Titel:

Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte, insbesondere eine Monopolarplatte oder eine Bipolarplatte, für einen Brennstoffzellenstapel. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen Separatorplatte. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte, insbesondere einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte.

Stand der Technik

Ein Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, umfasst in der Regel eine Vielzahl an Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Zur Versorgung der Einzelzellen mit den jeweiligen Reaktanten, in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff, erstrecken sich durch den Stapel mehrere Versorgungskanäle. Darüber hinaus sind weitere Kanäle vorgesehen, beispielsweise zum Ableiten von Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt. Zwischen den Einzelzellen sind Separatorplatten angeordnet, die in der Regel aus zwei Monopolarplatten bestehen, die gemeinsam eine Bipolarplatte ausbilden. Die beiden Monopolarplatten sind hierzu üblicherweise verschweißt. Ein zwischen den beiden Monopolarplatten verbleibender Hohlraum dient der Zirkulation eines Kühlmittels zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels.

Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels kann die Zellspannung der Einzelzellen mit Hilfe einer Zellspannungsüberwachungseinrichtung (engl.: „Cell Voltage Monitoring“ = CVM) überwacht werden. Die Verbindung der Zellspannungsüberwa- chungseinrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel erfolgt üblicherweise mittels Steckverbinder mit mehreren Steckkontakten, die in entsprechende seitliche Öff- nungen des Brennstoffzellenstapels eingesteckt werden. Jeder zu überwachenden Einzelzelle ist dabei ein Steckkontakt zugeordnet. Beim Einstecken der Steckkontakte in die Öffnungen kann es aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen dazu kommen, dass ein Steckkontakt neben eine Öffnung zwischen zwei Brennstoffzellen eingeführt wird und somit die beiden Brennstoffzellen kurzschließt. Dies führt bei einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels zu einer schädigenden Temperaturentwicklung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindung einer Einrichtung zur Zellspannungsüberwachung mit einem Brennstoffzellenstapel zu vereinfachen, um die Prozessrobustheit und die Qualität bzw. die Ausbringung zu erhöhen.

Zur Lösung der Aufgabe werden die Separatorplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie das Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagene Separatorplatte, wobei es sich insbesondere um eine Monopolarplatte oder eine Bipolarplatte handeln kann, umfasst einen seitlichen Anschlussbereich mit einem Anschlusselement, das zur Ausbildung eines Einführkonus für einen Steckkontakt einer Einrichtung zur Zellspannungsüberwachung zumindest abschnittsweise konisch geformt ist.

Beim Verbinden des Steckkontakts mit dem Anschlusselement erleichtert der Einführkonus das Einsetzen des Steckkontakts. Denn über den Einführkonus, der sich nach außen hin öffnet bzw. sich in Richtung der Separatorplatte verengt, werden eine Führung sowie eine Zentrierung des Steckkontakts erreicht. Selbst bei ungenauer Platzierung gelangt der Steckkontakt nicht neben das Anschlusselement und damit zwischen zwei Brennstoffzellen, sondern in den Einführkonus des Anschlusselements. Beim weiteren Einführen des Steckkontakts wird dieser über die sich verengenden Seitenwände des Einführkonus dann zentriert. Der Einführkonus des Anschlusselements stellt sicher, dass richtungsunabhängig sämtliche Positionsungenauigkeiten aufgefangen werden können. Auf Basis der zu erwartenden Toleranzen und/oder der maximal tolerierbaren Positionsungenauigkeiten kann die genaue Geometrie des Einführkonus bestimmt werden.

Das Anschlusselement der erfindungsgemäßen Separatorplatte definiert einen seitlichen Anschlussbereich, insbesondere für den Anschluss einer Zellspan- nungsüberwachungseinrichtung. Da der Anschluss erst nach Fertigstellung des Brennstoffzellenstapels erfolgt, muss der Anschlussbereich derart angeordnet sein, dass er von außen zugänglich bleibt. Der seitliche Anschlussbereich befindet sich daher an einer Seite der Separatorplatte, wobei es sich sowohl um eine Längsseite als auch um eine Querseite handeln kann.

