DE102014206333A1

DE102014206333A1 - Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle mit einer solchen

Info

Publication number: DE102014206333A1
Application number: DE102014206333.7A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Markus Ritter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US20170025690A1; WO2015150533A1; US10374237B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (100) umfassend eine profilierte Anodenplatte (7) und eine profilierte Kathodenplatte (8), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (6) sowie zwei Verteilerbereiche (2) zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu bzw. aus dem aktiven Bereich (6), wobei die Verteilerbereiche (2) jeweils einen Anodengashauptport (3) zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport (4) zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel sowie einen Kühlmittelhauptport (5) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aufweisen, welche entlang einer Seitenkante der Bipolarplatte (1) angeordnet sind, wobei die Platten (7, 8) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte (1) Kanäle (31, 41, 51) für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports (3, 4, 5) mit dem aktivem Bereich (6) verbinden, und wobei die Verteilerbereiche (2) zumindest einen Überschneidungsabschnitt (9, 10) aufweisen, in dem die Kanäle (31, 41, 51) einander nicht fluidverbindend überschneiden, sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen. Es ist vorgesehen, dass der Kathodengashauptport (4) zwischen dem Anodengashauptport (3) und dem Kühlmittelhauptport (5) angeordnet ist und von diesem ausgehend Kathodenkanäle (41) zumindest über den Verteilerbereich (2) der Bipolarplatte (1) geradlinig verlaufen und dass in einem ersten Überschneidungsabschnitt (9) vom Anodengashauptport (3) ausgehende Anodenkanäle (31) und die Kathodenkanäle (41) einander überschneiden und einen Winkel einschließen, der zwischen 0° und 90° beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte umfassend eine profilierte Anodenplatte und eine profilierte Kathodenplatte, jeweils aufweisend zwei Verteilerbereiche zur Leitung von Betriebsmedien mit je einem Anodengashauptport zur Zu- und Abführung von Brennstoff, je einem Kathodengashauptport zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel sowie je einem Kühlmittelhauptgaskanal zur Zu- und Abführung von Kühlmittel, welche entlang einer Seitenkante angeordnet sind, sowie zwischen den Verteilerbereichen einen aktiven Bereich, wobei die Platten derart übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte Kanäle für die Betriebsmedien zwischen Hauptgaskanal und aktivem Bereich aufweist, sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). 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, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2H⁺ + O^2– → H₂O). Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt u. a. aufgrund der gegenüber von Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten aufweist sowie Kühlkanäle zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.
Bipolarplatten sind in unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Grundsätzliche Ziele bei dem Design von Bipolarplatten stellen die Gewichtsreduzierung, die Bauraumreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
US 2005/0058864 A1 ( US 6,974,648 B2 ) und US 2006/0029840 A1 ( US 7,601,452 B2 ) beschreiben Bipolarplatten für Brennstoffzellen, die aus zwei gewellten und ineinander verschachtelten Platten aufgebaut sind. Jede der Platten weist eine Mäanderprofilierung auf, sodass auf beiden Seiten jeweils Rinnen ausgebildet werden, die von wallartigen Erhebungen begrenzt werden. Dabei weisen die beiden Platten unterschiedliche Breiten der ausgebildeten Rinnen beziehungsweise Erhebungen auf. In dem verschachtelten Gefüge der Platten werden geschlossene Kanäle ausgebildet, welche als Kühlkanäle dienen. Die zu beiden Seiten des Gefüges vorhandenen offenen Kanäle (Rinnen) sind im zusammengebauten Brennstoffzellenstapel auf der einen Seite der Anode und auf der anderen Seite der Kathode der benachbarten MEAs zugewandt und dienen ihrer Versorgung mit Luft/Sauerstoff beziehungsweise Brennstoff/Wasserstoff.
Die in WO 03/050905 A2 gezeigte Bipolarplatte weist auf einer Seite durchgehende Vertiefungen zur Ausbildung von Anodenkanälen und auf der anderen Seite durchgehende Vertiefungen zur Ausbildung von Kathodenkanälen auf. Ferner verfügt die Platte über eingeschlossene Kühlmittelkanäle. Sämtliche Kanäle verlaufen parallel zueinander.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte bereitzustellen, deren hydraulischer Querschnitt dahingehend optimiert ist, dass der Druckverlust der Betriebsmedien, reduziert wird. Insbesondere soll die Bipolarplatte ausgebildet sein, eine möglichst homogene Druckverteilung der Betriebsmedien über die Fläche zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, umfassend eine profilierte Anodenplatte und eine profilierte Kathodenplatte, jeweils aufweisend zwei Verteilerbereiche zur Leitung von Betriebsmedien mit je einem Anodengashauptport zur Zu- und Abführung von Brennstoff, je einem Kathodengashauptport zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel sowie je einem Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel, welche entlang einer Seitenkante, also nebeneinander, angeordnet sind, wobei die Platten derart ausgebildet und übereinander positioniert sind, dass die Bipolarplatte Kanäle aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports beider Verteilerbereiche miteinander verbinden. Ferner weisen die Verteilerbereiche zumindest einen Überschneidungsabschnitt auf, in dem die Kanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kathodengashauptport derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle geradlinig über zumindest den Verteilerbereich der Brennstoffzelle verlaufen und dass in einem ersten Überschneidungsabschnitt vom Anodengashauptport ausgehende Anodenkanäle und die Kathodenkanäle einander überschneiden und einen Winkel einschließen, der zwischen 0° und 90° beträgt, also größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Als Port sind vorliegend Öffnungen in der Bipolarplatte zu verstehen, welche in einem Brennstoffzellenstapel Kanäle zur Führung von Betriebsmedien ergeben.
