-
Technisches Gebiet:
-
Die
Erfindung betrifft eine dickenoptimierte Bipolarplatte zur Anordnung
zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem Brennstoffzellenstapel
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Bipolarplattenanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
-
Ein
Brennstoffzellenstapel, kurz Stack, besteht aus mehreren, elektrisch
in Serie geschalteten, planparallel übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen.
Jede Brennstoffzelle weist eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen
angeordneten Elektrolyten auf, beispielsweise in Form einer Polymer-Elektrolyt-Membran,
kurz PEM, die zusammen eine Membran-Elektroden-Anordnung, kurz MEA,
bilden. Zwischen den im Stack benachbarten MEAs ist jeweils eine
Bipolar-Separatorplatteneinheit, kurz Bipolarplatte, angeordnet.
Die Bipolarplatte erfüllt
dabei mehrere Aufgaben, wie etwa das Beabstanden der benachbarten
MEAs gegen die Kraft, mit der der Stack zusammengehalten wird, das
Verteilen der Betriebsmedien Brennstoff und Oxidator über die angrenzenden
MEAs und das Abführen
der Reaktionsstoffe in hierfür
vorgesehenen, jeweils zu den MEAs hin offenen Kanälen, die
Abfuhr der Reaktionswärme über ein in
separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel,
sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der
Anode und der Kathode der benachbarten MEAs.
-
Derartige
Bipolarplatten bestehen aus zwei planparallel miteinander verbundenen
Platten, einer Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der einen
MEA, und einer Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der
anderen MEA. An der der einen MEA zugewandten Oberfläche der
Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung des Brennstoffs entlang
der einen MEA angeordnet, wobei an der der anderen MEA zugewandten
Oberfläche
der Kathodenplatte Kathodenkanäle
zur Verteilung des Oxidators über
der anderen MEA angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben
keine Verbindung zueinander.
-
Die
Kathoden- und die Anodenkanäle
werden dabei von durch Erhebungen voneinander getrennten Vertiefungen
auf den jeweils den MEAs zugewandten Oberflächen der Anoden- und der Kathodenplatte
gebildet. Die Kathoden- und die Anodenplatte sind dabei vorzugsweise
hohl geprägt.
Die Erhebungen und die Vertiefungen werden beispielsweise diskontinuierlich
durch Formrecken, Tiefziehen oder dergleichen, oder kontinuierlich,
beispielsweise durch Walzen oder Ziehen hergestellt. Durch Verbindung
der Anodenplatte und der Kathodenplatte Rücken an Rücken, entstehen durch die zur
Erzeugung der Anoden- und der Kathodenkanäle in die Anodenplatte und
die Kathodenplatte eingeprägten
Erhebungen und Vertiefungen zwischen den beiden Platten die Kühlmittelkanäle zur Durchleitung
des Kühlmittels.
-
Insbesondere
bei mobilen Anwendungen, wie beispielsweise im Automobilbereich
oder bei der Ausstattung elektrischer Kommunikations- oder Unterhaltungsgeräte, von
Laptops und dergleichen, ist es erforderlich, die Leistungsdichte
von Stacks sowie deren mechanische Belastbarkeit zu erhöhen. Ersteres
kann durch Verringerung der Dicke der nicht direkt zur Stromerzeugung
beitragenden Bipolarplatten, durch eine Erzeugung möglichst
idealer Betriebsbedingungen für
die MEAs in dem Stack, wie etwa einer möglichst konstanten, vor lokaler
Austrocknung oder lokaler Ertränkung
schützenden Feuchtigkeit
der PEM über
die MEA hinweg, und durch eine Verbesserung und Erhöhung des
Betriebsmediendurchsatzes und/oder des Kühlmitteldurchsatzes erreicht
werden.
-
Aus
der WO 01/37362 A2 ist eine Bipolarplatte bekannt, bestehend aus
einer ersten Platte mit einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden,
zweiten Oberfläche
und mehreren, auf der ersten Platte angeordneten, einen Brennstoffkanal
auf deren erster Oberfläche
bildenden Rippen, einer zweiten Platte mit einer ersten Oberfläche und
einer gegenüberliegenden,
zweiten Oberfläche
und mehreren, auf der zweiten Platte angeordneten, einen Oxidatorkanal
auf deren zweiter Oberfläche
bildenden Rippen, wobei die Rippen der beiden Platten unterschiedliche
Tiefen aufweisen und die erste und die zweite Platte aneinander
grenzen und zwischen der ersten und der zweiten Platte einen Kühlmittelkanal umgrenzen.