Abhängig davon, ob die Separatorplatte eine Monopolarplatte oder eine Bipolarplatte ist, kann das Anschlusselement in der Ebene einer Monopolarplatte oder zwischen zwei Monopolarplatten zu liegen kommen. Die zwei Monopolarplatten mit zwischenliegendem Anschlusselement bilden in diesem Fall eine Bipolarplatte aus. Darüber hinaus kann aber auch eine erfindungsgemäße Monopolarplatte mit einem Anschlusselement, das in der Ebene der Monopolarplatte angeordnet ist, mit einer weiteren herkömmlichen weiteren Monopolarplatte ebenfalls eine Bipolarplatte ausbilden.

Hieraus ergeben sich unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Separatorplatte, auf die nachstehend eingegangen wird.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Separatorplatte einen seitlich vorstehenden Anschlusspin zur Aufnahme des Anschlusselements auf. Die Separatorplatte ist in diesem Fall eine Monopolarplatte mit einem seitlich vorstehenden Anschlusspin oder eine Bipolarplatte mit einer entsprechend ausgebildeten Monopolarplatte. Da Monopolarplatten üblicherweise in einem Stanzprozess hergestellt werden, kann der Anschlusspin gleich beim Stanzen der Monopolarplatte mit vorgesehen werden. Zu einem späteren Zeitpunkt kann dann das Anschlusselement mit dem Anschlusspin verbunden werden. Hierzu kann beispielsweise der Anschlusspin mit Kunststoff umspritzt werden, wobei gleichzeitig der Einführkonus des Anschlusselements ausgebildet wird. Das Umspritzen des Anschlusspins mit Kunststoff kann mit der Ausbildung einer Dichtung zwischen zwei Monopolarplatten kombiniert werden, so dass kein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Anschlusselement einen Anschlusspin zur Verbindung mit der Separatorplatte auf. Der Anschlusspin ist demnach Teil des Anschlusselements und nicht Teil der Separatorplatte. Die Separatorplatte kann in diesem Fall eine Monopolarplatte oder eine aus zwei Monopolarplatten bestehende Bipolarplatte sein. Sofern die Separatorplatte eine Monopolarplatte ist, kann diese mit einer herkömmlichen weiteren Monopolarplatte zu einer Bipolarplatte verbunden werden. Die Ausbildung des Anschlusselements mit einem Anschlusspin besitzt den Vorteil, dass das Anschlusselement in einfacher Weise mit mindestens einer Monopolarplatte verbunden werden kann, wobei die Verbindung insbesondere eine Schweißverbindung sein kann. Da üblicherweise zwei Monopolarplatten zu einer Bipolarplatte verschweißt werden, kann bei diesem Vorgang zugleich das Anschlusselement mit der mindestens einen Monopolarplatte bzw. Bipolarplatte verbunden werden. Der Anschlusspin des Anschlusselements kann hierzu zwischen die beiden Monopolarplatten eingelegt werden, so dass der Einführkonus des Anschlusselements übersteht. Beim anschließenden Verschweißen der beiden Monopolarplatten wird das Anschlusselement dann lagefixiert.

