen eines Grundierungs- oder Klebstoffauftragsprozesses vor dem Aufbringen des Dichtelements. Da mit der vorliegenden Bipolarplatten-Anordnung kein Bedarf besteht, irgendeine Art von Grundierung zu der Platte hinzuzufügen, ist auch das Risiko einer Kontamination anderer Komponenten innerhalb der Brennstoffzelle mit der Grundierung verringert. Außerdem können Grundierungen mit der Zeit zersetzen und den Verbindungsprozess des Dichtelements an der Platte beeinträchtigen. Dies ist insbesondere in aggressiven Umgebungen wie der der Brennstoffzellenumgebung wahr. Des Weiteren können Gesundheitsprobleme vermieden werden, welche mit der Verwendung von Grundierungen zusammenhängen, welche gefährlich sind. Und das Problem, welches mit dem erfolgreichen In-Position-Halten eines angespritzten Dichtelements auf einem Metallsubstrat zusammenhängt, ist gelöst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verriegelungselement einen Basisbereich, in welchem die Platten, welche miteinander verbunden sind, im Wesentlichen parallel sind, und einen zweiten Bereich, welcher an den Basisbereich angrenzt. In dem zweiten Bereich hat die Platte, welche das wenigstens eine Dichtelement fixiert, eine Neigung, und das wenigstens eine Dichtelement kapselt zumindest den zweiten, geneigten Bereich ein. Auf diese Weise wirkt das Material des Dichtelements, welches unter den zweiten Bereich fließt und so den geneigten Bereich von oben und unten einkapselt, als eine mechanische Verriegelung, welches die Dichtung auf der Platte in Position hält. Das Dichtelement kann auch in dem Basisbereich zwischen die beiden Platten gelangen, in welchem die Platten einander nahe sind, aber es kann ein Spalt vorhanden sein, welcher sich zu dem Verbindungsmittel hin verjüngen kann. Mit einer solchen Ausgestaltung des Verriegelungselements ist das wenigstens eine Dichtelement verlässlich an der Platte fixiert und auf der Platte in Position gehalten.
Dies trifft insbesondere zu, wenn das Verriegelungselement einen dritten Bereich umfasst, welcher an den zweiten Bereich angrenzt, wobei die Platten in dem dritten Bereich im Wesentlichen parallel sind und das wenigstens eine Dichtelement auch den dritten Bereich einkapselt. Mit solch einer Ausgestaltung hat das Verriegelungselement einen plattformartigen Basisbereich, einen rampenartigen zweiten Bereich und wiederum einen plattformartigen dritten Bereich. Solch ein Verriegelungselement ist leicht herzustellen und besonders verlässlich, um das Dichtelement in Position zu halten.
Zusätzlich oder alternativ kann das Verriegelungselement zwei Basisbereiche umfassen, welche einander zugewandt sind, und in welchen die Platten im Wesentlichen parallel sind, und einen Brückenbereich, welcher die beiden Basisbereiche verbindet. Hierbei kapselt das wenigstens eine Dichtelement zumindest den Brückenbereich ein. Der Brückenbereich kann insbesondere gekrümmt ausgebildet sein. Des Weiteren kann der Brückenbereich einen flachen oberen Teilbereich und geneigte oder gekrümmte Flanken aufweisen, welche zu dem flachen oberen Teilbereich führen. Das Material, welches das Dichtelement bildet, kann während des Aufbringens des Dichtmaterials auf die Platte leicht unter den Brückenbereich fließen und auch den Brückenbereich bedecken. Daher kann der Brückenbereich leicht von dem Dichtelement umgeben oder umschlossen werden. Dies führt zu einer starken Fixierung des Dichtelements an der Platte.
