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WO2010045912A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2010045912A1
WO2010045912A1 PCT/DE2009/001362 DE2009001362W WO2010045912A1 WO 2010045912 A1 WO2010045912 A1 WO 2010045912A1 DE 2009001362 W DE2009001362 W DE 2009001362W WO 2010045912 A1 WO2010045912 A1 WO 2010045912A1
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WO
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bipolar plate
fuel cell
cell stack
mea
contact points
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2009/001362
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Reinert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Staxera GmbH
Original Assignee
Staxera GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Staxera GmbH filed Critical Staxera GmbH
Priority to JP2011531345A priority Critical patent/JP5372161B2/ja
Priority to US13/062,884 priority patent/US8790844B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M8/02—Details
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    • Y10T29/49936—Surface interlocking

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack having a plurality of membrane-electrode assemblies (MEAs) and a plurality of bipolar plates, wherein at least one surface of a first bipolar plate wavy, meandering or zigzag-shaped and extremes of the surface of the bipolar plate contact a first surface of an MEA at contact points.
  • MEAs membrane-electrode assemblies
  • the invention further relates to a method for producing a fuel cell stack according to the invention.
  • the invention further relates to a bipolar plate having a wavy, meandering or zigzag upper surface, a lower surface, a left wall and a right wall.
  • MEA membrane electrode assembly
  • anode layer is supplied with fuel gas, for example hydrogen
  • oxidizing gas for example air
  • oxygen ions O 2 in and at the anode layer combine with hydrogen ions H + to form water molecules H 2 O. Energy released can be utilized by switching a load between the anode and the cathode.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • a single fuel cell provides only a low electrical voltage (typically between 0.1V and 1V)
  • the cathode layer of a fuel cell is connected to the anode layer of the adjacent fuel cell via a bipolar plate.
  • the bipolar plate separates a flow region of the fuel gas from a flow region of the oxidation gas.
  • Bipolar plates which have a meandering, wave-shaped (corrugated-plate-like) or zigzag-shaped surface, have proven particularly suitable. Bipolar plates of this type bind to the adjacent fuel cell via extreme points (summit points) of their surface. The lying between the extreme points valleys form channels for guiding fuel gas or oxidizing gas.
  • the fuel cell stack according to the invention builds on the prior art in that at least a portion of the contact points mating contact points on one of the first surface of the MEA opposite second surface of the MEA are associated, which are contacted by a surface of a second bipolar plate, wherein the contact points and the associated Counter contact points lie one above the other in the stacking direction. If a force is exerted on the MEA via one of the contact points, a counter force can be exerted on the MEA via the corresponding mating contact point, whereby stresses within the MEA or deformations of the MEA that would occur in the absence of such a counterforce are avoided. The power flow within the fuel cell stack can thus be optimized. Also, a greater rigidity of the fuel cell stack may result in the stacking direction.
  • all contact points are assigned mating contact points. This means that there are no contact points between extreme points of the surface of the bipolar plate and the first surface of the MEA, to which no mating contact points are assigned. This will be particularly effective Way undesirable stresses and deformations within the fuel cell stack avoided.
  • the mating contact points can be contacted by the surface of the second bipolar plate via a metal foam, for example via a nickel foam.
  • a metal foam for example via a nickel foam.
  • counterforces can be exerted on the mating contact points on the metal foam. The prerequisite is that the foam is sufficiently rigid.
  • the metal foam contacts the second surface of the MEA only in the mating contact points. This avoids that the metal foam exerts forces on those areas of the second surface of the MEA to which no forces are transmitted directly from the first bipolar plate.
  • the first bipolar plate and the second bipolar plate may have the same shape.
  • the first and the second bipolar plate can be identical. The manufacture, maintenance and repair of the fuel cell stack can be facilitated thereby.
  • first bipolar plate and the second bipolar plate can be rotated relative to one another by 180 degrees about an axis parallel to the stacking direction. This results in a simple and clear structure of the fuel cell stack.
  • first bipolar plate and the second bipolar plate may be rotated 180 degrees relative to each other about an axis perpendicular to the stacking direction.
  • first bipolar plate and the second bipolar plate may be rotated 90 degrees from each other about an axis parallel to the stacking direction.
  • first bipolar plate and the second bipolar plate each have a plurality of parallel webs or grooves (channels) for guiding the gas, a particularly high stability of the fuel cell stack can be achieved by such a crossed arrangement.
  • the first bipolar plate and the second bipolar plate are designed differently.
  • the surface of the first bipolar plate may be a surface of a corrugated sheet.
  • the first bipolar plate is essentially realized by a corrugated metal sheet.
  • the inventive method is used to produce a fuel cell stack according to the invention, in which the first bipolar plate and the second bipolar plate are identical. It is characterized in that the second bipolar plate is rotated in a rotated by 90 degrees or 180 degrees relative to the first bipolar plate position, and that the bipolar plates are stacked in the relative position thus achieved.
  • the method comprises a step of joining the fuel cell stack, in which a surface pressure is exerted on the fuel cell stack.
  • the surface pressure is effected such that extreme points of the surface of the first bipolar plate, which contact the MEA, are deformed in a planar manner.
  • the surface pressure on the MEA no force.
  • a largely planar contact between the first bipolar plate and the MEA at the contact points can be achieved in order to ensure good current-carrying properties.
  • the height of the fuel cell stack can be reduced.
  • the entire surface of the first bipolar plate is prevented from contacting the MEA.
  • the surface pressure can be exerted on the fuel cell stack in such a way that the extreme points of the surface of the second bipolar plate which contact the MEA are deformed in a planar manner. Again, no force is transferred to locations of the surface of the second bipolar plate with respect to the MEA opposite contact point by the surface pressure on the MEA. It thus also results in a largely flat contact between the second bipolar plate and the MEA at the mating contact points.
  • the surface pressure thus results in a force transmission to the extreme points of the bipolar plate or the bipolar plates via the MEA. It is particularly advantageous if the contact points or the mating contact points are contacted via a metal foam, in particular via a nickel foam. Such a foam is relatively resilient to the surface pressure and provides a good electrical contact.
  • the bipolar plate according to the invention is characterized in that by a rotation of 180 degrees about an axis parallel to the stacking direction, the left wall and the right wall are substantially merged and at least two lower extremities of the lower surface under two corresponding upper extremities of the upper surface come lie.
  • This allows a particularly efficient production of a fuel cell stack.
  • two identical bipolar plates are produced.