Unter Kanälen werden offene (also rinnenförmige) und/oder geschlossene (also röhrenförmige), Fluid-Verbindungen zum Transport der Betriebsmittel verstanden. Sie können als diskrete Kanäle aber auch als Flussfeld beziehungsweise Strömungsfeld, welches eine Querströmung erlaubt, ausgebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte hat insbesondere den Vorteil, dass aufgrund der Geradlinigkeit der Kathodenkanäle ein Wasseraustrag begünstigt ist und somit eine Verstopfung von Kathodenkanälen infolge einer Wasseransammlung weitestgehend oder vollständig unterbunden wird. Ferner führt die erfindungsgemäße Überschneidung von Anoden- und Kathodenkanälen zu einer im Wesentlichen homogenen Verteilung von Brennstoff und Kühlmittel über den Überschneidungsabschnitt. Dies begünstigt wiederum eine homogene Verteilung des Drucks von Reaktandenfluiden (da diese insbesondere gasförmig vorliegen, werden sie folgend auch als Reaktandengase bezeichnet) innerhalb der Kathodenkanäle über die gesamte Fläche der Bipolarplatte.
Vorliegend wird eine Bipolarplatte in drei Bereiche unterteilt, umfassend zwei Verteilerbereiche und einen aktiven Bereich. Ein erster Verteilerbereich dient dabei der Zuleitung von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte, ein zweiter Verteilerbereich der Ableitung der Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich. Bevorzugt sind beide Verteilerbereiche gleich ausgeführt, insbesondere durch Spiegelsymmetrie, vorzugsweise Rotationssymmetrie ineinander überführbar. In den Verteilerbereichen sind wiederum die Betriebsmittelhauptports, also Anodengashauptport, Kühlmittelhauptport und Kathodengashauptport, angeordnet. Beispielsweise können die Hauptports im Wesentlichen entlang einer Seitenkante, insbesondere einer kurzen Seitenkante der Bipolarplatte, nebeneinander angeordnet sein.
Üblicherweise sind die Betriebsmittelhauptports anhand ihrer Ausbildung, insbesondere ihrer Größenverhältnisse klassifizierbar. So weist sowohl im Stand der Technik als auch in vorliegender Erfindung der Kathodengashauptport von den drei verschiedenen Betriebsmittelhauptports stets die größte lichte Fläche auf, die lichte Fläche des Anodengashauptports ist hingegen zumeist kleiner ausgeführt, als die Flächen von Kathodengashauptport und Kühlmittelhauptport. So ist in vorliegender Erfindung auch im passiven Zustand die Funktion des jeweiligen Betriebsmittelhauptports eindeutig identifizierbar.
Der aktive Bereich, welcher zwischen den beiden Verteilerbereichen angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels dieser Bereich einer Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit gegenüberliegt. Das heißt im aktiven Bereich finden die chemischen Reaktionen statt, welche Grundlage für die Energieerzeugung in einer Brennstoffzelle sind.
Bei den Betriebsmedien handelt es sich vorliegend um Fluide, also flüssig oder gasförmig vorliegende Stoffe, welche durch die jeweiligen Betriebsmittelhauptports über geeignete Zuführungen auf die Platte geführt werden. Dabei handelt es sich um zwei Reaktandenfluide, insbesondere ein Kathodenbetriebsmittel (Oxidationsmittel) und ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff) sowie ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser. Bevorzugt wird Sauerstoff als Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff verwendet.