Vorteilhafterweise ist der Einführkonus aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen, Polyethylen oder Polyacryl, gefertigt. Über den Einführkonus kann auf diese Weise zugleich eine elektrische Abschirmung des aufzunehmenden Steckkontakts erreicht werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Steckkontakt nicht die vorgegebene Endposition erreicht bzw. nicht richtig eingesteckt ist. Über die elektrische Abschirmung kann dann ein Kurzschluss sicher vermieden werden. Thermoplastische Kunststoffe eignen sich insbesondere zum Umspritzen.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Einführkonus aus einer Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid, gefertigt ist. In dieser Ausführungsform wird ebenfalls eine elektrische Abschirmung erreicht. Zur Herstellung des Einführkonus aus Keramik kann ein CI M- Verfahren gewählt werden, wobei „CIM“ für „Ceramic Injection Molding“ steht. Der zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen sowie mindestens eine erfindungsgemäße Separatorplatte, die zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet ist, so dass der Einführkonus des Anschlusselements der Separatorplatte seitlich über den Brennstoffzellenstapel vorsteht. Der Einführkonus ist somit gut zugänglich, so dass in einfacher Weise ein Steckkontakt einer Zellspannungsüberwa- chungseinrichtung einführbar ist, um diese mit dem Brennstoffzellenstapel zu verbinden. Der Einführkonus verhindert ein Kurzschließen der beiden angrenzenden Brennstoffzellen. Zugleich kann eine elektrische Abschirmung des Steckkontakts erzielt werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Brennstoffzellenstapel mehrere erfindungsgemäße Separatorplatten umfasst und die Einführkonen der mehreren Separatorplatten auf der gleichen Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, und zwar vorzugsweise versetzt zueinander. Durch die gleichseitige Anordnung kann ein Steckverbinder mit mehreren Steckkontakten zur Verbindung der Zellspannungsüberwachungseinrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel genutzt werden. Die versetzte Anordnung besitzt den Vorteil, dass ausreichend Raum für die Anordnung der Einführkonen vorhanden ist.

Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte, insbesondere einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, für einen Brennstoffzellenstapel, vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird an der Separatorplatte in einem seitlichen Anschlussbereich ein Anschlusselement ausgebildet, das zur Ausbildung eines Einführkonus für einen Steckkontakt einer Einrichtung zur Zellspannungsüberwachung zumindest abschnittsweise konisch geformt ist. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann eine erfindungsgemäße Separatorplatte hergestellt werden, so dass mit Hilfe des Verfahrens die gleichen, zuvor in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Separatorplatte erwähnten Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann mit Hilfe des Einführkonus des Anschlusselements die Verbindung der Separatorplatte mit einem Steckkontakt vereinfacht werden. In Abhängigkeit vom Material des Einführkonus kann zudem eine elektrische Abschirmung des Steckkontakts erzielt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Separatorplatte in einem Stanzprozess hergestellt. Bei der Separatorplatte handelt es sich in diesem Fall um eine Monopolarplatte. Beim Stanzen der Monopolarplatte wird dann ein seitlich vorstehender Anschlusspin ausgebildet, der zur Ausbildung des Einführkonus mit Kunststoff umspritzt wird. Das Umspritzen kann in einem Vorgang mit dem Anspritzen einer Dichtung realisiert werden, so dass kein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist. Die derart hergestellte Monopolarplatte kann anschließend mit einer herkömmlichen Monopolarplatte zu einer Bipolarplatte verbunden werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Anschlusselement separat hergestellt und anschließend mit der Separatorplatte verschweißt. Die Schweißverbindung kann insbesondere über einen Anschlusspin des Anschlusselements hergestellt werden. Beispielsweise kann der Anschlusspin des Anschlusselements zwischen zwei Monopolarplatten eingelegt werden, die anschließend zur Herstellung einer Bipolarplatte verschweißt werden, wobei zugleich der das Anschlusselement lagefixiert wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Separatorplatte und einem Steckverbinder, vor der Montage des Steckverbinders,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle der Fig. 1, nach der Montage des Steckverbinders,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen gemäß der Fig. 1,

Fig. 4 a) und b) die Herstellung einer erfindungsgemäßen Separatorplatte nach einem ersten Verfahren,

