BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel.

Brennstoffzellen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membranelektrodenanordnung, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseits an der Membran angeordneten Elektrode ist, nämlich einer Anode und Kathode. Zudem können Gasdiffusionslagen beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Für eine Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden.

Im Betrieb wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H ⁺ unter Abgabe von Elektronen e- stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H ⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O ² ’ unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit

Die Mehrzahl von Brennstoffzellen für einen Brennstoffzellenstapel werden im Allgemeinen mithilfe von einer Spannvorrichtung mit einer Kraft im Bereich von mehreren 10.000 N verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten zu vermeiden. Für diesen Aufbau des Brennstoffzellenstapels müssen die einzelnen Brennstoffzellen ausgerichtet und zentriert werden, um Toleranzen in der Zellreihe zu minimieren, wozu die Brennstoffzellen an Anschlägen ausgerichtet werden, an denen Strukturen an den Brennstoffzellen als Gegenanschläge angelegt werden. Die Figur 7 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung, bei der die Membranelektrodenanordnung für die Ausbildung des Gegenanschlags in Richtung des Randes der Bipolarplatte zurück gezogen ist. In dem Bereich des Gegenanschlages ist damit ein Überstand der Membranelektrodenanordnung nicht möglich, der für eine elektrische Isolation in den übrigen Bereichen vorgesehen ist. Im Bereich des Gegenanschlages ist die Isolation nur über den Abstand der Brennstoffzellen gewährleistet. Schon eine leichte Deformation der Bipolarplatte kann zu einer Überbrückung des Abstandes führen, was in einem Kurzschluss resultiert und damit einem Stapelschaden.

Die DE 10 2016 202 481 A1 beschreibt einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, bei dem eine elektrische Isolierung der Bipolarplatten über die Membranelektrodenanordnung erfolgt. Ausschließlich in einem verpressten Zustand reicht das Dichtungsmaterial der Membranelektrodenanordnung über den Randbereich der Bipolarplatte hinaus und fungiert als elektrische Isolierung. Die DE 10 2016 206 140 A1 offenbart Bipolarplatten in einem Brennstoffzellenstapel, denen als Zentrierelement ein umlaufender Rand zugeordnet ist, der die Bipolarplatte namensgebend randseitig umgreift. Die GB 2511930 A zeigt eine Bipolarplatte mit einem zwischen die Einzelplatten eingelegten Rahmen, der an den beiden Längsrändern, ohne eine Zentrierungsfunktion, über die Einzelplatten bereichsweise vorsteht. Bipolarplatten mit einem elektrisch isolierenden Rahmen sind auch gezeigt in der DE 102 61 482 A1 und DE 20 2017 107 797 U1.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit verbesserter elektrischer Isolation bereit zu stellen. Aufgabe ist weiterhin eine verbesserte Brennstoffzelle und einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Isolationskörper eine sichere elektrische Isolation der Bauteile erreicht wird, wobei die elektrische Isolation über die Bipolarplatte selbst erfolgt. Diese elektrische Isolation wird auch aufrechterhalten, wenn die Bauteile während des Stapelprozesses leicht deformiert werden. Da die Entwicklung zu immer dünneren Ausgangsmatenalien der Bipolarplatte tendiert, ist die bestehende elektrische Isolation selbst bei Deformationen besonders vorteilhaft. Weiterhin ist für die elektrische Isolierung keine Verpressung notwendig.

Auch ist es vorteilhaft, dass jeder Isolationskörper in Form von lokalen Einlegern in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist. Dadurch kommt es zu geringeren Materialkosten, Bauraumbedarf und Gewicht, wobei weiterhin eine ausreichende elektrische Isolation gegeben ist, um Stapelschäden zu vermeiden.

Auch ist es vorteilhaft, dass die lokalen Einleger zusammengefasst sind zu einem formschlüssig an dem Umfang angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen und durch an einem Plattenkörper geprägte Nuten ausgerichtet ist. Durch die geprägten Nuten wird der elektrisch isolierende Rahmen zusätzlich in der dafür vorgesehenen Position gehalten. Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Isolationskörper als ein Spritzteil angespritzt ist. So ist es möglich, dass der Isolationskörper im selben Prozessschritt wie die Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt wird. Ebenfalls ist es denkbar, dass der Isolationskörper aus dem gleichen Material wie die Dichtung besteht. Es ist auch vorteilhaft, dass der Isolationskörper aus einem harten Material gebildet ist. Durch das harte Material ist eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit bei der Zentrierung gegeben.

Der Isolationskörper ist dauerhaft mit der Bipolarplatte verbunden, wodurch eine sichere Isolation der Bauteile, insbesondere im Zentrierungsbereich, erreicht wird und auch weiterhin bestehen bleibt, wenn die Bauteile deformiert werden. So wird die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses und einem daraus resultierenden Stapelschadens minimiert.