Erfindungsgemäß verlaufen die Kathodenkanäle einer Bipolarplatte über zumindest den Verteilerbereich geradlinig, beziehungsweise umlenkungsfrei, also ohne Richtungsänderung. Darunter ist vorliegend zu verstehen, dass die Kathodenkanäle in Aufsicht auf die Kathodenplatte keine Kehren aufweisen. Vorzugsweise sind sie parallel zueinander angeordnet. Eine derartige Anordnung findet sich erfindungsgemäß zumindest im Verteilerbereich. Ebenfalls bevorzugt wird diese Anordnung über die gesamte Länge der Bipolarplatte, also auch im aktiven Bereich, fortgeführt. Der geradlinige Verlauf der Kathodenkanäle hat den Vorteil, dass eine Wasseransammlung und eine damit einhergehende Verstopfung der Kathodenkanäle durch eine Verbesserung des hydraulischen Querschnitts im gesamten Kathodenkanalbereich verhindert werden. Ferner können erfindungsgemäße Bipolarplatten mit Niederdruckstrategie, also einem Betriebsmitteldruck von kleiner 2 bar, betrieben werden.
Besonders bevorzugt ist der Kathodengashauptport zwischen Anodengashauptport und Kühlmittelhauptport angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht in einfacher Weise, dass die Kathodenkanäle über den gesamten Bereich der Bipolarplatte geradlinig verlaufen.
Die Anodenkanäle sind erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sie sich über die gesamte Breite eines Kathodenflussfeldes erstrecken, wobei das Kathodenflussfeld der Summe aller Kathodenkanäle entspricht. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Brennstoff dem Flussfeld über die gesamte Breite mit einem im Wesentlichen gleichen Anfangsdruck zugeführt wird und nicht, wie bei herkömmlichem Aufbau einer Bipolarplatte, bereits im Verteilerbereich eine inhomogene Druckverteilung des Brennstoffs erzeugt wird.
Mit besonderem Vorteil beträgt der Winkel zwischen Anodenkanälen und Kathodenkanälen im ersten Überschneidungsabschnitt von 10° bis 60°. Hierdurch wird erreicht, dass der Längenunterschied der Anodenkanäle innerhalb eines Verteilerbereichs möglichst gering ist.
Die Länge der Anodenkanäle kann bei gleichem Winkel zwischen Kathodenkanälen und Anodenkanälen ferner durch die Anordnung des Anodengashauptports innerhalb des Verteilerbereichs beeinflusst werden. Da es bereits beim Transport des Brennstoffs in den Kanälen zu Druckverlusten kommt, führt eine Reduzierung der Längenunterschiede der Anodenkanäle wiederum zu einer homogeneren Druckverteilung des Brennstoffs im Flussfeld.
Der Vorteil einer homogenen Druckverteilung, insbesondere über die Breite der Bipolarplatte, kann dadurch verstärkt werden, dass sich der Kathodengashauptport über die Breite aller Kathodenkanäle erstreckt. Zudem ist in einer Ausgestaltungsform der Erfindung besonders bevorzugt, dass eine Breite der Bipolarplatte im aktiven Bereich geringer ist als im Verteilerbereich. Insbesondere entspricht die Breite der Platte im aktiven Bereich im Wesentlichen der Breite des Flussfeldes.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels zumindest in einem Teilabschnitt des Überschneidungsbereichs quer zu den Kathodenkanälen verläuft. Dies hat den Vorteil, dass das Kühlmittel über die gesamte Breite aller Kathodenkanäle gleichmäßig verteilt wird. Insbesondere werden die äußeren Ränder, also ein erster und ein letzter Kathodenkanal, mit Kühlmittel beaufschlagt, welches nahezu den gleichen Druck sowie die gleiche Temperatur aufweist.
Unter Hauptströmungsrichtung ist dabei die Strömungsrichtung des überwiegenden Teils des Kühlmittels zu verstehen. Diese wird zum einen durch den Impuls und die Trägheit des Wassers bestimmt, kann zum anderen aber durch Widerstände, beispielsweise Querstege in der Kanalstruktur, verändert bzw. umgeleitet werden.
Hierzu ist der Kühlmittelhauptport im Verteilerbereich benachbart zu dem Kathodengashauptport angeordnet. Insbesondere ist er außerhalb einer gedachten Verlängerung des aktiven Bereichs innerhalb des Verteilerbereichs angeordnet. Mit anderen Worten liegt der Kühlmittelhauptport bevorzugt in einem Teil des Verteilerbereichs, welcher außerhalb der Breite des aktiven Bereiches liegt.