  • the second bipolar plate is placed in a position rotated 180 degrees relative to the first bipolar plate.
  • at least two lower extreme points of the lower surface of the second bipolar plate come to rest over two corresponding upper extreme points of the upper surface of the first bipolar plate.
  • Particularly advantageous embodiments are those in which all lower extreme points of the lower surface come to rest under a rotation of 180 degrees about an axis parallel to the stacking direction in each case under corresponding upper extreme points of the upper surface.
  • Such a bipolar plate is realized in a particularly simple manner in that the entirety of the upper surface and the lower surface in the direction of an axis perpendicular to the stacking direction is periodic and their projection in this direction measures an odd multiple of half the period length.
  • FIG. 1 shows a schematic horizontal cross section through a gas flow field of a fuel cell stack
  • Figure 2 is a schematic vertical cross-section through (a) a deformed fuel cell stack according to a first embodiment; (b) a corresponding undeformed fuel cell stack;
  • FIG. 3 shows a schematic vertical cross section through a fuel cell stack according to a second embodiment;
  • FIG. 4 shows a schematic vertical cross section through a fuel cell stack according to a third embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic vertical cross section through a fuel cell stack according to a fourth embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic vertical cross section through a fuel cell stack according to a fifth embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic vertical cross section through a fuel cell stack according to a sixth embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic horizontal cross section through two successive bipolar plates of a fuel cell stack according to a seventh embodiment
  • FIG. 9 shows a flowchart of a method for producing a fuel cell stack.
  • FIG. 1 schematically shows a horizontal section through a fuel cell stack 10.
  • the horizontal plane is identical to the xy plane 2, 4 (stacking plane) and is perpendicular to the stacking direction (z-direction, perpendicular to the image plane).
  • the fuel cell stack 10 comprises a bipolar plate 24, which defines a plurality of channels 26, 28 for guiding oxidizing gas or fuel gas.
  • the channels 26, 28 are parallel to each other in the y-direction 4.
  • the oxidizing gas passages 26 serve to guide oxidizing gas, typically an oxygen-rich gas, and adjoin a cathode, not visible in the figure, of an MEA below the image plane.
  • the fuel gas channels 28 serve to guide fuel gas, for example hydrogen.
  • oxygen-rich oxidizing gas passes via an oxidizing gas inlet 12 into the oxidation gas channels 26 and flows (symbolized in the figure by arrows) along the cathode, where a portion of the gas is reduced.
  • Unused oxidant gas and the reaction product typically water exit the active area through an oxidizer gas outlet 16.
  • fuel gas eg, hydrogen
  • Unused fuel gas leaves the fuel gas channels 28 via a fuel gas outlet 18.
  • FIG. 2 shows a schematic vertical section through a partial region of the fuel cell stack 10 explained with reference to FIG. 1, firstly in a deformed state (a), which is caused by a "compression” of the stack along the vertical 6 (z-direction), and second, in an undeformed state (b).
  • the fuel cell stack 10 includes a plurality of substantially identical membrane-electrode assemblies MEAs and a plurality of substantially identical bipolar plates stacked alternately. On a first bipolar plate 24 is a MEA 30. On the MEA 30 is a second bipolar plate 36.
  • the first bipolar plate 24 and the second bipolar plate 36 defined by their wavy shape respectively together with the MEA fuel gas channels 28 and 26 Oxidationsgaskanäle extreme points of a surface 42 of Bipolar plate 24 contacts a first surface 32 (cathode surface) of the MEA 30 at pads 38. Extreme locations of a surface 44 of the second bipolar plate 36 contact a second surface 34 (anode surface) of the MEA 30 at pads 38. It can be seen from part (a) of the figure in that the MEA 30 is bent in a wave shape by the vertical forces applied simultaneously from below and above. The forces opposing the vertical forces and preventing collapse of the fuel cell stack are applied by the deformation of the MEA. However, MEAs typically typically consist at least in part of a relatively brittle material. If the forces exceed critical values, the material breaks. The MEA is thereby at least partially impaired in its functionality.
  • FIG. 3 shows a vertical cross section, analogous to FIG. 2, through a partial region of a fuel cell stack 10 according to a second embodiment.
  • the fuel cell stack 10 is periodically constructed both in the vertical direction 6 (z-direction) and in a horizontal direction 2 (x-direction). It includes in particular These are a first bipolar plate 24, an MEA 30 and a second bipolar plate 36.
  • the bipolar plates of the fuel cell stack, in particular the first bipolar plate 24 and the second bipolar plate 36 are identical. However, embodiments are also possible in which two successive bipolar plates are of different types.
  • the MEA 30 has a first surface 32 (cathode surface) and a second surface 34 (anode surface).
  • a corrugated surface 42 of the first bipolar plate 24 contacts the cathode surface 32 of the MEA 30 in contact pads 38.
  • a corrugated surface 44 of the second bipolar plate 36 contacts the anode surface 34 of the MEA at pads 40.
  • the wave profile of the second bipolar plate 36 is relative to the corrugated profile of FIG first bipolar plate 24 by half a period, that is, by a half wavelength, offset in the x direction.
  • the contact points 38 and the contact points 40 lie one above the other, that is to say project in the z-direction (stacking direction).
  • the contact points 40 between the second bipolar plate 36 and the MEA 30 thus form mating contact points to the contact points 38 between the first bipolar plate 24 and the MEA 30.
  • the surface 42 forms an upper surface of the first bipolar plate 24.
  • the bipolar plate 24 also has a lower surface 56.
  • the lower surface 56 and the upper surface 42 are geometrically similar in the example shown, but in principle they may also differ significantly from each other. In particular, the bottom surface need not be wavy, meandering or zigzagging.
  • a nickel foam 46 is arranged in the channels 28 between the second bipolar plate 36 and the second surface (anode surface) 34 of the MEA 30. This can increase the performance of the MEA and / or extend its life.
  • the fuel gas flows through the filled with the nickel foam 46 channels 28.
  • the surface 44 of the second bipolar plate 36 contacts the anode surface 34 in the mating contact points 40 not directly, but indirectly via the nickel foam 46th
  • the fourth embodiment sketched in FIG. 5 stands out from the second and third embodiments in particular in that the first bipolar plate 24 and the second bipolar plate 36 are identical and are not offset or rotated horizontally relative to one another.
  • the channels 28 are only partially filled with a nickel foam 46.
