DE102004028142B4

DE102004028142B4 - Bipolarseparator

Info

Publication number: DE102004028142B4
Application number: DE102004028142A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Haufe; Suzana Dr. Kiel; Ulrich Dr. Mähr; Dieter Dr. Melzner; Annette Dr.habil. Reiche
Original assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Current assignee: Elcore GmbH
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2024-06-11
Also published as: DE102004028142A1

Abstract

Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit, MEA, von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend
– eine erste Kanalplatte (11) mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem (18) zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und
– eine zweite, der ersten Kanalplatte (11) benachbarten Kanalplatte (12) mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenflächg, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidans-Kanalsystem (19) zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidansgas aufweist,
wobei die Kanalplatten (11, 12) miteinander korrespondierende Durchbrüche (34) zur Leitung eines Mediums normal zu ihrer Hauptebene aufweisen und die Öffnung eines Durchbruchs (34) in der der anderen Kanalplatte (11) zugewandten Plattenfläche einer Kanalplatte (12) von einer ringförmigen Nut (14) umgeben ist, in welche unter stoffschlüssiger Verbindung ein entsprechender, umlaufender Vorsprung (13) der anderen Kanalplatte eingreift,
dadurch gekennzeichnet,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit, MEA, von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend

– eine erste Kanalplatte mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem; zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und
– eine zweite, der ersten Kanalplatte benachbarten Kanalplatte mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidans-Kanalsystem zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidansgas aufweist,

Ein solcher Bipolarseparatorist in der WO 02/098661 A1 offenbart.
Es sind unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen bekannt. Insbesondere bei sogenannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs Proton Elektrolyte Membrane Fuel Cells) ist eine protonenleitfähige Membran vorgesehen, die beidseitig von Elektroden kontaktiert wird. Die Elektroden umfassen üblicherweise eine katalytisch aktive Schicht, beispielsweise aus platinbeschichtetem Ruß, welche in direktem Kontakt mit dem Protonenleiter steht, sowie poröse, elektronisch leitfähige Strukturen, die dem Transport der Reaktionsgase zu der katalytisch aktiven Schicht dienen. Letztgenannte Strukturen werden üblicherweise als Gasdiffusionsstrukturen bezeichnet. Sie können beispielsweise aus porösem Kohlenstoffpapier, -gewebe oder -vlies aufgebaut sein.
Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird der als Anode wirkenden Elektrode Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Die genaue Zusammensetzung des Gases hängt von der speziellen Beschaffenheit der übrigen Brennstoffzelle ab und soll im Folgenden allgemein als „Brenngas" bezeichnet werden.
Gleichzeitig wird der zweiten, als Kathode wirkenden Elektrode Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, welches im Folgenden allgemein als Oxidansgas bezeichnet wird. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert: H₂ → 2H⁺+ 2e^–.
Die dabei freiwerdenden Elektronen werden über die Elektrode an den Verbrauer abgeführt und die entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite, wo sie mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden. Die notwendigen Elektronen werden über die Elektrode zugeführt: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O.
Der Ladungstransport durch den Elektrolyten erfolgt im Falle der PEMFC beispielsweise über Migration von H₃O⁺-Ionen und/oder Hoppingprozesse von Protonen.
Zur praktischen Umsetzung wird eine derartige Elementarzelle üblicherweise zwischen zwei Plattenstrukturen eingebettet, die verschiedene Aufgaben übernehmen. Zum einen dienen sie der Stabilisierung der in der Regel flexiblen MEA. Zweitens dienen sie der Zu- und Abfuhr der Reaktionsgase sowie der Abfuhr des entstehenden Wassers. Drittens können sie zum Wärmemanagement, d. h. insbesondere zur Abfuhr der entstehenden Abwärme genutzt werden. Viertens dienen sie der Ableitung des erzeugten Stroms. Fünftens werden von diesen Plattenstrukturen Dichtungsaufgaben erfüllt, da eine Mischung bzw. ein Übertritt der Reaktionsgase untereinander und/oder mit Kühlmittel auf jeden Fall vermieden werden muss.