In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann das Verriegelungselement einen Basisbereich umfassen, welcher an das Verbindungsmittel angrenzt, wobei in diesem Basisbereich die Platten im Wesentlichen parallel sind. Der Teil des wenigstens einen Dichtelements, welcher in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten angeordnet ist, ist dann zu einer Seite hin durch den Basisbereich begrenzt. Mit einer solchen Ausgestaltung ist ein sehr flaches Verriegelungselement bereitgestellt, welches dazu beiträgt, die Höhe der Bipolarplatten-Anordnung und so der Einheitszellen eines Brennstoffzellenstapels zu minimieren, welcher eine Vielzahl der Bipolarplatten-Anordnungen umfasst.
Um eine besonders gleichmäßige Verteilung des Dichtmaterials in den Zwischenräumen zwischen den beiden Platten zu ermöglichen, kann wenigstens eine Öffnung und bevorzugt eine Vielzahl von Öffnungen zwischen zwei zweiten Bereichen und/oder zwischen zwei dritten Bereichen vorgesehen sein, welche einander in einer Breitenrichtung des wenigstens einen Dichtelements zugewandt sind, wenn das Verriegelungselement die zweiten Bereiche und/oder die dritten Bereiche umfasst. In gleicher Weise kann die wenigstens eine Öffnung zwischen den beiden Basisbereichen vorgesehen sein, welche einander in der Breitenrichtung des wenigstens einen Dichtelements zugewandt sind.
Bevorzugt ist das Verriegelungselement in eine Längsrichtung des wenigstens einen Dichtelements durchgängig ausgebildet, wobei in der Längsrichtung eine Größe des wenigstens einen Dichtelements größer ist als in einer Breitenrichtung des wenigstens einen Dichtelements. Verglichen mit intermittierenden mechanischen Verriegelungselementen oder Verriegelungseinrichtungen werden viel weniger Verbindungsmittel benötigt, welche an das durchgängige Verriegelungselement angrenzen, um zu verhindern, dass das Dichtelementmaterial frei zwischen die Platten wandert. Daher verringert die Verwendung eines durchgängigen Verriegelungselements den Aufwand bei der Herstellung der Bipolarplatten-Anordnung erheblich.
Dies ist insbesondere zutreffend, wenn die Verbindungsmittel als Schweißnähte ausgebildet sind, welche entlang der Längsrichtung ausgerichtet sind. Im Falle von intermittierenden Verriegelungsmitteln bewirken Schweißnähte um jede einzelne dieser Elemente herum eine erhebliche Verformung der Platte. Solch eine Verformung führt zu einer Variation in der Dicke und Höhe des Dichtelements, welche wiederum die Dichtfunktion negativ beeinflusst. Mit einem durchgängigen Verriegelungselement ist die Anzahl von Schweißnähten erheblich verringert, da die Schweißnähte nicht um jedes einzelne der individuellen Verriegelungselemente herumzugehen brauchen. Die verringerte Anzahl an Schweißnähten verringert die Verformung der Platte, welche andernfalls durch umfangsseitige Schweißnähte um individuelle Verriegelungselemente herum geschaffen wird. Da durch die Verwendung durchgängiger Verriegelungselemente die Verformung der Platte minimiert wird, können die sich aus Variationen in der Dicke der Dichtung und der Höhe der Dichtung ergebenden Beeinträchtigungen vermieden werden.
Indem die Schweißnähte parallel zu dem Verriegelungselement als das Verbindungsmittel bereitgestellt werden, kann besonders einfach und gut sichergestellt werden, dass kein Dichtmaterial jenseits der Schweißnähte zwischen die Platten gerät.
Jedoch ist es vorteilhaft, wenn das Dichtelement einen flachen Bereich umfasst, welcher sich jenseits der Schweißnähte in die Breitenrichtung des Verriegelungselements erstreckt, welche mit der Breitenrichtung des Dichtelements zusammenfällt. Daher erstreckt sich auf der Oberfläche der Platte, welche das Verriegelungselement aufweist, das Dichtelement weiter in die Breitenrichtung als in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten. Mit solch einem vergleichsweise breiten Dichtelement können Herstellungstoleranzen der Platten und von Plattenmerkmalen wie etwa Öffnungen oder Löchern für die Reaktanden und/oder das Kühlmittel kompensiert werden.