  • the nickel foam 46 has webs 48 which run parallel to the channels 26, 28 in the y-direction and connect to the anode surface 34 of the MEA 30 in mating contact points 40.
  • the mating contact points 40 also extend in the y direction.
  • Two adjacent webs 48 define, together with the anode surface 34, a cavity 50. Each web 48 contacts the MEA 30 in a mating contact point 40 of the upper surface 34.
  • Figure 6 illustrates an embodiment which is substantially analogous to the embodiment described with reference to Figure 3.
  • a z-axis 6 runs parallel to the stacking direction.
  • a y-axis (not shown) is perpendicular to the z-axis and to the image plane.
  • the y-axis is parallel to fuel gas channels 28 and oxidation gas channels 26.
  • An x-axis 2 is perpendicular to the z-axis 6 and lies in the image plane.
  • the fuel cell stack 10 is bounded laterally by a left wall 52 and by a right wall 54, both of which extend parallel to the y-z plane.
  • a first bipolar plate 24 and a second bipolar plate 36 are identical in construction and each have a zigzag-shaped cross-section in the z-x plane.
  • the zigzag cross-section defines fuel gas channels 28 and oxidation gas channels 26.
  • the first bipolar plate 24 and the second bipolar plate 36 are rotated 180 degrees from each other about the y-axis.
  • one of the upper extremities of the surface 42 of the first bipolar plate 24 extending in the y-direction and one of the lower extremities of the surface 44 of the second bipolar plate 36 extending in the y-direction face each other in order to engage with the MEA 30 to form a contact point 38 and a corresponding mating contact point 40.
  • the fuel cell stack 10 shown schematically in FIG. 7 illustrates a related embodiment.
  • the first bipolar plate 24 has a zigzag-shaped surface 42 and a zigzag-shaped lower surface 56.
  • the entirety of the upper surface 42 and the lower surface 56 is periodic in the x-direction 2, wherein their projection on the x-direction (that is, their maximum dimension in the x-direction 2) measures an odd multiple (here: five) of half the period length.
  • the period length here is identical to the distance in the x direction between adjacent extreme positions 60 of the lower surface 56, or, equivalently, with the distance in the x direction between adjacent extreme points 58 of the upper surface 42.
  • the first bipolar plate 24 and the second bipolar plate 36 are rotated 180 degrees against each other about the z-axis 6 parallel to the stacking direction.
  • one of the upper extremities of the surface 42 of the first bipolar plate 24 extending in the y direction and one of the lower extremities of the surface 44 of the second bipolar plate 36 extending in the y direction face each other in order to engage with the MEA 30 to form a contact point 38 and a corresponding mating contact point 40.
  • FIG. 8 illustrates another embodiment.
  • a fuel cell stack has a first bipolar plate 24 and a second bipolar plate 36, which are rotated relative to each other by 90 degrees about the z-axis parallel to the stacking direction (perpendicular to the image plane).
  • the two bipolar plates 24, 36 are shown side by side in the figure, but in fact they lie one above the other in the stacking direction.
  • the two bipolar plates 24 and 36 are designed substantially similar to the corresponding bipolar plates in Figure 6 or Figure 7, that is, they each have a zigzag-shaped cross-section. Their cross section could also be wavy or meandering.
  • the channels 26, 28 of the first bipolar plate 24 and the channels 26, 28 of the second bipolar plates are stacked one above the other and intersect each other at right angles.
  • the extreme locations of a surface of the first bipolar plate 24 extend in the y-direction 4, while the extreme locations of a surface of the second bipolar plate 36 extend in the x-direction 2. Together, they define a quadratic grid parallel to the x-y plane, with each grid point associated with a contact pad between the first bipolar plate 24 and a first surface of an MEA (not visible) and a corresponding mating pad between the second bipolar plate 36 and a second surface of the MEA.
  • FIG. 9 illustrates a method of manufacturing a fuel cell stack.
  • the method begins in step 900.
  • another bipolar plate is placed on the already existing part of the fuel cell stack to be produced.
  • a further MEA is placed on this bipolar plate (step 902).
  • a further bipolar plate identical in construction to the last one that is to say in step 901 is produced.
  • placed bipolar plate is rotated or pivoted in a rotated relative to the last applied bipolar plate position and then placed on the MEA.
  • the further bipolar plate is rotated such that a fuel cell stack according to one of the embodiments shown schematically in Figures 3, 4, 6, 7 and 8 is formed.
  • step 904 another MEA is placed on the stack, that is, on the rotated bipolar plate. It is conceivable that the further MEA is identical to the previous MEA, and that it is rotated relative to the previous MEA in the same way as the bipolar plate on which it is placed.
  • step 905 it is then determined whether further units should be placed on the stack. If so, the process flow returns to step 901, that is, at least two more bipolar plates and two more MEAs are placed on the stack. Otherwise, the process is ended (step 906).
  • a surface pressure force is applied which compresses the bipolar plates and MEAs. It is advantageous to adjust this force so that the highlighted areas or extreme points of the bipolar plates, ie those points of the bipolar plates which are in contact with the MEA at contact points or mating contact points, are deformed in a planar manner. This creates a largely planar contact.
  • surface pressure in the areas of the bipolar plates without counter contact yet no increased force effect. This can be achieved particularly well if nickel foam is used, which is relatively yielding.
  • the protruding points are thus compressed to allow a surface contact and a lower height. It is important to ensure that the areas are not exposed to the increased force without mating contact, to avoid that, for example, a nickel foam evenly distributed over the MEA area and a large area forms a mating contact instead of at selected locations.
  • MEA membrane electrode assembly

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10) mit mehreren Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten, wobei zumindest eine Oberfläche (42) einer ersten Bipolarplatte (24) wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche (42) der Bipolarplatte (24) eine erste Oberfläche (32) einer MEA (30) an Kontaktstellen (38) kontaktieren. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest einem Teil der Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) auf einer der ersten Oberfläche (32) der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (34) der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche (44) einer zweiten Bipolarplatte (36) kontaktiert werden, und dass die Kontaktstellen (38) und die zugeordneten Gegenkontaktstellen (40) in Stapelrichtung (6) übereinander liegen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (10). Die Erfindung betrifft weiter eine Bipolarplatte (24) für einen Brennstoffzellenstapel (10), mit einer wellenförmigen, mäanderförmigen oder zickzackförmigen oberen Oberfläche (42), einer unteren Oberfläche (56), einer linken Wand (52) und einer rechten Wand (54).