Im Fall von Brennstoffzellen, die aus einem Stapel von Elementarzellen aufgebaut sind, sogenannten Stacks, trennen die Plattenstrukturen jeweils die Anode einer ersten Elementarzelle von der Kathode der benachbarte Elementarzelle. Man spricht daher häufig von Bipolarplatten oder allgemeiner von Bipolarseparatoren. Diese bestehen im Allgemeinen aus Graphit, Graphit-Polymer-Kompositwerkstoffen oder aus Metallen bzw. Metalllegierungen.
US 2003/0194591 A1 offenbart einen Brennstoffzellen-Stack, der unter Verwendung gattungsgemäßer Bipolarseparatoren verwirklicht ist. Die Bipolarseparatoren sind aus jeweils 2 Kanalplatten aufgebaut. Beide Kanalplatten weisen in ihrer der jeweils benachbarten MEA zugewandten Plattenfläche ein Verteilersystem für das jeweilige Reaktionsgas auf. Das Verteilersystem besteht aus einer Kanalstruktur, welche die Plattenfläche grabenartig durchzieht, wobei die einzelnen Kanalabschnitte durch Stege voneinander getrennt sind. Außer den offenen Kanalabschnitten, durch welche das Reaktionsgas der jeweiligen Elektrode zugeführt wird, kann das Kanalsystem weiter geschlossene Kanalabschnitte umfassen, durch welche das jeweilige Reaktionsgas von außen eingespeist werden kann. Außerdem können die Kanalplatten Durchbrüche aufweisen, die beispielsweise zur Führung von Medien, wie etwa Reaktionsgas oder Kühlmittel senkrecht zur Kanalplattenfläche, d. h. entlang der Brennstoffzellen-Stackachse verwendet werden können. Auf ihrer der zugeordneten MEA abgewandeten Seite weist wenigstens eine der Kanalplatten ein weiteres grabenartiges Kanalsystem auf, welches der Verteilung von Kühlmittel dient. Im zusammengebauten Zustand wird ein alternierender Stapel von MEAs und jeweils aus zwei Kanalplatten bestehenden Bipolarseparatoren durch Zuganker fest aufeinander gepresst. Auf diese Weise entsteht zwischen den Kanalplatten eines Bipolarseparators ein geschlossenes Kühlmittel-Verteilungssystem, welches von außen mit Kühlmittel beschickt werden kann.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist die schwer zu realisierende Dichtung zwischen den einzelnen Kanalplatten eines Bipolarseparators. Da die Kanalplatten durch die von außen angelegten Druckkräfte, die beispielsweise durch Zuganker auf den Stack ausgeübt werden, zusammengehalten werden, müssen, um eine zuverlässige Dichtung zu gewährleisten, die einander berührenden Flächen der Kanalplatten mit höchster Genauigkeit gearbeitet sein. Eine höchst zuverlässige Dichtung ist jedoch unabdingbar, da im Bereich der Bipolarseparatoren die verschiedenen Reaktionsgase und das Kühlmittel auf engstem Raum benachbart fließen. Insbesondere bei axialer Durchleitung von Reaktionsgasen durch die Bipolarseparatoren kommt der Dichtung höchste Bedeutung zu. Auch das Anordnen der Bipolarseparatoren beim Stapeln des Brennstoffzellen-Stacks muss mit hoher Genauigkeit erfolgen, um einen dichtenden Verbund zu gewährleisten. Dies führt insgesamt zu einem erheblichen Bearbeitungs- und Produktionsaufwand und damit verbundenen Fertigungskosten.
Die DE 697 05 016 T2 geht dieses Problem an, indem die als Stanzteile ausgebildeten Kanalplatten im Bereich ihrer offenen Kanalsysteme als spiegelsymmetrische Wellenstrukturen mit Knoten und Bäuchen geformt sind, wobei die Bäuche die Medien leitenden Strukturen bilden und die Platten im Bereich der Knoten miteinander hartverlötet sind. Durch die Hartverlötung ist eine zuverlässige Dichtung der Kanäle gewährleistet. Die Herstellung ist jedoch aufwendig und schwierig, da es erforderlich ist, die zu verbindenden Platten sehr genau zueinander auszurichten. Bereits leichte Verschiebungen der Platten relativ zueinander können im günstigsten Fall zu einer Verringerung und Verzerrung von Kanalquerschnitten und im ungünstigsten Fall zu einer fehlerhaften Dichtung benachbarter Kanäle führen. Dies kann zur Mischung unterschiedlicher Medien mit fatalen Folgen führen.