Ausgehend vom Kühlmittelhauptport verlaufen parallel zueinander angeordnete Kühlmittelkanäle zum Transport von Kühlmittel in dieser Ausgestaltung zunächst parallel zu den Kathodenkanälen. Anschließend werden die Kühlmittelkanäle mit bogenförmigem Verlauf in einem Winkel von 75° bis 95°, bevorzugt in einem Winkel von 90°, in Richtung der Kathodenkanäle geführt. Die Kühlmittelkanäle sind vorzugsweise über die gesamte Bipolarplatte als geschlossene, zwischen den beiden Platten verlaufende Kanäle ausgebildet. Zwischen den Kühlmittelhauptports und dem Überschneidungsbereich sind die Kühlmittelkanäle vorzugsweise durch Rinnen einer der Platten, vorzugsweise der Anodenplatte, ausgebildet, die in Richtung ihrer Außenfläche ausgeprägt sind. Mit Übergang in einen ersten Überschneidungsabschnitt ergeben sich die Kühlmittelkanäle aus der negativen Struktur der Kathoden- und Anodenkanäle, nämlich aus der wellenförmigen Struktur auf der einer Elektrodenseite abgewandten Seite der Kathoden- und Anodenplatte und verlaufen somit parallel zu diesen (siehe 4).
Die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels folgt der Struktur der Kühlmittelkanäle und ist somit in dem zweiten Überschneidungsabschnitt, an dem Kühlmittelkanäle und Kathodenkanäle in Aufsicht auf die Platte einander überschneiden, quer zu den Kathodenkanälen ausgerichtet.
Mit Vorteil überschneiden in einem zweiten Überschneidungsabschnitt des Verteilerbereichs, die Kathodenkanäle und die Kühlmittelkanäle einander nicht fluidverbindend und verlaufen in einem Winkel von 75° bis 100°, vorzugsweise orthogonal, zueinander. Dadurch wird die quer zu den Kathodenkanälen verlaufende Hauptströmung des Kühlmittels über die Breite des Kathodenflussfeldes fortgeführt. Dies wird bevorzugt durch vom Kühlmittelhauptport ausgehende Kühlmittelkanäle im Profil der Anodenplatte erzielt. In dem zweiten Überschneidungsabschnitt verläuft das Kühlmittel somit zum einen in quer zu den Kathodenkanälen verlaufenden Kühlmittelkanälen, zum andern wird es durch die Überschneidung der Kanäle auf der Kühlmittelseite der Kathodenplatte in den Stegen der Kathodenkanäle geführt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Überschneidungsabschnitt ferner die vom Kühlmittelhauptport ausgehenden Kühlmittelkanäle mit den Kathodenkanälen und den Anodenkanälen überschneiden. Die Überschneidung der drei Betriebsmittelkanäle wird bevorzugt dadurch erzielt, dass das wellenförmige Profil der Anodenplatte zur Führung von Kühlmittel im ersten Überschneidungsabschnitt in die Kühlmittelkanäle übergeht, welche kühlmittelseitig aus den Kanalstegen der Anoden- und Kathodenkanäle ausgebildet werden.
Somit ist in einer Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass die Kühlmittelkanäle in dem zweiten Überschneidungsabschnitt als anodenseitig ausgeprägte Kanäle ausgebildet sind und in dem ersten Überschneidungsabschnitt als anoden- und kathodenseitig zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte verlaufende Kanäle ausgebildet sind. Durch diese Anordnung kann die Höhe der Kühlmittelkanäle unter Optimierung des hydraulischen Querschnitts (also Reduzierung der Strömungswiderstände) vergrößert werden. Zudem wird der Übergang der Kanalstruktur im Verteilerbereich zu der im aktiven Bereich erleichtert.
Mit Vorteil ist somit vorgesehen, dass in dem ersten Überschneidungsabschnitt die Kühlmittelkanäle parallel mit den Kathodenkanälen verlaufen.
Mit besonderem Vorteil sind in dem zumindest einen Überschneidungsbereich die Kühlmittelkanäle in Form eines Flussfeldes ausgebildet, welches Querströmungen des Kühlmittels erlaubt. Da erfindungsgemäß die Anodenkanäle in einem Winkel zu den Kathodenkanälen verlaufen, bilden sich an den Überschneidungspunkten von Kathoden- und Anodenkanalstegen kühlmittelseitig Durchlässe für Kühlmittel aus, sodass Kühlmittel aus einem parallel zu den Kathodenkanälen verlaufenden Kühlmittelkanal in einen parallel zu den Anodenkanälen verlaufenden Kanal strömen kann. Die dadurch optimierte Querströmung des Kühlmittels zum Kathodenflussfeld hat eine gleichmäßige Kühlmittelverteilung mit sehr geringem Druckverlust des Kühlmittels, insbesondere im ersten Überschneidungsabschnitt, zur Folge.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist bevorzugt, dass die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle im aktiven Bereich der Bipolarplatte parallel übereinander angeordnet sind. Bevorzugt verlaufen also im aktiven Bereich Anoden- und Kathodenkanäle deckungsgleich übereinander, sodass die Anodenkanalböden, bevorzugt über die gesamte Länge des aktiven Bereiches der Bipolarplatte, mit den jeweils gegenüberliegend angeordneten Kathodenkanalböden in Kontakt stehen und sich in den entstehenden Zwischenräumen diskrete Kühlmittelkanäle ausbilden. Dies hat den Vorteil, dass die Bipolarplatte im aktiven Bereich zusätzlich die Funktion der Abstützung sowie eine elektrische Leitung zwischen den Platten erfüllt. Die Hauptströmungsrichtungen aller Betriebsmedien sind in dieser Ausgestaltungsform im aktiven Bereich parallel zueinander.