Description

Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Membran-Elektroden- Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten, wobei zumindest eine Oberfläche einer ersten Bipolarplatte wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche der Bipolarplatte eine erste Oberfläche einer MEA an Kontaktstellen kontaktieren.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels.
Die Erfindung betrifft weiter eine Bipolarplatte, die eine wellenförmige, mäanderförmige oder zickzackförmige obere Oberfläche, eine untere Oberfläche, eine linke Wand und eine rechte Wand aufweist.
Brennstoffzellen dienen, ähnlich wie Batterien, der direkten Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das Kernstück einer Brennstoffzelle ist die Membranelektrodeneinheit (MEA, Membrane Electrode Assembly), die aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht sowie einer die Anodenschicht von der Kathodenschicht trennende Elektrolytmembran besteht. Zur Stromerzeugung wird der Anodenschicht Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt, während der Kathodenschicht Oxidationsgas, beispielsweise Luft, zugeführt wird. Dabei kommt es zu einer Oxidation von Brenngas an der Anode, wobei die vom Brenngas abgegebenen Elektronen über eine elektrisch leitende Verbindung von der Anode zur Kathode wandern, wo sie das Oxidationsgas reduzieren. Die dabei entstehenden negativen Oxidations- gasionen kombinieren mit den positiv geladenen Brenngasionen. Wird beispielsweise als Brenngas Wasserstoff H2 und als Oxidationsgas Sauerstoff O2 verwendet, so kombinieren im Falle einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) Sauerstoffionen O2" in und an der Anodenschicht mit Wasserstoffionen H+ zu Wassermolekülen H2O. Die dabei freigesetzte Energie kann genutzt werden, indem zwischen die Anode und die Kathode eine Verbraucherlast geschaltet wird.
Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe elektrische Spannung (typischerweise zwischen 0.1 V und 1 V) zur Verfügung stellt, ist es üblich, viele Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellenstack) elektrisch hintereinander zu schalten, so dass sich die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen des Stapels addieren. Dabei wird jeweils die Kathodenschicht einer Brennstoffzelle mit der Anodenschicht der angrenzenden Brennstoffzelle über eine Bipolarplatte verbunden.
Die Bipolarplatte trennt dabei einen Strömungsbereich des Brenngases von einem Strömungsbereich des Oxidationsgases. Bewährt haben sich insbesondere Bipolarplatten, die eine mäanderförmige, wellenförmige (wellblechartige) oder zickzackförmige Oberfläche aufweisen. Bipolarplatten dieser Art binden an die benachbarte Brennstoff- zelle über Extremstellen (Gipfelstellen) ihrer Oberfläche an. Die zwischen den Extremstellen liegenden Täler bilden Kanäle zur Führung von Brenngas beziehungsweise Oxidationsgas.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die mechanische Stabilität eines Brennstoffzellenstapels der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass zumindest einem Teil der Kontaktstellen Gegenkontaktstellen auf einer der ersten Oberfläche der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche einer zweiten Bipolarplatte kontaktiert werden, wobei die Kontaktstellen und die zugeordneten Gegenkontaktstellen in Stapelrichtung übereinander liegen. Wird über eine der Kontaktstellen ein Kraft auf die MEA ausgeübt, so kann über die entsprechende Gegenkontaktstelle eine Gegenkraft auf die MEA ausgeübt werden, wodurch Spannungen innerhalb der MEA oder Verformungen der MEA, die bei Fehlen einer derartigen Gegenkraft auftreten würden, vermieden werden. Der Kraftfluss innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann somit optimiert werden. Auch kann sich eine größere Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung ergeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind allen Kontaktstellen Gegenkontaktstellen zugeordnet. Das heißt, dass keine Kontaktstellen zwischen Extremstellen der Oberfläche der Bipolarplatte und der ersten Oberfläche der MEA existieren, denen keine Gegenkontaktstellen zugeordnet sind. Hierdurch werden auf besonders effektive Weise unerwünschte Spannungen und Verformungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels vermieden.
Es ist möglich, dass die Gegenkontaktstellen von der Oberfläche der zweiten Bipo- larplatte über einen Metallschaum, zum Beispiel über einen Nickelschaum, kontaktiert werden. Durch die Beschichtung einer Elektrode, insbesondere einer Anode, mit einem Metallschaum, kann eine längere Lebensdauer der Elektrode erreicht werden. Darüber hinaus können über den Metallschaum Gegenkräfte auf die Gegenkontaktstellen ausgeübt werden. Voraussetzung ist, dass der Schaum hinreichend starr ist.
Besonders vorteilhaft kann sein, dass der Metallschaum die zweite Oberfläche der MEA nur in den Gegenkontaktstellen kontaktiert. Hierdurch wird vermieden, dass der Metallschaum Kräfte auf solche Bereiche der zweiten Oberfläche der MEA ausübt, auf die von der ersten Bipolarplatte keine Kräfte unmittelbar übertragen werden.
Die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte können dieselbe Gestalt haben. Insbesondere können die erste und die zweite Bipolarplatte baugleich sein. Die Herstellung, Wartung und Reparatur des Brennstoffzellenstapels kann hierdurch erleichtert werden.
Die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte können in diesem Fall gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse gedreht sein. Hieraus ergibt sich ein einfacher und übersichtlicher Aufbau des Brennstoffzellenstapels.
Alternativ können die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung senkrechte Achse gedreht sein.
Alternativ können die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte gegeneinander um 90 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse gedreht sein. Insbesondere in dem Fall, in dem die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte jeweils eine Vielzahl von parallelen Stegen beziehungsweise Furchen (Kanäle) zur Gasführung aufweisen, kann durch eine derartige gekreuzte Anordnung eine besonders hohe Stabilität des Brennstoffzellenstapels erreicht werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte unterschiedlich gestaltet. Hierdurch können geometrische Zwangsbedin- - A -
gungen, zum Beispiel im Hinblick auf Symmetrien der Bipolarplatten, die zu beachten sind, wenn die erste und die zweite Bipolarplatte baugleich sein sollen, vermieden werden. Es ergibt sich somit eine größere Gestaltungsfreiheit bei der Konzeption des Brennstoffzellenstapels.