Eine vergleichbare Technik ist in der DE 100 15 360 B4 offenbart.
Die DE 102 29 918 A1 offenbart einen Bipolarseparator aus zwei Kanalplatten, deren Brenngas- bzw. Oxidans-Kanalsysteme mit Durchbrüchen in einer Kanalplatte, in die korrespondierende Vorsprünge der anderen Kanalplatte eingreifen, wobei die Höhe der Vorsprünge geringer als die durchbrochene Plattendicke ist, gebildet werden. Abgeschrägte Flanken der Durchbrüche und korrespondierenden Vorsprünge dienen als Montagehilfe zur korrekten Ausrichtung der Platten sowie zur Abdichtung der gebildeten Kanäle. Zusätzlich sind in beiden Platten korrespondierenden, die jeweilige Platte nicht durchbrechende Nuten vorgesehen, die bei verbundenen Platten ein inneres Kühlkanalsystem bilden.
Die DE 100 25 207 A1 offenbart einen Bipolarseparator mit Kanalbohrungen zur Leitung von Medien normal zur Plattenhauptebene, d. h. axial zum Zellenstapel. Die Kanalbohrungen befinden sich in Kunststoffrahmen, mit denen die Membranen zur Halterung und Stabilisierung umspritzt sind. Eine Dichtung erfolgt durch großflächiges Verkleben oder Verschweißen der Kunststoffrahmen. Dies ist zwar kostengünstig, muss im Hinblick auf die typischen hohen Temperaturen in einer Brennstoffzelle, die geringe Formstabilität des Kunststoffs und die normalerweise fehlende elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffs kritisch beurteilt werden. Zudem ergeben sich die gleichen Ausrichtungsschwierigkeiten wie beim oben diskutierten Stand der Technik.
Die DE 203 08 332 U1 offenbart versickte Dichtungen zwischen benachbarten Kanalplatten von Bipolarseparatoren.
Die gattungsbildende WO 02/098661 A1 offenbart einen Bipolarseparator, bei dem zur Medienleitung normal zur Plattenhauptebene deckungsgleiche Durchbrüche in den Kanalplatten vorgesehen sind. Jeder Durchbruch in jeweils einer Kanalplatte ist von einer ringförmigen Nut umgeben, in die ein korrespondierend geformter Vorsprung der jeweils anderen Kanalplatte formschlüssig eingreift. Durch die schrägen Flanken der Nuten und Vorsprünge ergibt sich eine Montagehilfe, die die korrekte Ausrichtung der Kanalplatten begünstigt. Zur dichtenden Verbindung werden die Platten, die aus flexiblen, vollflächig Harz-imprägnierten Graphit-Rohlingen gefertigt sind, unter Druck und Hitze ausgehärtet, sodass je zwei Kanalplatten stoffschlüssig zu einem im Wesentlichen einteiligen Bipolarseparator verschmolzen werden. Dies schränkt im Hinblick auf die erforderliche elektronische Leitfähigkeit der Bipolarseparatoren die Auswahl verwendbarer Materialien, insbesondere der Harze, stark ein.
Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist daher die fehlende Unabhängigkeit des Konzeptes von der Materialwahl. Zur Abkehr von der sehr speziellen Wahl Harz-imprägnierte, flexibler Graphit-Rohlinge als Ausgangsmaterial müsste zur Verbindung der Platten ein auf die Platten aufgetragenes Klebemittel dienen, das eine Schicht zwischen den Kanalplatten ausbildet. Zur Wahrung der elektronischen Leitfähigkeit müsste hier ein spezielles, leitfähiges Klebemittel gewählt werden. Eine Verklebung nur im Bereich der korrespondierenden Nuten und Vorsprünge wäre im Hinblick auf die präzise Dosierung des Klebemittels schwierig. Einerseits sollte zur Optimierung der Haltekräfte eine möglichst große Fläche, d. h. vorzugsweise die gesamte Außenfläche des Vorsprungs bzw. die gesamte Innenfläche der Ringnut, benetzt werden. Andererseits würde eine geringe Überdosierung insbesondere unter Druck zu einem Überquellen von Klebemittel aus der Nut führen. Dies würde nach dem Aushärten eine Art Abstandhalter um die Nut herum bilden. Die Kanalplatten wären geringfügig voneinander beabstandet. Dies würde zu einer erheblichen und im Hinblick auf die typischer Weise recht hohen Stromstärken in Brennstoffzellstapeln unerwünschten Erhöhung des elektrischen Widerstandes zwischen den Kanalplatten führen. Selbst bei optimal reproduzierbarer Dosierung kann eine faktische Überdosierung des Klebemittels durch Fertigungstoleranzen der Nuten und Vorsprünge verursacht werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gattungsgemäßen Bipolarseparator, derart weiterzubilden, dass weitgehend materialunabhängig eine zuverlässige Verbindung der Kanallatten ohne Verschlechterung des Kontaktwiderstandes ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Kanalplatten im Eingriffsbereich des Vorsprungs in die Nut miteinander verklebt sind und die Nut in ihrem Randbereich eine Erweiterung zur Aufnahme überschüssigen Klebemittels aufweist, wobei wenigstens eine der Kanalplatten in ihrer der jeweils anderen Kanalplatte zugewandten Plattenfläche ein wenigstens teilweise offenes Kühlmittel-Kanalsystem zur Leitung eines Kühlmittels aufweist.
Dieser Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Kanalplatten zwar im Bereich der Nuten und korrespondierenden Vorsprünge miteinander zu verkleben, dabei aber zu verhindern, dass beim Zusammenfügen der Kanalplatten überschüssiges Klebemittel zwischen die Plattenflächen der Kanalplatten gepresst wird. Hierzu ist der erweiterte Nutrand vorgesehen, in welchem überschüssiges Klebemittel aufgenommen werden kann.
Günstigerweise wird ein elektronisch leitfähiges Klebemittel verwendet, d. h. ein Klebemittel, das in der Lage ist, die bei der katalytischen Reaktion freiwerdenden Elektronen zu leiten. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass es, wie oben erwähnt, eine wesentliche Aufgabe der Bipolarseparatoren ist, den in den Elementarzellen erzeugten elektrischen Strom abzuleiten. Da hier große Stromstärken auftreten können, ist eine möglichst weitgehende Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen den Kanalplatten, aus welchen der Bipolarseparator aufgebaut ist, wünschenswert.
Der Kontaktwiderstand zwischen den Kanalplatten kann reduziert werden, indem die Klebefläche, d. h. die mit Klebemittel benetzte Fläche, weitestmöglich reduziert wird. Eine untere Grenze ist dabei selbstverständlich die zur Aufbringung der erforderlichen Haftkraft notwendige Klebefläche. Die Verklebung erfolgt bevorzugt an dichtungsrelevanten Stellen. Die Verklebung erfolgt ringförmig um die Durchbrüche, die zur Leitung eines Mediums durch die Kanalplatten vorgesehen sind. Dabei ist die Öffnung eines Durchbruchs in der der anderen Kanalplatte zugewandeten Plattenfläche einer Kanalplatte von einer ringförmigen Nut umgeben, in welche ein entsprechender, umlaufender Vorsprung der anderen Kanalplatte eingreift. Hierdurch wird auch die Ausrichtbarkeit der zu verbindenden Kanalplatten verbessert und gleichzeitig die Dichtung des entsprechenden Durchbruchs gewährleistet.
Bei einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bipolarseparators ist vorgesehen, dass eine der Kanalplatten eine das Kühlmittel-Kanalsystem rahmenartig umgebende Nut aufweist, in welche ein umlaufender Vorsprung der anderen Nut eingreift. Diese Maßnahme dient ebenfalls der leichteren Ausrichtbarkeit der einzelnen Kanalplatten zur passgenauen Verbindung und stellt auch eine zusätzliche Dichtungsmaßnahme dar.