Des Weiteren kann das Dichtelement insbesondere einen gewölbten Bereich oder eine Wölbung umfassen, welche eine größere Höhe aufweist, als die flachen Bereiche, welche sich jenseits der Schweißnähte erstrecken. Solch eine Gestaltung des Dichtelements kann besonders gut die notwendige Dichtfunktion über den gesamten Brennstoffzellenstapel mit allen Herstellungstoleranzen jeder der Komponenten des Brennstoffzellenstapels bereitstellen.
Um das Dichtelement bereitzustellen, können bevorzugt weiche und elastische Materialien eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Silikonkautschukmaterial das Dichtelement bilden. Des Weiteren können Fluorelastomere wie etwa FKM verwendet werden, oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk. Des Weiteren kann ein Polyisobutylen(PIB)-Material wie etwa ein Butylkautschuk das Material bilden, welches verwendet wird, um das Dichtelement auszubilden. Jedoch sind Silikonmaterialien wie etwa Silikonkautschuk bevorzugt. Mit solchen Materialien, insbesondere Silikonmaterialien, ist das Bereitstellen des Verriegelungselements besonders vorteilhaft, um das Dichtelement auf der Platte in Position zu halten.
Das wenigstens eine Dichtelement kann insbesondere auf die Bipolarplatten-Anordnung durch Spritzgießen aufgebracht werden. Jedoch ist bevorzugt das wenigstens eine Dichtelement auf nur eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung aufgebracht. Um ein Dichtelement auf der anderen Seite der Bipolarplatten-Anordnung bereitzustellen, kann Tiefdrucken verwendet werden, und andere Materialien können gewählt werden, um ein Dichtelement bereitzustellen, welches eine bessere Anhaftung an die Plattenoberfläche zeigt, selbst wenn eine die Korrosion hemmende Beschichtung auf der Metalloberfläche bereitgestellt ist.
So kann ein Dichtelement mit größerer Höhe auf der Seite der Bipolarplatten-Anordnung bereitgestellt werden, welche das Verriegelungselement umfasst, wohingegen ein vergleichsweise flaches Dichtelement auf der anderen Seite bereitgestellt ist. Dies führt zu einer verringerten Höhe der gesamten Bipolarplatten-Anordnung, welche unterschiedliche Dichtelemente auf beiden Seiten umfasst, wobei das spritzgegossene Dichtelement durch das Verriegelungselement in Position gehalten ist.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Bipolarplatten-Anordnung ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen der Kathodenplatte und der Anodenplatte umfasst. So kann Wärme, welche während der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion erzeugt wird, wirksam abgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug verwendet werden kann, beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Bipolarplatten-Anordnungen. Hierbei ist eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen einem Paar der Bipolarplatten-Anordnungen des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
Solch ein Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl von weiteren Komponenten beinhalten, welche insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen üblich sind, und welche vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, welche für die erfindungsgemäße Bipolarplatten-Anordnung beschrieben sind, gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 schematisch Komponenten eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten-Anordnungen und Membran-Elektroden-Anordnungen umfasst, welche zwischen die Bipolarplatten-Anordnungen zwischengeschaltet sind, wobei jede Bipolarplatten-Anordnung eine Anodenplatte umfasst, welche mit einer Kathodenplatte verbunden ist;
2 eine Schnittansicht der Bipolarplatten-Anordnung gemäß 1, wobei die Bipolarplatten-Anordnung ein Dichtelement umfasst, welches an einer der Platten durch ein Verriegelungselement fixiert ist, welches das Dichtelement auf der Platte in Position hält;
3 eine Schnittansicht einer Abwandlung des Verriegelungselements, welches in 2 gezeigt ist;
4 eine Variante der Bipolarplatten-Anordnung, wobei das Dichtelement an der Platte durch ein Verriegelungselement fixiert ist, welches einen gekrümmten Brückenbereich umfasst;
5 eine Schnittansicht des in 4 gezeigten Brückenbereichs;
6 eine Abwandlung des in 5 gezeigten Brückenbereichs, wobei der Brückenbereich einen flachen oberen Teilbereich umfasst; und
7 eine weitere Variante der Bipolarplatten-Anordnung, wobei das Verriegelungselement vergleichsweise flach ist.