Die Oberfläche der ersten Bipolarplatte kann eine Oberfläche eines Wellblechs sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Bipolarplatte im wesentlichen durch ein Wellblech realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, bei dem die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte baugleich sind. Es zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Bipolarplatte in eine um 90 Grad oder 180 Grad relativ zur ersten Bipolarplatte gedrehte Position gedreht wird, und dass die Bipolarplatten in der so erreichten Relativposition gestapelt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Verfahren einen Schritt des Fügens des Brennstoffzellenstapels um- fasst, bei dem eine Flächenpressung auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird. Die Flächenpressung erfolgt derart, dass Extremstellen der Oberfläche der ersten Bipo- larplatte, welche die MEA kontaktieren, flächig verformt werden. Auf Stellen der Oberfläche der ersten Bipolarplatte ohne bezüglich der MEA gegenüberliegende Gegenkontaktstelle wird dabei durch die Flächenpressung über die MEA keine Kraft übertragen. Dadurch lässt sich einerseits eine weitgehend flächige Kontaktierung zwischen der ersten Bipolarplatte und der MEA an den Kontaktstellen erreichen, um gute Stromlei- tungseigenschaften zu gewährleisten. Außerdem lässt sich die Bauhöhe des Brennstoffzellenstapels verringern. Andererseits wird verhindert, dass die gesamte Oberfläche der ersten Bipolarplatte die MEA berührt.
Beim Schritt des Fügens des Brennstoffzellenstapels kann insbesondere die Flächen- pressung derart auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt werden, dass die Extremstellen der Oberfläche der zweiten Bipolarplatte, welche die MEA kontaktieren, flächig verformt werden. Auch hierbei wird auf Stellen der Oberfläche der zweiten Bipolarplatte ohne bezüglich der MEA gegenüberliegende Kontaktstelle durch die Flächenpressung über die MEA keine Kraft übertragen. Es ergibt sich also ebenfalls eine weitgehend flächige Kontaktierung zwischen der zweiten Bipolarplatte und der MEA an den Gegenkontaktstellen. Durch die Flächenpressung erfolgt also eine Kraftübertragung auf die Extremstellen der Bipolarplatte beziehungsweise der Bipolarplatten über die MEA. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Kontaktstellen beziehungsweise die Gegenkontaktstellen über einen Metallschaum, insbesondere über einen Nickelschaum, kontaktiert werden. Ein solcher Schaum ist gegenüber der Flächenpressung relativ nachgiebig und bietet eine gute elektrische Kontaktierung.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Drehung von 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse die linke Wand und die rechte Wand im wesentlichen ineinander überführt werden und mindestens zwei untere Extremstellen der unteren Oberfläche unter zwei entsprechenden oberen Extremstellen der oberen Oberfläche zu liegen kommen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Zunächst werden zwei identische Bipolarplatten hergestellt. Dann wird die zweite Bipolarplatte in eine um 180 Grad relativ zur ersten Bipolarplatte gedrehte Position gebracht. Dabei kommen mindestes zwei untere Extremstellen der unteren Oberfläche der zweiten Bipolarplatte über zwei entsprechenden oberen Extremstellen der oberen Oberfläche der ersten Bipolarplatte zu liegen. Besonders vorteilhaft sind solchen Ausführungsformen, bei denen alle untere Extremstellen der unteren Oberfläche durch eine Drehung von 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse jeweils unter entsprechenden oberen Extremstellen der oberen Oberfläche zu liegen kommen.
Eine derartige Bipolarplatte wird auf besonders einfache Weise dadurch realisiert, dass die Gesamtheit aus der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche in Richtung einer zur Stapelrichtung senkrechten Achse periodisch ist und ihre Projektion auf diese Richtung ein ungerades Vielfaches der halben Periodenlänge misst.
Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen horizontalen Querschnitt durch ein Gasflussfeld eines Brennstoffzellenstapels;
Figur 2 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch (a) einen verformten Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten Ausführungsform, (b) einen entsprechenden unverformten Brennstoffzellenstapel; Figur 3 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 4 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoff- zelienstapel gemäß einer dritten Ausführungsform;
Figur 5 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer vierten Ausführungsform;
Figur 6 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer fünften Ausführungsform;
Figur 7 einen schematischen senkrechten Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer sechsten Ausführungsform;
Figur 8 einen schematischen horizontalen Querschnitt durch zwei aufeinanderfolgende Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer siebten Ausführungsform;
Figur 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche, äquivalente, analoge oder ähnliche Komponenten. Zumindest einige dieser Komponenten werden zur Vermei- düng von Wiederholungen nur einmal erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch einen horizontalen Schnitt durch einen Brennstoffzellenstapel 10. Die horizontale Ebene ist identisch mit der x-y-Ebene 2,4 (Stapelebene) und steht senkrecht zur Stapelrichtung (z-Richtung, senkrecht zur Bildebene). Der Brenn- stoffzellenstapel 10 umfasst eine Bipolarplatte 24, welche eine Vielzahl von Kanälen 26, 28 zur Führung von Oxidationsgas beziehungsweise Brenngas definiert. Die Kanäle 26, 28 verlaufen parallel zueinander in der y-Richtung 4. Die Oxidationsgaskanäle 26 dienen der Führung von Oxidationsgas, typischerweise ein sauerstoffreiches Gas, und grenzen an eine in der Figur nicht sichtbare Kathode einer unterhalb der Bildebene liegenden MEA. Die Brenngaskanäle 28 dienen der Führung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff. Sie grenzen an eine in der Figur nicht sichtbare horizontale Anode einer oberhalb der Bildebene liegenden MEA. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 tritt sauerstoffreiches Oxidationsgas über einen Oxidationsgaseinlass 12 in die Oxi- dationsgaskanäle 26 und strömt (in der Figur symbolisiert durch Pfeile) entlang der Kathode, wo ein Teil des Gases reduziert wird. Nicht verbrauchtes Oxidationsgas so- wie das Reaktionsprodukt (typischerweise Wasser) verlassen den aktiven Bereich durch einen Oxidationsgasauslass 16. Gleichzeitig tritt Brenngas (beispielsweise Wasserstoff) über einen Brenngaseinlass 14 in die Brenngaskanäle 28 und strömt (in der Figur symbolisiert durch Pfeile) entlang der Anode, wo es teilweise ionisiert wird. Nicht verbrauchtes Brenngas verlässt die Brenngaskanäle 28 über einen Brenngasauslass 18.