Bei allen Ausführungsformen sind die Kanalplatten jeweils im Eingriffsbereich des Vorsprungs in die Nut miteinander verklebt. Dies stellt zum einen eine zusätzliche Dichtungsmaßnahme dar; zum anderen kann die mit Klebemittel benetzte Querschnittsfläche weiter reduziert werden ohne die Haftkraft, welche die beiden Kanalplatten zusammenhält, zu reduzieren. Die Nutwände und die mit ihnen verklebten Außenflächen des korrespondierenden Vorsprungs sind nämlich im Wesentlichen normal zur Hauptebene der Kanalplatten ausgerichtet. Eine elektrische Isolierung dieser Flächen durch ein nicht leitfähiges Klebemittel trägt daher nur geringfügig zur Verringerung des insgesamt leitenden Querschnitts bei. Für die Haftkraft hingegen ist die mit Klebemittel benetzte Gesamtfläche (nicht nur parallel zur Plattenfläche) relevant. Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbindung der Kanalplatten kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen den Kanalplatten im Bereich des Kühlmittel-Kanalsystems eine Zwischenlage eines elastischen, elektronisch leitfähigen Materials derart angeordnet ist, dass sie die beiden Kanalplatten kontaktiert.
Diese Maßnahme dient der weiteren Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen den Kanalplatten. In denjenigen Bereichen, in welchen kein Stoffschluss zwischen den Kanalplatten erfolgt, kann es aufgrund der Rauhigkeit der Kanalplatten-Oberflächen zu erheblichen Kontaktwiderständen kommen. Diese sind, wie oben erläutert, unerwünscht. Die Einlagerung einer elastischen, elektronisch leitfähigen Zwischenlage ist hingegen geeignet, diese Unebenheiten aufgrund ihrer Elastizität auszugleichen und einen optimierten Kontakt zwischen den Kanalplatten herzustellen.
Um zu verhindern, dass die Zwischenlage die rinnenartigen Kanalabschnitte des Kühlmittel-Kanalsystems verlegt und den Kühlmittelfluss hemmt, kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Form der Zwischenlage auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist. Im Bereich der Rinnen kommt nämlich ohnehin kein Kontakt zwischen den Kanalplatten zustande. Die Zwischenlage erfüllt hier also keine leitfähigkeitsrelevante Aufgabe. Es ist daher günstig, die Zwischenlage auf die für den elektrischen Kontakt relevanten Bereich, d. h. die Stege zwischen den und/oder um die Rinnen zu beschränken.
Günstigerweise ist die Zwischenlage ein Gewebe oder Vlies aus Kohlenstoff. Eine solche Zwischenlage erfüllt sowohl die Anforderungen an die Leitfähigkeit wie auch an die Elastizität zur Sicherstellung des Kontaktes.
Da die Dicke der Zwischenlage im Allgemeinen nicht in der Größenordnung der Rauigkeit der zu verbindenden Flächen liegt, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Stege niedriger ausgeführt sind als ein das Kühlmittel-Kanalsystem umgebender Bereich der entsprechenden Kanalplatte. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Zwischenlage als „Abstandshalter" zwischen den Kanalplatten wirkt und einen Kontakt zwischen den Randbereichen der Kanalplatten verhindert.
Umgekehrt kann im Fall, dass nur eine Kanalplatte ein Kühlmittel-Kanalsystem aufweist, vorgesehen sein, dass der entsprechende Bereich der anderen Kanalplatte gegenüber ihrem Randbereich flächig vertieft ist.
Insbesondere im Fall einer Zwischenlage deren Form auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist, kann es weiter vorteilhaft sein, anstelle der vorgenannten flächigen Vertiefung der anderen Kanalplatte vorzusehen, dass die den Stegen entsprechenden Bereich der anderen Kanalplatte vertieft sind. Dies ist auch für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bipolarseparators vorteilhaft, da die in ihrer Form auf die Anordnung der Stege abgestimmte Zwischenlage passgenau in entsprechende Nuten der anderen Kanalplatte eingelegt werden kann. Der elektrische Kontakt erfolgt dann über die Stege, welche in die Nuten eingreifen und die Zwischenlage komprimieren.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen, in denen
1: schematisch den inneren Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarseparatoren darstellt,
2: schematisch eine besonders günstige Ausführungsform der dichtenden Verklebung zweier Kanalplatten zu einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte darstellt,
3: schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bipolarseparators mit Kontaktvlies darstellt.