Die Kanäle des jeweiligen Reaktandenfluids sind im Allgemeinen, durch das Profil der zugehörigen Anoden- und Kathodenplatte ausgebildet. Das heißt, die Anodenkanäle sind durch die Ausgestaltung der Anodenplatte definiert, während sich die Kathodenkanäle aus dem Profil der Kathodenplatte ergeben. Die Kühlmittelkanäle ergeben sich aus dem zugehörigen negativen Profil der beiden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass die vom Kühlmittelhauptport ausgehenden Kühlmittelkanäle im Verteilerbereich nur auf einer der Platten, insbesondere der Anodenplatte, ausgestaltet sind. Die Gegenplatte begrenzt zwar ebenfalls den entstehenden Kühlmittelkanal, ist jedoch im betreffenden Bereich eben (unprofiliert) ausgebildet. Die Zuführung des Kühlmittels vom Kühlmittelhauptport bis zu der Überschneidung mit den Kathodenkanälen wird somit lediglich durch das Profil in der Kathodenplatte bestimmt. Alternativ ist bevorzugt, dass sich eine solche Ausgestaltung der Kühlmittelkanäle im Verteilerbereich lediglich auf der Kathodenplatte befindet. Diese Ausgestaltungformen weisen in erster Linie einen Produktionsvorteil auf.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Bipolarplatten sowie einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten, wobei die Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd aufeinander gestapelt sind.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist mit Vorteil eine optimierte Druckverteilung mit niedrigem Druckverlust der Betriebsmedien, insbesondere des Kühlmittels, über die einzelnen Bipolarplatten aber auch über den gesamten Brennstoffzellenstapel auf:
In bevorzugter Ausgestaltung ist entlang des Brennstoffzellenstapels parallel zu den aktiven Bereichen der Bipolarplatten zwischen den Verteilerbereichen zumindest ein Spannelement angeordnet. Wenn gemäß bevorzugter Ausgestaltung eine Breite der Bipolarplatte im aktiven Bereich geringer ist als im Verteilerbereich, ergeben sich seitliche Aussparungen im Stapel, innerhalb derer das zumindest eine Spannelement angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass das Spannelement insbesondere im aktiven Bereich der Brennstoffzelle Druck auf die Bipolarplatten aufbaut, in welchen die Anforderungen an die entstehende Dichtung am höchsten sind. Ferner ist in diesem Bereich eine erfindungsgemäße Bipolarplatte stabiler ausgeführt, sodass der durch das Spannelement aufgebrachte Druck höher sein kann, als wenn das Spannelement im Verteilerbereich angeordnet wäre. Diese Erhöhung des möglichen Maximaldruckes wirkt sich wiederum positiv auf die Abdichtung im aktiven Bereich aus. Das Spannelement ist insbesondere als Federpaket ausgeführt.
Die Brennstoffzelle kann für mobile oder stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere dient sie der Stromversorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Fahrzeugs. Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Fahrzeug, das eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle aufweist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
2 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer Kathodenplatte einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
3 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer Anodenplatte einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung,
4 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung im Drahtmodell, und
5 eine schematische Darstellung eines Überschneidungsabschnitts eines Verteilerbereichs einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine erste Endplatte 111 sowie eine zweite Endplatte 112. Zwischen den Endplatten 111, 112 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen. Die Bipolarplatten 113 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 114 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 114 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 sind jeweils Dichtungselemente 115 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 111 und 112 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Spannelementen 116, z. B. Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In 1 sind von den Bipolarplatten 113 und den Membran-Elektroden-Einheiten 114 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptflächen der Bipolarplatten 113 und der Membran-Elektroden-Einheiten 114 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 113 und einer Membran-Elektroden-Einheit 114, wenige mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 114 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
2 zeigt einen Ausschnitt einer Kathodenplatte 8 einer Bipolarplatte. Dieser Ausschnitt umfasst einen Verteilerbereich 2 und einen aktiven Bereich 6. Ein weiterer nicht dargestellter Verteilerbereich schließt sich auf der gegenüberliegenden Seite des aktiven Bereichs an.
Die Kathodenplatte 8 ist aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise einem metallischen Material, gefertigt. Sie weist sowohl im aktiven Bereich 6 als auch im Verteilerbereich 2 ein Profil zur Ausbildung von Kanälen am 41, 51 auf.