Figur 2 zeigt einen schematischen senkrechten Schnitt durch einen Teilbereich des mit Bezug auf Figur 1 erläuterten Brennstoffzellenstapel 10, erstens in einem verformten Zustand (a), der durch ein "Zusammendrücken" des Stapels entlang der Vertikalen 6 (z-Richtung) hervorgerufen wird, und zweitens in einem unverformten Zustand (b). Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst mehrere im wesentlichen identische Membran- Elektroden-Anordnungen MEAs und mehrere im wesentlichen identische Bipolarplatten, die alternierend aufeinander gestapelt sind. Auf einer ersten Bipolarplatte 24 liegt eine MEA 30. Auf der MEA 30 liegt eine zweite Bipolarplatte 36. Die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 definieren durch ihre wellenförmige Gestalt jeweils zusammen mit der MEA Brenngaskanäle 28 und Oxidationsgaskanäle 26. Extremstellen einer Oberfläche 42 der Bipolarplatte 24 kontaktieren eine erste Oberfläche 32 (Kathodenfläche) der MEA 30 an Kontaktstellen 38. Extremstellen einer Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 kontaktieren eine zweite Oberfläche 34 (Anodenfläche) der MEA 30 an Kontaktstellen 38. Aus Teil (a) der Figur ist ersichtlich ist, dass die MEA 30 durch die von unten und oben gleichzeitig angelegten vertikalen Kräfte wellenförmig verbogen ist. Die den vertikalen Kräften entgegenwirkenden und ein Kollabieren des Brennstoffzellenstapels verhindernden Kräfte werden durch die Verformung der MEA aufgebracht. MEAs bestehen jedoch typischerweise zumindest teilweise aus einem relative spröden Material. Übersteigen die Kräfte kritische Werte, bricht das Material. Die MEA wird dadurch zumindest teilweise in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
Figur 3 zeigt einen zu Figur 2 analogen senkrechten Querschnitt durch einen Teilbereich eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist sowohl in vertikaler Richtung 6 (z-Richtung) als auch in einer horizontalen Richtung 2 (x-Richtung) periodisch aufgebaut. Er umfasst insbeson- dere eine erste Bipolarplatte 24, eine MEA 30 und eine zweite Bipolarplatte 36. Die Bipolarplatten des Brennstoffeellenstapels, insbesondere die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36, sind baugleich. Jedoch sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen zwei aufeinanderfolgende Bipolarplatten von unterschiedlichem Typ sind. Die MEA 30 weist eine erste Oberfläche 32 (Kathodenfläche) und eine zweite Oberfläche 34 (Anodenfläche) auf. Eine gewellte Oberfläche 42 der ersten Bipolarplatte 24 berührt die Kathodenfläche 32 der MEA 30 in Kontaktstellen 38. Eine gewellte Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 berührt die Anodenfläche 34 der MEA in Kontaktstellen 40. Das Wellenprofil der zweiten Bipolarplatte 36 ist relativ zum Wellen- profil der ersten Bipolarplatte 24 um eine halbe Periode, das heißt um eine halbe Wellenlänge, in x-Richtung versetzt. Dies führt dazu, dass die Kontaktstellen 38 und die Kontaktstellen 40 übereinander liegen, das heißt, in z-Richtung (Stapelrichtung) aufeinander projizieren. Die Kontaktstellen 40 zwischen der zweiten Bipolarplatte 36 und der MEA 30 bilden somit Gegenkontaktstellen zu den Kontaktstellen 38 zwischen der ersten Bipolarplatte 24 und der MEA 30. Werden die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte in vertikaler Richtung gegeneinander gedrückt, beispielsweise durch die Schwerkraft oder durch ein beabsichtigtes Verspannen des Brennstoffzellenstapels 10, so kompensieren sich in dem zwischen zwei übereinanderliegenden Kontaktstellen 38, 40 befindlichen Abschnitt der MEA 30 die von der Kontaktstelle 38 nach oben wirkende Kraft und die von der Kontaktstelle 40 nach unten wirkenden Kraft. Die MEA 30 wird daher nicht signifikant verformt. In dem gezeigten Beispie! bildet die Oberfläche 42 eine obere Oberfläche der ersten Bipolarplatte 24. Die Bipolarplatte 24 weist auch eine untere Oberfläche 56 auf. Die untere Oberfläche 56 und die obere O- berfläche 42 sind in dem gezeigten Beispiel geometrisch ähnlich, jedoch können sie sich prinzipiell auch signifikant voneinander unterscheiden. Insbesondere muss die untere Oberfläche nicht gewellt, mäanderförmig oder zickzackförmig sein.
Bei der in Figur 4 gezeigten dritten Ausführungsform ist in den Kanälen 28 zwischen der zweiten Bipolarplatte 36 und der zweiten Oberfläche (Anodenfläche) 34 der MEA 30 ein Nickelschaum 46 angeordnet. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit der MEA vergrößert und/oder ihre Lebensdauer verlängert werden. Im Betrieb strömt das Brenngas durch die mit dem Nickelschaum 46 gefüllten Kanäle 28. Die Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 kontaktiert die Anodenfläche 34 in den Gegenkontaktstellen 40 nun nicht direkt, sondern mittelbar über den Nickelschaum 46. Die in Figur 5 skizzierte vierte Ausführungsform hebt sich von der zweiten und dritten Ausführungsform insbesondere dadurch ab, dass die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 identisch sind und dabei nicht horizontal gegeneinander versetzt oder gedreht sind. Die Kanäle 28 sind nur teilweise mit einem Nickelschaum 46 gefüllt. Der Nickelschaum 46 weist Stege 48 auf, die parallel zu den Kanälen 26, 28 in y-Richtung verlaufen und an die Anodenfläche 34 der MEA 30 in Gegenkontaktstellen 40 anschließen. Die Gegenkontaktstellen 40 erstrecken sich ebenfalls in y-Richtung. Zwei benachbarte Stege 48 definieren zusammen mit der Anodenfläche 34 einen Hohlraum 50. Jeder Steg 48 kontaktiert die MEA 30 in einer Gegenkontaktstelle 40 der O- berfläche 34.