Ein Brennstoffzellensystem 10 eines Fahrzeugs umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, welchem Brennstoff wie etwa Wasserstoff über eine Versorgungsleitung 14 zugeführt wird. Der Brennstoff kann in einem Tank 16 bevorratet sein. Nach dem Verlassen des Brennstoffzellenstapels 12 über eine Abgasleitung 18 kann etwaiger in dem Abgas verbleibender Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel 12 über eine Rezirkulationsleitung 20 rezirkuliert werden. Der Brennstoff wird anodischen Elektroden von Membran-Elektroden-Anordnungen 22 zugeführt. Auf ähnliche Weise wird ein Oxidationsmittel wie etwa Luft über eine Versorgungsleitung 24 den kathodischen Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnungen 22 zugeführt. Die Abluft verlässt den Brennstoffzellenstapel 12 über eine weitere Abgasleitung 26. Die elektrochemische Reaktion, welche elektrische Energie erzeugt, findet statt, wenn der Brennstoff und das Oxidationsmittel über einander gegenüberliegende Seiten der Membran-Elektroden-Anordnungen 22 geführt werden.
Die Membran-Elektroden-Anordnungen 22 sind zwischen Bipolarplatten-Anordnungen 28 angeordnet, welche eine Anodenplatte 30 umfassen. Die Anodenplatte 30 ist der anodischen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung 22 einer ersten Einheitszelle zugewandt. Die Bipolarplatten-Anordnung 28 umfasst des Weiteren eine Kathodenplatte 32, welche der kathodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung 22 einer zweiten, benachbarten Einheitszelle zugewandt ist. Nur die äußersten Elektroden-Anordnungen 22 in dem Brennstoffzellenstapel 12 sind nicht zwischen zwei Bipolarplatten-Anordnungen 28 angeordnet, sondern zwischen einer Bipolarplatten-Anordnung 28 und einer Endplatte 34. Die Anodenplatte 30 und die Kathodenplatte 32 jeder Bipolarplatten-Anordnung 28 sind bevorzugt aus Metall gebildet und sind bevorzugt miteinander durch Verbindungsmittel wie etwa Schweißnähte 36 verbunden (vergleiche 2). Die Platten 30, 32, welche in der Bipolarplatten-Anordnung 28 miteinander verbunden sind, bilden bevorzugt ein (nicht gezeigtes) Kühlmittel-Strömungsfeld, das heißt eine Kanalstruktur für ein Kühlfluid, welches die Wärme abführt, welche bei der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird, welche in den Membran-Elektroden-Anordnungen 22 stattfindet.
Um die Reaktanden wie etwa den Wasserstoff und die Luft ebenso wie die Abgasfluide und das Kühlmittel getrennt voneinander zu halten, ist typischerweise eine Anzahl von Dichtelementen 38 auf der Bipolarplatten-Anordnung 28 bereitgestellt. In 2 ist lediglich ein solches Dichtelement 38 gezeigt.
Die metallischen Bipolarplatten-Anordnungen 28 haben typischerweise eine Beschichtung auf der Oberseite der Metalloberfläche, welche die Korrosion hemmt und die Leitfähigkeit verbessert. Solch eine Beschichtung macht es für das Material des Dichtelements 38 schwierig, an der Oberfläche einer der Platten 30, 32 anzuhaften, zum Beispiel an der Oberfläche der Anodenplatte 30 (vergleiche 2). Dies ist insbesondere dann wahr, wenn ein Silikonmaterial wie etwa Silikonkautschuk verwendet wird, um das Dichtelement 38 in einem Spritzgießprozess auszubilden.