1 zeigt schematisch und beispielhaft den inneren Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks unter Verwendung erfindungsgemäßer Bipolarseparatoren 10. Jeder Bipolarseparator 10 ist aus zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Kanalplatten 11 und 12 aufgebaut. Zwischen zwei Bipolarseparatoren 10 ist jeweils eine MEAs 20 angeordnet. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Polymermembran 21, die zumindest in ihrem inneren, aktiven Bereich innenleitfähig ist sowie aus beidseitig angebrachten Elektrodenstrukturen 22 und 23. Der konkrete Aufbau der MEAs ist für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, weshalb auf ihn nicht näher eingegangen werden soll.
Im inneren Bereich ihrer Außenflächen weisen die Bipolarseparatoren 10 wenigstens teilweise offene, rinnenartige Kanalstrukturen 18 bzw. 19 auf, durch welche ein Reaktionsgas der jeweils benachbarten Elektrode zugeführt wird.
In 1 nicht erkennbar ist ein weiteres Kanalsystem, welches im inneren jedes Bipolarseparators 10 liegt und das der Zu- und Abfuhr sowie der Verteilung von Kühlmittel dient.
Die Einspeisung von Reaktionsgasen und Kühlmittel von außen kann entweder für jeden Bipolarseparator 10 einzeln oder mittels eines die Bipolarseparatoren 10 und MEAs 20 durchsetzenden Leitungssystems längs der Stack-Achse erfolgen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind zur Einspeisung und Abführung von Kühlmittel externe Leitungen 30a und 30b vorgesehen, welche mit jedem der Bipolarseparatoren verbunden sind, wie durch die Pfeile 31a und 31b angedeutet. Für die Zu- und Abführung von Brenngas sind Leitungen 32a und 32b vorgesehen, welche die, Bipolarseparatoren 10 und MEAs 20 längs der Stack-Achse durchsetzen. Die Verbindung zu den jeweiligen Kanalsystemen auf einer der Außenflächen jedes Bipolarseparators ist in 1 nicht dargestellt. Auf ähnliche Weise ist die Zu- und Ableitung von Oxidansgas mittels der gestrichelt angedeuteten Kanäle 33a und 33b vorgesehen.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus zwei Kanalplatten 11 und 12, im Bereich einer normal zur Plattenfläche ausgerichteten Kanaldurchführung 34. Die Durchführung 34 in der Kanalplatte 11 ist von einem ringförmigen Vorsprung 13 umgeben, welcher beim Zusammenfügen der Kanalplatten 11 und 12 in eine korrespondierende Nut 14 der Kanalplatte 12 eingreift. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Verklebung der Kanalplatten 11 und 12 im Bereich des Eingriffs des Vorsprungs 13 in die Nut 14. Hierzu kann bei der Verklebung Klebemittel in die Nut 14. eingebracht werden, welches die Innenwände der Nut 14 mit den Außenflächen des Vorsprungs 13 stoffschlüssig verbindet. Auf diese Weise wird, im Fall, dass nicht-leitfähiges Klebemittel verwendet wird, nur eine relativ kleine Querschnittsfläche des gesamten Bipolarseparators 10, nämlich nur die dem Nutboden entsprechende Fläche, elektrisch isoliert. Zur Haftkraft zwischen den beiden Kanalplatten 11 und 12 tragen hingegen auch die senkrecht zur Kanalplatten-Hauptebene ausgerichteten Flächen der Nut 14 und des Vorsprungs 13 bei.
Um zu verhindern, dass beim Zusammenfügen der Kanalplatten 11 und 12 überschüssiges Klebemittel zwischen die Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 gepresst wird, ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ein erweiterter Nutrand 15 vorgesehen, in welchem überschüssiges Klebemittel aufgenommen werden kann.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kanalplatten 11 und 12 mit Vorsprung 13 und korrespondierender Nut 14 (ggf. mit erweitertem Nutrand 15) ermöglicht daher auf einfache Weise eine passgenaue und kraftvolle Verbindung der Kanalplatten 11 und 12 bei gleichzeitiger, sicherer Abdichtung der Durchführung 34. Das Nut/Vorsprung-Konzept wurde der Anschaulichkeit halber in 2 lediglich am Beispiel einer eine Kanaldurchführung 34 umgebenden Nut 14 dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass ein vergleichbares Nut/Vorsprung-System ein zwischen den einander zugewandten Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 angeordnetes Kühlmittel-Verteilungssystem (Kanalsystem) rahmenartig umgibt, um es beispielsweise gegen außen angeordnete Kanaldurchführungen (siehe z. B. 1) sowie die Umgebung abzudichten und gleichzeitig festen, stoffschlüssigen Zusammenhalt der Kanalplatten 11 und 12 zu gewährleisten.