Figur 6 illustriert eine Ausführungsform, die im wesentlichen analog zu der mit Bezug auf Figur 3 beschriebenen Ausführungsform ist. Eine z-Achse 6 verläuft parallel zur Stapelrichtung. Eine y-Achse (nicht dargestellt) ist senkrecht zur z-Achse und zur BiId- ebene. Die y-Achse verläuft parallel zu Brenngaskanälen 28 und Oxidationsgaskanälen 26. Eine x-Achse 2 steht senkrecht zur z-Achse 6 und liegt in der Bildebene. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird seitlich begrenzt durch eine linke Wand 52 und durch eine rechte Wand 54, die sich beide parallel zur y-z-Ebene erstrecken. Eine erste Bipolarplatte 24 und eine zweite Bipolarplatte 36 sind baugleich und weisen jeweils einen zickzackförmigen Querschnitt in der z-x-Ebene auf. Der zickzackförmige Querschnitt definiert Brenngaskanäle 28 und Oxidationsgaskanäle 26. Die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 sind gegeneinander um 180 Grad um die y-Achse gedreht. Dies hat zur Folge, dass jeweils eine der sich in y-Richtung erstreckenden oberen Extremstellen der Oberfläche 42 der ersten Bipolarplatte 24 und eine der sich in y- Richtung erstreckenden unteren Extremstellen der Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 einander zugewandt sind, um mit der MEA 30 eine Kontaktstelle 38 und eine entsprechende Gegenkontaktstelle 40 zu bilden.
Der in Figur 7 schematisch dargestellte Brennstoffzellenstapel 10 veranschaulicht eine verwandte Ausführungsform. Die erste Bipolarplatte 24 weist eine zickzackförmige o- bere Oberfläche 42 und eine zickzackförmige untere Oberfläche 56 auf. Durch eine Drehung von 180 Grad um eine ausgesuchte zur Stapelrichtung 6 parallele Achse kommen alle unteren Extremstellen 60 der unteren Oberfläche 56 unter entsprechenden oberen Extremstellen 58 der oberen Oberfläche 42 zu liegen, und die linke Wand 52 und die rechte Wand 54 werden ineinander überführt. Die Gesamtheit aus der oberen Oberfläche 42 und der unteren Oberfläche 56 ist in x-Richtung 2 periodisch, wobei ihre Projektion auf die x-Richtung (das heißt, ihre maximale Abmessung in der x- Richtung 2) ein ungerades Vielfaches (hier: fünf) der halben Periodenlänge misst. Die Periodenlänge ist hier identisch mit dem Abstand in x-Richtung zwischen benachbarten Extremstellen 60 der unteren Oberfläche 56, oder, äquivalent ausgedrückt, mit dem Abstand in x-Richtung zwischen benachbarten Extremstellen 58 der oberen Oberfläche 42. Die erste Bipolarplatte 24 und die zweite Bipolarplatte 36 sind gegeneinander um 180 Grad um die zur Stapelrichtung parallele z-Achse 6 gedreht. Dies hat zur Folge, dass jeweils eine der sich in y-Richtung erstreckenden oberen Extremstellen der Oberfläche 42 der ersten Bipolarplatte 24 und eine der sich in y-Richtung erstreckenden unteren Extremstellen der Oberfläche 44 der zweiten Bipolarplatte 36 einander zugewandt sind, um mit der MEA 30 eine Kontaktstelle 38 und eine entsprechende Gegenkontaktstelle 40 zu bilden.
Figur 8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform. Ein Brennstoffzellenstapel weist eine erste Bipolarplatte 24 und eine zweite Bipolarplatte 36 auf, die gegeneinander um 90 Grad um die zur Stapelrichtung parallele (senkrecht zur Bildebene stehende) z- Achse gedreht sind. Die beiden Bipolarplatten 24, 36 sind in der Figur nebeneinander dargestellt, tatsächlich liegen sie jedoch in Stapelrichtung übereinander. Die beiden Bipolarplatten 24 und 36 sind im wesentlich ähnlich gestaltet wie die entsprechenden Bipolarplatten in Figur 6 oder Figur 7, das heißt, sie weisen jeweils einen zickzackför- migen Querschnitt auf. Ihr Querschnitt könnte aber auch wellenförmig oder mäander- förmig sein. Die Kanäle 26, 28 der ersten Bipolarplatte 24 und die Kanäle 26, 28 der zweiten Bipolarplatten liegen in Stapelrichtung übereinander und kreuzen einander rechtwinklig. Die Extremstellen einer Oberfläche der ersten Bipolarplatte 24 erstrecken sich in die y-Richtung 4, während sich die Extremstellen einer Oberfläche der zweiten Bipolarplatte 36 in die x-Richtung 2 erstrecken. Gemeinsam definieren sie ein zur x-y- Ebene paralleles quadratisches Gitter, wobei jedem Gitterpunkt eine Kontaktstelle zwischen der ersten Bipolarplatte 24 und einer ersten Oberfläche einer MEA (nicht sichtbar) und eine entsprechende Gegenkontaktstelle zwischen der zweiten Bipolarplatte 36 und einer zweiten Oberfläche der MEA zugeordnet sind.
Figur 9 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren beginnt in Schritt 900. In Schritt 901 wird eine weitere Bipolarplatte auf den bereits existierenden Teil des herzustellenden Brennstoffzellenstapels gelegt. Auf diese Bipolarplatte wird eine weitere MEA gelegt (Schritt 902). Im folgenden Schritt 903 wird eine weitere Bipolarplatte, die baugleich zur zuletzt (das heißt, in Schritt 901) auf- gelegten Bipolarplatte ist, in eine relativ zur zuletzt aufgelegten Bipolarplatte gedrehte Position gedreht oder geschwenkt und daraufhin auf die MEA gelegt. Beispielsweise wird die weitere Bipolarplatte derart gedreht, dass ein Brennstoffzellenstapel gemäß einer der in Figuren 3, 4, 6, 7 und 8 schematisch dargestellten Ausführungsformen entsteht. Anschließend wird in Schritt 904 eine weitere MEA auf den Stapel, das heißt, auf die gedrehte Bipolarplatte, gelegt. Es ist denkbar, dass die weitere MEA baugleich zur vorhergehenden MEA ist, und dass sie relativ zur vorhergehenden MEA in derselben Weise gedreht wird wie die Bipolarplatte, auf die sie aufgelegt wird. In Schritt 905 wird anschließend festgestellt, ob weitere Einheiten auf den Stapel gelegt werden sol- len. Wenn ja, kehrt der Prozessablauf zu Schritt 901 zurück, das heißt, es werden mindestens zwei weitere Bipolarplatten und zwei weitere MEAs auf den Stapel gelegt. Andernfalls wird das Verfahren beendet (Schritt 906).