Daher umfasst in der Bipolarplatten-Anordnung 28 eine der Platten 30, 32, zum Beispiel die Anodenplatte 30, ein Verriegelungselement 40 in einem Bereich zwischen den Schweißnähten 36, welche entlang einer Längsrichtung 42 ausgerichtet sind, welche in 2 durch einen Pfeil angegeben ist. In diese Längsrichtung 42 ist eine Größe des Dichtelements 38 größer als in eine Breitenrichtung 44 des Dichtelements 38, welche in 2 durch einen anderen Pfeil angegeben ist.
Das Verriegelungselement 40 ist in die Längsrichtung 42 durchgängig ausgebildet. Folglich sind die Schweißnähte 36 nur auf beiden Seiten des Verriegelungselements 40 vorhanden. Das Verriegelungselement 40, welches in 2 gezeigt ist, umfasst erhöhte mechanische Einrichtungen, welche Öffnungen oder Schlitze 46 umfassen, welche mit Brücken 48 alternieren. Die Schlitze 46, welche in der vorliegenden Ausführungsform von rechteckiger Gestalt sind, aber welche in anderen Ausführungsformen verschiedene Formen aufweisen können, können eine Länge 50 und eine Breite 52 haben, welche von einer Ausführungsform der Bipolarplatten-Anordnung 28 zu der anderen variieren können.
Im Bereich der Schlitze 46 und der Brücken 48 umfasst das Verriegelungselement 40 Basisbereiche 54, in welchen die Platten 30, 32 im Wesentlichen parallel sind. Diese Basisbereiche 54 erstrecken sich in der in 2 gezeigten Ausführungsform von den Schweißnähten 36 hin zu einem geneigten zweiten Bereich 56 des Verriegelungselements 40. Das Verriegelungselement 40 umfasst des Weiteren einen dritten Bereich 58, welcher an den geneigten Bereich 56 angrenzt. In dem Bereich der Schlitze 46 sind zwei solche dritten Bereiche 58 einander in der Breitenrichtung 44 des Dichtelements 38 zugewandt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die dritten Bereiche 58 der Anodenplatte 30 parallel zu der Kathodenplatte 32.
Die Länge der geneigten Bereiche 56 definiert eine Höhe 60 des Verriegelungselements 40, wobei die Höhe 60 gemäß der Gestaltung der Bipolarplatten-Anordnung 28 und insbesondere des Dichtelements 38 variieren kann. In gleicher Weise kann eine Länge 62 der Brücken 48 des Verriegelungselements 40 von einer Ausführungsform der Bipolarplatten-Anordnung 28 zu einer anderen variieren. Diese Länge 62 entspricht einem Abstand zwischen benachbarten Schlitzen 46. Des Weiteren kann ein Abstand 64 zwischen den geneigten zweiten Bereichen 56 und den Schweißnähten 36 variieren, und so kann eine Breite der Basisbereiche 54 von einer Gestaltung der Bipolarplatten-Anordnung 28 zu einer anderen variieren.
Da Material des Dichtelements 38 auf die Platte 30 durch Spritzgießen aufgebracht wird, hat die Größe der Schlitze 46 einen Einfluss auf das Fließen des Materials in einen Zwischenraum 66 zwischen den beiden Platten 30, 32. Solch ein Zwischenraum 66 ist zum Beispiel unterhalb der zweiten, geneigten Bereiche 56 und der dritten, flachen Bereiche 58 der Anodenplatte 30 und oberhalb der Kathodenplatte 32 vorhanden. Der Zwischenraum 66 ist des Weiteren unterhalb der Brücken 48 vorhanden. Des Weiteren kann das eingespritzte Material in den Basisbereichen 54 zwischen die Platten 30, 32 gelangen, bis es die Schweißnähte 36 erreicht (vergleiche 7). Durch Teile des Dichtmaterials 38, welche diese Zwischenräume 66 einnehmen, ist das Dichtelement 38 mechanisch an der Platte 30 fixiert und ist so sicher in Position gehalten. Dies ist insbesondere während des Entformens der Bipolarplatten-Anordnung 28 aus einem Spritzgießwerkzeug wichtig, welches verwendet wird, um das Dichtelement 38 auf die Platte 30 aufzubringen.