3 zeigt schematisch verschiedene Ausführungsformen einer Maßnahme zur Reduzierung der elektronischen Kontaktwiderstände zwischen den Kanalplatten 11 und 12. Allen Ausführungsbeispielen a) bis e) liegt das Konzept zugrunde, zwischen den miteinander verbundenen Kanalplatten eine elektronisch leitfähige, elastische Zwischenlage 40 vorzusehen, die geeignet ist, Unebenheiten und/oder Rauigkeiten der einander zugewandten Plattenflächen der Kanalplatten 11 und 12 zu kompensieren und damit den Kontaktwiderstand zwischen den Kanalplatten 11 und 12 zu reduzieren. Bei allen in 3 gezeigten Ausführungsformen ist lediglich die eine Kanalplatte 11 beidseitig mit einem wenigstens teilweise offenen Kanalsystem 17a bzw. 17b ausgestattet. Die zweite Kanalplatte 12 weist hingegen lediglich auf der der benachbarten MEA zugewandten Fläche eine Kanalstruktur 19 zur Zuführung und Verteilung des entsprechenden Reaktionsgases auf. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass beide Kanalplatten 11 und 12 an ihren einander zugewandten Flächen ein entsprechendes Kanalsystem aufweisen. Insbesondere könnten die Kanalplatten 11 und 12 im Wesentlichen baugleich ausgeführt werden.
3a zeigt eine besonders einfache Ausführungsform, bei der die Zwischenlage 40a, die vorzugsweise aus einem Gewebe oder Vlies aus Kohlenstoff besteht, flächig ausgeführt ist und zwischen die Kanalstruktur 17a und die gegenüberliegende im Wesentlichen glatte Fläche 16a der Kanalplatte 12 gepresst wird. Diese Ausführungsform ist wirksam, kann jedoch unter Umständen den Nachteil haben, dass Fasern der Zwischenlage 40a Gräben der Kanalstruktur 17 verengen oder sogar verlegen.
Dem kann beispielsweise durch eine Ausführungsform gemäß 3b entgegen gewirkt werden. Hierbei ist die Form der Zwischenlage 40b auf die Anordnung der Stege der Kanalstruktur 17a abgestimmt. Im Bereich der Gräben, wo ohnehin kein elektrischer Kontakt zwischen den Kanalplatten 11 und 12 zustande kommt, ist die Zwischenlage nicht erforderlich. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Gräben der Kanalstruktur 17a durch Fasern der Zwischenlage 40b verlegt werden.
Zur passgenaueren Ausführung und leichteren Montage einer derartigen formabgestimmten Zwischenlage 40b kann, wie in 3c dargestellt, vorgesehen sein, dass die Kanalplatte 12 anstelle einer glatten Innenfläche 16a Nuten 16b aufweist, welche den Stegen der Kanalstruktur 17a der Kanalplatte 11 entsprechen. In diese Nuten kann die formabgestimmte Zwischenlage 40b eingelegt werden. Bei der stoffschlüssigen Verbindung der Kanalplatten greifen die Stege der Kanalstruktur 17a dann über die Zwischenlage 40b in die Nuten 16b ein.
3d zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kanalplatte 12 anstelle der glatten Innenfläche 16a eine flächige Vertiefung 16c aufweist, in welche die Zwischenlage 40a passgenau eingelegt werden kann. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere bei einer flächigen Zwischenlage 40a an, kann aber selbstverständlich auch für eine formabgestimmte Zwischenlage 40b verwendet werden.
3e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Stege der Kanalstruktur 17b in deren Innenbereich gegenüber dem Außenbereich geringfügig vertieft sind. Das Beispiel von 3e stellt damit eine Komplementärform des Beispiels von 3d dar. Die Ausführungsform von 3e bietet sich insbesondere bei Verwendung einer formabgestimmten Zwischenlage 40b an.