Der Verteilerbereich 2 weist drei Öffnungen, sogenannte Betriebsmittelhauptports zur Ausbildung von Betriebsmittelhauptkanälen auf, nämlich einen Anodengashauptport 3, einen Kathodengashauptport 4 sowie einen Kühlmittelhauptport 5. Die Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 liegen entlang einer Kante der Kathodenplatte 8 nebeneinander. Der Anodengashauptport 3 weist die kleinste lichte Fläche auf, der in der Mitte zwischen Anodengas- und Kühlmittelhauptport 3 und 5 angeordnete Kathodengashauptport 4 weist die größte lichte Fläche auf, während der Kühlmittelhauptport 5 eine lichte Fläche aufweist, welche größer ist als die des Anodengashauptports 3 und kleiner als die des Kathodengashauptports 4. Die Kathodenkanäle 41 sind durch eine entsprechende Profilierung der Platte 8 rinnenförmig, also als offene Kanäle ausgebildet.
Ausgehend vom Kathodengashauptport 4 erstrecken sich Kathodenkanäle 41 geradlinig, also im Wesentlichen linear ohne Windungen, Kurven oder Kehren, über Verteilerbereich 2 und aktiven Bereich 6. Die Breite aller nebeneinander und parallel angeordneter Kathodenkanäle 41 entspricht in Summe im Wesentlichen der Breite des Kathodengashauptports 4.
Das wellenartige Profil kann insbesondere durch Prägen in einem geeigneten Prägewerkzeug ausgehend von einer ebenen Platte hergestellt werden.
Ferner weist die Kathodenplatte 8 in gezeigter Ausgestaltung im aktiven Bereich 6 eine Breite b_a auf, welche kleiner ist als eine Breite b der Bipolarplatte im Verteilerbereich 2. Es entsteht eine Aussparung der Platte in einem mittleren Bereich einer Länge der Platte. Die Breite b des Verteilerbereichs 2 entspricht bevorzugt der Gesamtbreite der Bipolarplatte.
3 zeigt eine Anodenplatte 7, welche das Gegenstück der in 2 abgebildeten Kathodenplatte 8 zur Ausbildung einer gemeinsamen Bipolarplatte 1 darstellt. Mit anderen Worten zeigt 3 die Rückseite der Bipolarplatte aus 2. Auch die Anodenplatte 7 ist in 3 lediglich mit einem Ausschnitt gezeigt, welcher sich in einen Verteilerbereich 2 und einen aktiven Bereich 6 unterteilen lässt. Der Verteilerbereich 2 weist Öffnungen für Kühlmittelhauptport 5, Kathodengashauptport 4 und Anodengashauptport 3 auf. Diese sind in Form, Größe und Anordnung ebenso ausgestaltet wie die korrespondierenden Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 der in 2 gezeigten Kathodenplatte 8. Die gespiegelte Anordnung der Kanäle (Kühlmittelkanal in 2 rechts außen, Kühlmittelkanal 5 in 3 links außen) ist dadurch bedingt, dass zur Ausbildung einer gemeinsamen Bipolarplatte 1 die Anodenplatte 7 und die Kathodenplatte 8 derart aufeinander gebracht werden, dass die in den Figuren jeweils verdeckten Seiten einander zugewandt sind, sodass in den durch die Struktur gebildeten Zwischenräumen Kühlmittel geführt werden kann.
Die vom Anodengashauptport 3 ausgehenden Anodenkanäle 31 sind zueinander parallel angeordnet und verlaufen, insbesondere in einem ersten Überschneidungsabschnitt 9, in einem Winkel von 0° bis 90°, insbesondere von 10° bis 60°, zu den Kühlmittelkanälen 51 über den Verteilerbereich 2.
Die vom Kühlmittelhauptgaskanal 5 ausgehenden Kühlmittelkanäle 51 verlaufen zueinander parallel und zunächst parallel zu einer Seite der Anodenplatte 7, welche zu der Seite benachbart ist, entlang welcher die Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 angeordnet sind. Davon ausgehend beschreiben sie einen Bogen, um anschließend in einem zweiten Überschneidungsabschnitt 10 senkrecht zu der beschriebenen Seite zu verlaufen.
Der erste Abschnitt 9 und der zweite Abschnitt 10 weisen jeweils die Form von Dreiecken, insbesondere rechtwinkligen Dreiecken auf, welche sich nicht überlappen.