Jedoch fließt das eingespritzte Material des Dichtelements 38 nicht nur in den Zwischenraum 66 zwischen den Platten 30, 32, sondern es bedeckt auch den Bereich der Schlitze 46 und Brücken 48. Durch das Fließen über und unter die erhöhten Bereiche des Verriegelungselements 40 werden so die metallischen Einrichtungen wie die dritten Bereiche 58, die zweiten Bereiche 56 und die Brücken 48 von dem Material des Dichtelements 38 eingekapselt. Durch das Einkapseln dieser ausgebildeten metallischen Einrichtungen fungiert das eingespritzte Material als mechanische Verriegelung, welche das Dichtelement 38 auf der Platte 30 in Position hält.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform bildet das Dichtelement 38 eine Wölbung 68 in einem Bereich aus, welcher sich zwischen den geneigten Bereichen 56 erstreckt. Das Dichtelement 38 umfasst des Weiteren flache Teilbereiche 70, welche sich von der Wölbung 68 in die Breitenrichtung 44 bis zu den Schweißnähten 36 erstrecken, welche in zu dem Verriegelungselement 40 parallelen Linien angeordnet sind. Diese flachen Teilbereiche 70 sind oberhalb der Basisbereiche 54 des Verriegelungselements 40 angeordnet. In diesen flachen Teilbereichen 70 kann sich das Material des Dichtelements 38 jenseits der Schweißnähte 36 in die Breitenrichtung 44 des Verriegelungselements 40 erstrecken.
Wie aus 3 ersichtlich ist, kann das Verriegelungselement 40 lediglich den zweiten, geneigten Bereich 56 in dem Bereich der Schlitze 46 umfassen. Auch kann die Erstreckung des dritten Bereichs 58 in die Breitenrichtung 44 des Dichtelements 38, welche mit der Breitenrichtung 44 des Verriegelungselements 40 zusammenfällt, von einer Gestaltung zur anderen variieren. In der in 3 gezeigten Variante ist die Breite 52 der Schlitze 46 derart, dass kein dritter Bereich 58 mehr vorhanden ist, wobei in 2 zwei dritte Bereiche 58 mit einer gewissen Erstreckung in die Breitenrichtung 44 einander zugewandt sind. Eine Anzahl von Variationen und Übergängen zwischen diesen beispielhaften Ausgestaltungen kann in alternativen Formen der Bipolarplatten-Anordnung 28 vorhanden sein. Mit anderen Worten kann die Gestalt des Verriegelungselements 40 von einer Gestaltung der Bipolarplatten-Anordnung 28 zur anderen variieren.
Die in 4 gezeigte Bipolarplatten-Anordnung 28 umfasst ein Verriegelungselement 40, welches ebenfalls einen Basisbereich 54 umfasst, in welchem die Platten 30, 32 parallel sind. Auch in dieser Ausführungsform kann es möglich sein, dass das Material des Dichtelements 38 in einen Zwischenraum 66 zwischen den Platten 30, 32 fließt, bis das Material die Schweißnähte 36 erreicht (vergleiche 7). Der Zwischenraum 66 ist dann in dem Bereich der Basisbereiche 54 vorgesehen.