Bei einem anschließenden Fügeverfahren des Brennstoffzellenstapels wird eine Kraft zur Flächenpressung aufgewendet, welche die Bipolarplatten und MEAs zusammendrückt. Es ist vorteilhaft, diese Kraft so einzustellen, dass die hervorgehobenen Stellen beziehungsweise Extremstellen der Bipolarplatten, also diejenigen Stellen der Bipolarplatten, die an Kontaktstellen beziehungsweise Gegenkontaktstellen in Kontakt mit der MEA stehen, flächig verformt werden. So entsteht eine weitgehend flächige Kon- taktierung. Bei der Flächenpressung soll in den Bereichen der Bipolarplatten ohne Gegenkontakt noch keine erhöhte Kraftwirkung entstehen. Dies lässt sich besonders gut dann erreichen, wenn Nickelschaum verwendet wird, der verhältnismäßig nachgiebig ist. Die hervorstehenden Stellen werden also zusammengedrückt, um eine flächigere Kontaktierung und eine geringere Bauhöhe zu ermöglichen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Bereiche ohne Gegenkontakt nicht mit der erhöhten Kraft beaufschlagt werden, um zu vermeiden, dass sich beispielsweise ein Nickelschaum gleichmäßig über die MEA-Fläche verteilt und großflächig einen Gegenkontakt ausbildet statt an ausgewählten Stellen.
Räumliche Begriffe wie "oben", "unten", "links" und "rechts" dienen lediglich der Beschreibung von Relativpositionen von Komponenten. Sie haben keine absolute Bedeutung und sind daher austauschbar. Liste der Bezugszeichen:
2 x-Richtung
4 y-Richtung
6 z-Richtung (Stapelrichtung)
10 Brennstoffzellenstapel
12 Oxidationsgaseinlass
14 Brenngaseinlass
16 Oxidationsgasauslass
18 Brenngasauslass
20 vorderer Bereich
22 hinterer Bereich
24 erste Bipolarplatte
26 Oxidationsgaskanal
28 Brenngaskanal
30 Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
32 erste Oberfläche
34 zweite Oberfläche
36 zweite Bipolarplatte
38 Kontaktstelle
40 Gegenkontaktstelle
42 Oberfläche
44 Oberfläche
46 Metallschaum
48 Steg
50 Hohlraum
52 Wand
54 , Wand
56 Oberfläche
58 Extremstelle
60 Extremstelle
900 bis 906 Verfahrensschritte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennstoffzellenstapel (10) mit mehreren Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten, wobei zumindest eine Oberfläche (42) einer ersten Bipolarplatte (24) wellenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche (42) der Bipolarplatte (24) eine erste Oberfläche (32) einer MEA (30) an Kontaktstellen (38) kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Teil der Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) auf einer der ersten Oberfläche (32) der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (34) der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche (44) einer zweiten Bipolarplatte (36) kontaktiert werden, und dass die Kontaktstellen (38) und die zugeordneten Gegenkontaktstellen (40) in Stapelrichtung (6) übereinander liegen.
2. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass allen Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) zugeordnet sind.
3. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkontaktstellen (40) von der Oberfläche (44) der zweiten Bipolarplatte
(36) über einen Metallschaum (46) kontaktiert werden.
4. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (46) die zweite Oberfläche (34) der MEA nur in den Gegenkon- taktstellen (40) kontaktiert.
5. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) dieselbe Gestalt haben.
6. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse (6) gedreht sind.
7. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) gegeneinander um 180 Grad um eine zur Stapelrichtung senkrechte Achse (4) gedreht sind.
8. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36). gegeneinander um 90 Grad um eine zur Stapelrichtung parallele Achse (6) gedreht sind.
9. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) unterschiedlich gestaltet sind.
10. Brennstoffzellenstapel (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (42) der ersten Bipolarplatte (24) eine Oberfläche eines Wellblechs ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (10), der mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) und mehreren Bipolarplatten umfasst, wobei zumindest eine Oberfläche (42) einer ersten Bipolarplatte (24) wellenförmig, mäan- derförmig oder zickzackförmig verläuft und Extremstellen der Oberfläche (42) der Bipolarplatte (24) eine erste Oberfläche (32) einer MEA (30) an Kontaktstellen (38) kontaktieren, wobei zumindest einem Teil der Kontaktstellen (38) Gegenkontaktstellen (40) auf einer der ersten Oberfläche (32) der MEA gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (34) der MEA zugeordnet sind, die von einer Oberfläche (44) einer zweiten Bipolarplatte (36) kontaktiert werden, und die Kontaktstellen (38) und die zugeordneten Gegenkontaktstellen (40) in Stapelrichtung (6) übereinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (24) und die zweite Bipolarplatte (36) dieselbe Gestalt haben und die zweite Bipolarplatte (36) in eine um 90 Grad oder 180 Grad relativ zur ersten Bipolarplatte (24) gedrehte Position gedreht wird (903), und dass die Bipolarplatten (24, 36) in der so erreichten Relativposition gestapelt werden.
12. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Schritt des Fügens des
Brennstoffzellenstapels umfasst, bei dem eine Flächenpressung derart auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird, dass die die MEA kontaktierenden Extremstellen der Oberfläche der ersten Bipolarplatte flächig verformt werden, wobei auf Stellen der O- berfläche der ersten Bipolarplatte ohne bezüglich der MEA gegenüberliegende Gegen- kontaktstelle durch die Flächenpressung über die MEA keine Kraft übertragen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, beim Schritt des Fü- gens des Brennstoffzellenstapels die Flächenpressung derart auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird, dass die die MEA kontaktierenden Extremstellen der Oberfläche der zweiten Bipolarplatte flächig verformt werden, wobei auf Stellen der Oberfläche der zweiten Bipolarplatte ohne bezüglich der MEA gegenüberliegende Kontaktstelle durch die Flächenpressung über die MEA keine Kraft übertragen wird.
14. Bipolarplatte (24) für einen Brennstoffzellenstapel (10), mit einer wellenförmigen, mäanderförmigen oder zickzackförmigen oberen Oberfläche (42), einer unteren Oberfläche (56), einer linken Wand (52) und einer rechten Wand (54), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Drehung von 180 Grad um eine zur Stapelrichtung (6) parallele Achse die linke Wand (52) und die rechte Wand (54) ineinander überführt werden und mindestens zwei untere Extremstellen (60) der unteren Oberfläche (56) unter zwei entsprechenden oberen Extremstellen (58) der oberen Oberfläche (42) zu liegen kommen.
15. Bipolarplatte (24) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit aus der oberen Oberfläche (42) und der unteren Oberfläche (56) in Richtung einer zur Stapelrichtung (6) senkrechten Achse periodisch ist und ihre Projektion auf diese Richtung ein ungerades Vielfaches der halben Periodenlänge misst.
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