Die Platten 7 und 8 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise einem Metall oder einem kohlenstoffbasierten Material oder einem Kompositmaterial aus solchen.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1, welche durch Verfügen der Kathodenplatte 8 nach 2 und der Anodenplatte 7 nach 3 erhalten wurde. Die gewählte Draufsicht zeigt die Kathodenplatte 8 derart, dass von der darunter liegenden und eigentlich nicht sichtbaren Anodenplatte lediglich die Anoden- 31 und Kühlmittelkanäle 51 durch unterbrochene Linien angedeutet sind, um die relative Anordnung der beiden Platten 7, 8 zu verdeutlichen.
Es ist erkennbar, dass die beiden Platten 7, 8 so aufeinander angeordnet und miteinander verfügt sind, dass die ersten Anodenkanäle 31 der Anodenplatte 7 im aktiven Bereich 6 auf den Kathodenkanälen 41 der Kathodenplatte 8 aufliegen. Auf diese Weise werden zwischen den Platten 7, 8 durchgehende Kühlmittelkanäle 51 ausgebildet.
Der erste Abschnitt 9 ist derart ausgestaltet, dass der Brennstoff über alle Kathodenkanäle 41 gleichmäßig verteilt ist. Ein erster äußerer Anodenkanal 31 trifft auf einen ersten äußeren Kathodenkanal 41. Ein letzter (hier innenliegender) Anodenkanal 31 hingegen verläuft über die Breite der Gesamtheit der Kathodenkanäle 41, um an der Grenze zum aktiven Bereich 6 auf einen letzten Kathodenkanal 41 zu treffen. Die weiteren Kanäle zwischen ersten und letzten Kathodenkanal zeigen einen entsprechenden Verlauf.
An der Grenze zwischen erstem Überschneidungsabschnitt 9 und aktivem Bereich 6 verlaufen die Anodenkanäle 31 in einem Bogen und sind im aktiven Bereich 6, wie beschrieben, bevorzugt direkt über den Kathodenkanälen 41 angeordnet.
Die Ausgestaltung der Kathodenkanäle 41 als geradlinig verlaufendes Flussfeld führt dazu, dass sich innerhalb der Kanäle kein (oder zum Stand der Technik zumindest deutlich reduziert) Wasser ansammelt und es somit zur Verstopfung der Kathodenkanäle 41 und Druckverlust des Oxidationsmittels über die Fläche kommt.
Insbesondere durch die Anordnung der Anodenkanäle 31 und der Kühlmittelkanäle 51 innerhalb des dritten Abschnitts können die einzelnen Kanalhöhen vergrößert und somit der hydraulische Querschnitt verbessert werden.
Die geringere Breite der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 im aktiven Bereich 6 dient in Abwandlung zu der in 1 gezeigten Anordnung beispielsweise der Aufnahme eines Spannelements. Besonders bevorzugt ist hierzu die Ausgestaltung des Spannelements 116 als Federpaket. Die Anordnung des Spannelements 116 im aktiven Bereich 6 der Bipolarplatte 1 ermöglicht eine gezielte Verteilung von Druck und somit eine gezielte Abdichtung der Zellen.
Im Verteilerbereich liegen die beiden Platten 7 und 8 derart aufeinander, dass sich aus der Überlagerung von Anodenkanälen 31, Kathodenkanälen 41 und Kühlmittelkanälen 51 der erste Überschneidungsabschnitt 9 und aus der Überlagerung von Kühlmittelkanälen 51 und Kathodenkanälen 41 der zweite Überschneidungsabschnitt 10 ergeben.
Ein sich aus der Summe des ersten und zweiten Überschneidungsabschnitt 9, 10 ergebende Abschnitt 11 ist als transparente Detaildarstellung in 4A gezeigt. Es ist gezeigt, dass die Kathodenkanäle 41 mit den Anodenkanäle 31 im ersten Abschnitt 9 einen Winkel, bevorzugt zwischen 10° und 60°, einschließen. Im zweiten Abschnitt 10 ergibt sich zwischen Kathodenkanälen 41 und Kühlmittelkanälen 51 ein rechter Winkel.
Durch die Überlagerung der wellenartigen Profile der beiden Platten 7 und 8 ergibt sich für das Kühlmittel 52 das in 5 skizzierte Strömungsbild. Das Kühlmittel 52 wird über die Kühlmittelkanäle 51 geführt, welche im zweiten Überschneidungsabschnitt 10 durch das wellenartige Profil in der Anodenplatte 7 ausgebildet werden. Eine Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels 52 verläuft in diesem Abschnitt quer, insbesondere orthogonal, zu den Kathodenkanälen 41.
Die Kühlmittelkanäle 51 überlagern zunächst im zweiten Abschnitt 10 das Profil der Kathodenkanäle 41. Hier ergibt sich nun für das Kühlmittel 52 die Möglichkeit, weiter quer und zusätzlich parallel zu den Kathodenkanälen 41, nämlich in deren Wellen, welche zum einen die Kanalstege der Kathodenkanäle 41 und zum anderen auf der Innenseite der Bipolarplatte Kanalböden für Kühlmittelkanäle 51 auszubilden. Um eine Verteilung des Kühlmittels 52 über die gesamte Breite der Kathodenkanäle 41 zu erzielen, führt zumindest ein Kühlmittelkanal 51 über alle Kathodenkanäle 41.