Des Weiteren sind die Brücken 48 in der in 4 gezeigten Ausführungsform als gekrümmte Brückenbereiche ausgebildet, welche die beiden Basisbereiche 54 miteinander verbinden, welche einander zugewandt sind. In dieser Ausführungsform kann das eingespritzte Material, welches das Dichtelement 38 in dem Spritzgießprozess bildet, oberhalb und unterhalb der Brücken 48 fließen, und es kapselt die Brückenmerkmale ein. So fungiert das eingespritzte Material als eine mechanische Verriegelung, um das Dichtelement 38 auf der Platte 30 in Position zu halten.
Die Breite 52 der Schlitze 46 oder Öffnungen zwischen den Basisbereichen 54 kann gemäß der Gestaltung der Bipolarplatten-Anordnung 28 variiert werden. Auch kann die Höhe 60 der Brücken 48 wie erforderlich variiert werden, um zu der Gestaltung zu passen. Des Weiteren können die Abstände 64 von der Sohle der Brücke 48 zu den Schweißnähten 36 variiert werden. Wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform kann auch die Länge 62 der Brücken 48 und die Länge 50 der Schlitze 46 wie erforderlich variiert werden.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform haben die Brücken 48 eine gekrümmte Form, welche der gekrümmten Form der Wölbung 68 entspricht, welche durch das Dichtelement 38 gebildet ist. Jedoch kann die Form der Brücken 48 variieren. 5 zeigt die sanft aber durchgängig gekrümmte Brücke 48, welche in 4 gezeigt ist, in einer Schnittansicht, wohingegen 6 einen Brückenbereich oder eine Brücke 48 mit einem flachen oberen Teilbereich 72 zeigt. Variationen und Übergänge zwischen den in 5 und in 6 gezeigten Formen können in alternativen Gestaltungen der Bipolarplatten-Anordnung 28 vorgesehen sein.
In der in 7 gezeigten Ausführungsform hat die Bipolarplatten-Anordnung 28 ein vergleichsweise flaches Verriegelungselement 40. Es sind die Öffnungen oder Schlitze 46 zwischen den Basisbereichen 54 vorhanden, welche einander zugewandt sind. Jedoch sind keine erhobenen Einrichtungen wie die Brücken 48 vorhanden, welche in 2 und in 4 gezeigt sind. In der in 7 gezeigten Variante kann das in dem Spritzgießprozess eingespritzte Material, welches das Dichtelement 38 bildet, über und zwischen die Platten 30, 32 in die Zwischenräume 66 fließen, welche zwischen den Platten 30, 32 in den Basisbereichen 54 vorgesehen sind. Das eingespritzte Material kann in diese Zwischenräume 66 fließen, bis es die Schweißnähte 36 erreicht. Der Teil des Dichtmaterials, welcher die Zwischenräume 66 einnimmt, fungiert als eine Verriegelungseinrichtung, welche das Dichtelement 38 auf der Platte 30 in Position hält.