Fig. 5 a) und b) die Herstellung einer erfindungsgemäßen Separatorplatte nach einem zweiten Verfahren, Fig. 6 a) und b) jeweils perspektivische Darstellungen eines Anschlusselements einer erfindungsgemäßen Separatorplatte.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Den Figuren 1 und 2 sind mehrere gestapelte Brennstoffzellen 11 mit zwischenliegenden Separatorplatten in Form von Bipolarplatten 2 zu entnehmen. Jede Bipolarplatte 2 ist aus zwei Monopolarplatten 1 gebildet. Jede Separatorplatte ist mit einem Anschlusselement 4 ausgestattet, das einen Anschlussbereich 3 definiert und einen Einführkonus 5 ausbildet. Die Separatorplatten sind derart angeordnet, dass die Anschlussbereiche 3 auf der gleichen Seite bzw. übereinander zu liegen kommen. Um den Einführkonen 5 der Separatorplatten ausreichend Platz zu verschaffen, sind diese über die Länge des Anschlussbereichs 3 versetzt zueinander angeordnet. Der Versatz entspricht dem Abstand von Steckkontakten 6 eines Steckverbinders 9 zur Verbindung einer Zellspannungsüberwa- chungseinrichtung (nicht dargestellt) mit den Brennstoffzellen 11. Zur Herstellung der Verbindung wird jeweils ein Steckkontakte 6 des Steckverbinders 9 in einen Einführkonus 5 eines Anschlusselementes 4 eingeführt (siehe Fig. 2).

Der Fig. 3 ist ein Brennstoffzellenstapel 10 mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen 11 mit zwischenliegenden Separatorplatten zu entnehmen. Jede Separatorplatte bzw. Bipolarplatte 2 weist ein Anschlusselement 4 mit einem Einführkonus 5 auf. Da der Anschlussbereich 3 eine vorgegebene Länge aufweist, ist die Anzahl der versetzt nebeneinander liegenden Einführkonen 5 begrenzt. Ist das Ende erreicht, wird erneut von vorn angefangen. Auf diese Weise kommen mehrere Einführkonen 5 neben- und untereinander zu liegen. Das heißt, dass mehrere Steckverbinder 9 platzsparend parallel ausgerichtet werden können.

Die Herstellung der Anschlusselemente 4 kann auf verschiedene Art bei der Herstellung der Separatorplatte erfolgen. Beispiele sind in den Figuren 4a und 4b sowie in den Figuren 5a und 5b dargestellt.

Gemäß den Figuren 4a und 4b können die Anschlusselemente 4 vorgefertigt und beim Verbinden zweier Monopolarplatten 1 zu einer Bipolarplatte 2 mit dieser verbunden, insbesondere verschweißt, werden. Die Schweißverbindung kann beispielsweise mit Hilfe eines Lasers 12 hergestellt werden (siehe Fig. 4b). Das Anschlusselement 4 weist hierzu idealerweise neben dem Einführkonus 5 einen Anschlusspin 8 auf (siehe auch Figuren 6a und 6b). Der Anschlusspin 8 wird zwischen die beiden Monopolarplatten 1 eingelegt (siehe Fig. 4a) und anschließend mit diesen zu einer Bipolarplatte 2 verschweißt, so dass der Einführkonus 5 nach außen übersteht (siehe Fig. 4b).

Gemäß den Figuren 5a und 5b wird beim Stanzen einer Monopolarplatte 1 ein seitlich vorstehender Anschlusspin 7 ausgebildet (siehe Fig. 5a), der anschließend zur Ausbildung des Einführkonus 5 mit Kunststoff umspritzt wird (siehe Fig. 5b). Die derart ausgebildete Monopolarplatte 1 kann mit einer herkömmlichen weiteren Monopolarplatte 1 zu einer Bipolarplatte 2 verbunden werden. Das Umspritzen des Anschlusspins 7 mit Kunststoff zur Ausbildung des Einführkonus 5 kann zeitgleich mit dem Anspritzen einer Dichtung (nicht dargestellt) zwischen zwei Monopolarplatten 1 zur Herstellung einer Bipolarplatte 2 erfolgen.

In den Figuren 6a und 6b ist beispielhaft ein Anschlusselement 4 für eine erfindungsgemäße Separatorplatte dargestellt. Das Anschlusselement 4 umfasst einen Anschlusspin 8 sowie einen Einführkonus 5. Der Einführkonus 5 kann insbesondere angeformt, beispielsweise angespritzt, sein. Wie die Figuren 6a und 6b zeigen, muss der Einführkonus nicht zwingend einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt kann beispielsweise auch elliptisch sein. Auf diese Weise kann mehr Raum für die Anordnung von weiteren Einführkonen 5 geschaffen werden.