An der Grenze zwischen erstem Abschnitt 9 und zweitem Abschnitt 10 enden die Kühlmittelkanäle 51 des Profils der Anodenplatte 7. Eine Querströmung des Kühlmittels ist dennoch weiterhin möglich. Diese ergibt sich im ersten Abschnitt 9 aus dem negativen Profil der Anodenkanäle 31 in Verbindung mit dem der Kathodenkanäle 41.
Die gezeigten Ausführungsformen haben insbesondere die Funktion, die Fluide, also Reaktandengase und Kühlmittel 52, über die Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 auf beziehungsweise zwischen die Platten 7 und 8 zu bringen. Von diesen ausgehend werden sie über die jeweiligen Kanäle 31, 41 und 51 über den Verteilerbereich 2 und den aktiven Bereich 6 geführt.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
2: Verteilerbereich
3: Anodengashauptport
4: Kathodengashauptport
5: Kühlmittelhauptgaskanal
6: aktiver Bereich
7: Anodenplatte
8: Kathodenplatte
9: erster Überschneidungsabschnitt
10: zweiter Überschneidungsabschnitt
31: Anodenkanäle
41: Kathodenkanäle
51: Kühlmittelkanäle
52: Kühlmittel
100: Brennstoffzelle
111: erste Endplatte
112: zweite Endplatte
113: Bipolarplatte (Stand der Technik)
114: Membran-Elektroden-Einheit
115: Dichtungselement
116: Spannelement

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

US 2005/0058864 A1 [0005]
US 6974648 B2 [0005]
US 2006/0029840 A1 [0005]
US 7601452 B2 [0005]
WO 03/050905 A2 [0006]

Claims

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (100) umfassend eine profilierte Anodenplatte (7) und eine profilierte Kathodenplatte (8), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (6) sowie zwei Verteilerbereiche (2) zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu bzw. aus dem aktiven Bereich (6), wobei die Verteilerbereiche (2) jeweils einen Anodengashauptport (3) zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport (4) zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel sowie einen Kühlmittelhauptport (5) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aufweisen, wobei die Platten (7, 8) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte (1) Kanäle (31, 41, 51) für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports (3, 4, 5) beider Verteilerbereiche (2) verbinden, und wobei die Verteilerbereiche (2) zumindest einen Überschneidungsabschnitt (9, 10) aufweisen, in dem die Kanäle (31, 41, 51) einander nicht fluidverbindend überschneiden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengashauptport (4) derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle (41) zumindest über den Verteilerbereich (2) der Bipolarplatte (1) geradlinig verlaufen und dass in einem ersten Überschneidungsabschnitt (9) vom Anodengashauptport (3) ausgehende Anodenkanäle (31) und die Kathodenkanäle (41) einander überschneiden und einen Winkel einschließen, der zwischen 0° und 90° beträgt.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengashauptport (4) zwischen dem Anodengashauptport (3) und dem Kühlmittelhauptport (5) angeordnet ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Anodenkanälen (31) und den Kathodenkanälen (41) im ersten Überschneidungsabschnitt (9) von 10° bis 60° beträgt.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Überschneidungsabschnitt (9) ferner vom Kühlmittelhauptport (5) ausgehende Kühlmittelkanäle (51) mit den Kathodenkanälen (41) und den Anodenkanälen (31) überschneiden.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Überschneidungsabschnitt (9, 10) die Kühlmittelkanäle (51) in Form eines Flussfeldes ausgebildet sind, welche Querströmungen des Kühlmittels erlaubt.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Überschneidungsabschnitt (10) des Verteilerbereichs (2) die Kathodenkanäle (41) und die Kühlmittelkanäle (51) einander nicht fluidverbindend überschneiden und in einem Winkel von 75° bis 100° zueinander verlaufen.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkanäle (41) in dem ersten und zweiten Überschneidungsabschnitt (9, 10) als kathodenseitig offene Kanäle ausgebildet sind und die Anodenkanäle (31) in dem ersten und zweiten Überschneidungsabschnitt (9, 10) als anodenseitig offene Kanäle ausgebildet sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Bipolarplatte (1) im aktiven Bereich (6) geringer ist als im Verteilerbereich (2).
Brennstoffzelle (100) umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von Bipolarplatten (1) nach Anspruch 1 sowie einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten, wobei die Bipolarplatten (1) und die Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd aufeinander gestapelt sind.