Wie oben erörtert kann auch in der in 7 gezeigten Ausführungsform die Breite 52 der Schlitze 46 variiert werden, um das Eintreten des Materials des Dichtelements 38 in die Zwischenräume 66 oder Spalte zwischen den beiden Platten 30, 32 während des Spritzgießens zu erleichtern. Des Weiteren können die Abstände 64 von den äußeren Grenzen der Schlitze 46 zu den Schweißnähten 36 variiert werden. Des Weiteren kann eine Länge 62 des Teils des Verriegelungselements 40, welches durch die Platte 30 zwischen den Schlitzen 46 gebildet ist, wie erforderlich variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Versorgungsleitung
16: Tank
18: Abgasleitung
20: Rezirkulationsleitung
22: Membran-Elektroden-Anordnung
24: Versorgungsleitung
26: Abgasleitung
28: Bipolarplatten-Anordnung
30: Anodenplatte
32: Kathodenplatte
34: Endplatte
36: Schweißnaht
38: Dichtelement
40: Verriegelungselement
42: Längsrichtung
44: Breitenrichtung
46: Schlitz
48: Brücke
50: Länge
52: Breite
54: Basisbereich
56: zweiter Bereich
58: dritter Bereich
60: Höhe
62: Länge
64: Abstand
66: Zwischenraum
68: Wölbung
70: flacher Teilbereich
72: oberer Teilbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6338492 B1 [0006]
US 2004/0180255 A1 [0007]

Claims

Bipolarplatten-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel (12), welche eine Anodenplatte (30) und eine Kathodenplatte (32) umfasst, wobei wenigstens ein Dichtelement (38) auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung (28) aufgebracht ist, und wobei die beiden Platten (30, 32) miteinander durch Verbindungsmittel (36) verbunden sind, welche von dem wenigstens einen Dichtelement (38) verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Platten (30, 32) ein Verriegelungselement (40) umfasst, welches dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Dichtelement (38) an der Platte (30) zu fixieren, wobei in einem Bereich, welcher das Verriegelungselement (40) umfasst, ein Teil des wenigstens einen Dichtelements (38) in einem Zwischenraum (66) zwischen den beiden Platten (30, 32) angeordnet ist.
Bipolarplatten-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (40) einen Basisbereich (54) umfasst, in welchem die Platten (30, 32) im Wesentlichen parallel sind, und einen zweiten Bereich (56), welcher an den Basisbereich (54) angrenzt, in welchem die Platte (30), welche das wenigstens eine Dichtelement (38) fixiert, eine Neigung aufweist, wobei das wenigstens eine Dichtelement (38) wenigstens den zweiten Bereich (56) einkapselt.
Bipolarplatten-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (40) einen dritten Bereich (58) umfasst, welcher an den zweiten Bereich (56) angrenzt, und in welchem die Platten (30, 32) im Wesentlichen parallel sind, wobei das wenigstens eine Dichtelement (38) auch den dritten Bereich (58) einkapselt.
Bipolarplatten-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (40) zwei Basisbereiche (54) umfasst, welche einander zugewandt sind, und in welchen die Platten (30, 32) im Wesentlichen parallel sind, und einem Brückenbereich (48), welcher die beiden Basisbereiche (54) verbindet, wobei das wenigstens eine Dichtelement (38) zumindest den Brückenbereich (48) einkapselt.
Bipolarplatten-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (40) einen Basisbereich (54) umfasst, welcher an das Verbindungsmittel (36) angrenzt, und in welchem die Platten (30, 32) im Wesentlichen parallel sind, wobei der Bereich des wenigstens einen Dichtelements (38), welcher in dem Zwischenraum (66) angeordnet ist, auf eine Seite des Basisbereichs (54) begrenzt ist.
Bipolarplatten-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Öffnung (46) zwischen den zweiten Bereichen (56) und/oder zwischen den dritten Bereichen (58) und/oder zwischen den Basisbereichen (54) vorgesehen ist, welche einander in eine Breitenrichtung (44) des wenigstens einen Dichtelements (38) zugewandt sind.
Bipolarplatten-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (40) in eine Längsrichtung (42) des wenigstens einen Dichtelements (38) durchgängig ausgebildet ist, in welche eine Größe des wenigstens einen Dichtelements (38) größer ist als in eine Breitenrichtung (44) des wenigstens einen Dichtelements (38), wobei die Verbindungsmittel als Schweißnähte (36) ausgebildet sind, welche entlang der Längsrichtung (42) ausgerichtet sind.
Bipolarplatten-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement (38), insbesondere durch Spritzgießen, auf nur eine Seite der, insbesondere ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen der Kathodenplatte (32) und der Anodenplatte (30) umfassenden, Bipolarplatten-Anordnung (28) aufgebracht ist.
Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), welcher eine Vielzahl von Bipolarplatten-Anordnungen (28) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung (22) zwischen einem Paar der Bipolarplatten-Anordnungen (28) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 9.