Auch ist es möglich, dass der Isolationskörper durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gebildet ist.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten.

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. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte und eines Rahmens vor der Montage,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit einem formschlüssig eingelegten Rahmen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Querschnitts der formschlüssigen Verbindung der Bipolarplatte mit einem Rahmen, entsprechend dem Schnitt Ill-Ill aus Figur 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit lokalen Einlegern,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit einer angespritzten Dichtung und einem angespritzten Isolationskörper,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Bipolarplatte mit angespritzter Dichtung und angespritzten Isolationskörper, und

Fig. 7 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzelle mit einem fehlenden Überstand der Membranelektrodenanordnung im Bereich des Gegenanschlages.

Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zusammen eine Membranelektrodenanordnung bilden. Die Membran ist aus einem Ionomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluo- rethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocar- bon-Membran gebildet sein.

Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolyt- membranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H ⁺ ) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 4H ⁺ + 4e ^_ (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2

Dem Brennstoffzellenstapel wird über eine Kathodenfrischgasleitung durch einen Verdichter komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenabgasleitung verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel in einem Wasserstofftank bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 2 übergeben, die für die Verteilung der Gase an die Membran und der Ausleitung Hauptkanäle (Ports) aufweisen. Zusätzlich weisen die Bipolarplatten 2 Hauptkanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums in einem Kühlmediumkanal auf, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden.

Figur 7 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Gestaltung der Brennstoffzellen, bei denen am Rand der Bipolarplatte 2 und der Membranelektrodenanordnung 1 ein Gegenanschlag bereit gestellt wird für die Zentrierung mittels eines Anschlages. Allerdings muss dafür auf einen Überstand 3 der Membranelektrodenanordnung 1 (oder auch eines dieser zugeordneten Rahmens) über die Bipolarplatte 2 verzichtet werden, so dass in diesem Bereich die elektrische Isolation beeinträchtigt ist und die Wahrscheinlichkeit besteht, dass schon geringe Deformationen zu einem Kurzschluss führen. Daher wird eine Bipolarplatte 2 mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper 6 angeordnet ist, bereitgestellt.

Die Figur 1 zeigt einen elektrisch isolierenden Isolationskörper 6 in Form eines Rahmens 4, der beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt ist, und eine Bipolarplatte 2. Der elektrisch isolierende Rahmen 4 wird während der Fertigung im Randbereich zwischen zwei Halbplatten 8 formschlüssig eingelegt und nachfolgend zusammen mit den Halbplatten 8 zu einer Bipolarplatte 2 wie sie in der Figur 2 dargestellt ist, verbunden, wobei die beiden Halbplatten z.B. verschweißt oder verklebt werden können. Durch an einem Plattenkörper geprägte Nuten 7 wird der elektrisch isolierende Rahmen 4 während des Verschweißens ausgerichtet und durch die geprägten Nuten 7 auch nach dem Verschweißen in der korrekten Position gehalten (Figur 3).

Es ist auch möglich, dass jeder Isolationskörper 6 in Form von lokalen Einlegern 5 in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist (Figur 4). In einer weiteren Ausführungsform ist der Isolationskörper 6 als ein Spritzteil angespritzt. Die Figur 5 zeigt einen rahmenförmigen Isolationskörper 6, der zusammen mit der Dichtung 10 angespritzt wurde. Es ist möglich, dass der Isolationskörper 6 und die Dichtung aus dem gleichen Material gebildet sind und im gleichen Prozessschritt angespritzt werden. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, Nuten in die Bipolarplatte 2 zu prägen (Figur 6). Durch die Härte des Materials ist eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit bei der Zentrierung gegeben. Eine Anspritzung des Isolationskörpers 6 kann sowohl rahmenförmig als auch lokal an den für die Zentrierung notwendigen Bereichen der Bipolarplatte 2 erfolgen.

Weiterhin ist es möglich, dass der Isolationskörper 6 durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gebildet ist.

Alle Ausführungsformen der Isolationskörper 6 sind dauerhaft mit der Bipolarplatte 2 verbunden. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 2 kann in einer in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzelle verbaut werden. Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel zeigen ihre Vorteile insbesondere bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug, da dort besondere me- chanische Belastungen und Erschütterungen vorliegen.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Membranelektrodenanordnung

2 Bipolarplatte 3 Überstand

4 Elektrisch isolierender Rahmen

5 Lokale Einleger

6 Isolationskörper

7 Geprägte Nut 8 Halbplatte

9 Dichtung

10 Angespritzte Dichtung