Natürlich stellen die im Rahmen der speziellen Beschreibung und der Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen lediglich illustrative Beispiele der Erfindung dar. Insbesondere die spezielle Ausgestaltung der Kanalstrukturen, die Zu- und Ableitung von Kühlmittel und/oder Reaktionsgasen sowie der sonstige Aufbau des Brennstoffzellen-Stacks können vom Fachmann für die Bedürfnisse des Einzelfalls angepasst werden. Hinsichtlich der Materialwahl für den eingesetzten Klebstoff hat der Fachmann ein breites Spektrum zur Verfügung.

Claims

Bipolarseparator zur elektronisch leitfähigen, gas- und flüssigkeitsdichten Trennung einer ersten Membran-Elektroden-Einheit, MEA, von einer zweiten, der ersten benachbarten MEA eines Brennstoffzellenstapels, umfassend – eine erste Kanalplatte (11) mit einer ersten, der ersten MEA zugewandten Plattenfläche, die ein wenigstens teilweise offenes Brenngas-Kanalsystem (18) zur Versorgung der ersten MEA mit einem Brenngas aufweist, und – eine zweite, der ersten Kanalplatte (11) benachbarten Kanalplatte (12) mit einer zweiten, der zweiten MEA zugewandten Plattenflächg, die ein wenigstens teilweise offenes Oxidans-Kanalsystem (19) zur Versorgung der zweiten MEA mit einem Oxidansgas aufweist, wobei die Kanalplatten (11, 12) miteinander korrespondierende Durchbrüche (34) zur Leitung eines Mediums normal zu ihrer Hauptebene aufweisen und die Öffnung eines Durchbruchs (34) in der der anderen Kanalplatte (11) zugewandten Plattenfläche einer Kanalplatte (12) von einer ringförmigen Nut (14) umgeben ist, in welche unter stoffschlüssiger Verbindung ein entsprechender, umlaufender Vorsprung (13) der anderen Kanalplatte eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) im Eingriffsbereich des Vorsprungs (13) in die Nut (14) miteinander verklebt sind und die Nut (14) in ihrem Randbereich eine Erweiterung (15) zur Aufnahme überschüssigen Klebemittels aufweist, wobei wenigstens eine der Kanalplatten (11, 12) in ihrer der jeweils anderen Kanalplatte (12, 11) zugewandten Plattenfläche ein wenigstens teilweise offenes Kühlmittel-Kanalsystem (17a; 17b) zur Leitung eines, Kühlmittels aufweist.
Bipolarseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kanalplatten (11) eine das Kühlmittel-Kanalsystem (17a, 17b) rahmenartig umgebende Nut aufweist, in welche ein umlaufender Vorsprung der anderen Kanalplatte eingreift.
Bipolarseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatten (11, 12) mittels eines elektronisch leitfähigen Klebemittels verklebt sind.
Bipolarseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise offene Kühlmittel-Kanalsystem rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege umfasst und die Kanalplatten (11, 12) im Bereich der Stege verklebt sind.
Bipolarseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den stoffschlüssig miteinander verbundenen Kanalplatten (11, 12) im Bereich des Kühlmittel-Kanalsystems (17a, 17b) eine Zwischenlage (40a; 40b) eines elastischen, elektronisch leitfähigen Materials derart angeordnet ist, dass sie beide Kanalplatten (11, 12) kontaktiert.
Bipolarseparator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise offene Kühlmittel-Kanalsystem (17a; 17b) rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege umfasst und die Form der Zwischenlage (40b) auf die Anordnung der Stege abgestimmt ist.
Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (40a; 40b) ein Gewebe, Papier oder Vlies aus Kohlenstoff umfasst.
Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens teilweise offene Kühlmittel-Kanalsystem (17b) rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege umfasst und die Stege niedriger ausgeführt sind als ein das Kühlmittel-Kanalsystem (17b) umgebender Bereich der entsprechenden Kanalplatte (11).
Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Kanalplatte (11) ein Kühlmittel-Kanalsystem (17a) aufweist und der entsprechende Bereich (16c) der anderen Kanalplatte (12) gegenüber ihrem Randbereich flächig vertieft ist.
Bipolarseparator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Kanalplatte (11) ein Kühlmittel-Kanalsystem (17a), umfassend rinnenartige Kanalabschnitte und diese begrenzende Stege, aufweist und die den Stegen entsprechenden Bereiche (16b) der anderen Kanalplatte gegenüber ihrem Randbereich vertieft sind.