Dabei ist vorgesehen, zur Verringerung der Dicke der Bipolarplatte
die beiden Platten derart aufeinander zu legen, dass die Erhebungen
der beiden Platten in den Vertiefungen der jeweils anderen Platte
zu liegen kommen, wobei der Brennstoff- und der Oxidatorkanal unterschiedliche
Tiefen aufweisen, so dass zwischen den Platten ein Kühlmittelkanal entsteht.
-
Nachteilig
an einer derartigen Bipolarplatte ist, dass sie nicht zur Verbesserung
der Betriebsbedingungen der MEAs hin zu idealen Betriebsbedingungen,
beispielsweise durch eine verbesserte Verteilung des Brennstoffs
und des Oxidators über
die MEA hinweg oder einer Verbesserung des Wasserhaushalts der MEA
geeignet ist, wie sie zur Erzeugung eines kompakten Stacks mit hoher
Leistungsdichte erforderlich sind.
-
In
der
DE 103 46 594
A1 wird eine PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche
mit wenig oder gar nicht befeuchteten Betriebsstoffen betrieben
werden kann, ohne dass ihre PEM dabei austrocknet, umfassend zumindest
eine MEA und zwei daran angrenzende Separatorplatteneinheiten, sowie
wenigstens zwei Räume
für die
Zufuhr von Betriebsmedien, wobei ein erster Fluidraum von der Anode
der MEA und einer ersten Separatorplatteneinheit gebildet wird und
ein zweiter Fluidraum von der Kathode der MEA und einer zweiten
Separatorplatteneinheit, wobei in mindestens einem der Fluidräume wenigstens
eine Trennwand vorgesehen ist, die in dem Fluidraum mindestens einen
weiteren Raum abtrennt, wobei der zumindest eine weitere, abgetrennte
Raum an wenigstens einer Stelle eine fluidische Verbindung zu einem
angrenzenden Anoden- oder Kathodenraum aufweist. Dieser mindestens eine
abgetrennte Raum dient dabei als Zudosierkanal, mit dem gezielt
ein Betriebsmedium, wie beispielsweise Brennstoff auf der Anodenseite
der MEA oder Oxidator auf der Kathodenseite der MEA, einem bestimmten
Bereich der MEA zugeführt
werden kann, so dass mindestens in diesem Bereich ideale Betriebsbedingungen
durch eine verbesserte Betriebsmedienkonzentration und eine Verbesserung des
Wasserhaushalts erreicht werden können. Der Zudosierkanal überbrückt dabei
einen Teil der MEA und führt
einen Teil der Betriebsmedien erst an der Stelle der MEA zu, an
der eine fluidische Verbindung zur MEA hin besteht, so dass eine
lokale Austrocknung der PEM, beispielsweise im Portbereich, in dem die
Betriebsmedien zugeführt
werden und der PEM Wasser entziehen, durch die Überbrückung verhindert wird, ebenso
wie ein Ertränken
der PEM zum Ausgangsport hin durch das Zuführen noch trockener Betriebsmedien
und der damit verbundenen Fähigkeit,
Wasser aufzunehmen, in diesem Bereich verhindert wird.
-
Nachteilig
an einer derartigen PEM-Brennstoffzelle ist, dass insbesondere bei
einer Anordnung im Stack Bipolarplatten benötigt werden, die neben den
Kathoden-, Anoden- und Kühlmittelkanälen noch mindestens
einen zusätzlichen
Zudosierkanal aufweisen müssen,
dessen Anordnung und Erzeugung insbesondere im Hinblick auf eine
möglichst
dünne Bipolarplatte
zur Erzeugung eines Stacks mit möglichst
hoher Leistungsdichte nicht gelöst
ist.
-
In
der
DE 103 23 646
A1 wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung
in Stapelbauweise zur Verbesserung der Versorgung des Stacks mit
Betriebsmedien vorgeschlagen, welche zumindest auf einer ihrer Flachseiten
Medienführungskanäle zum Führen von
Betriebsmedien für eine
Anode und/oder Kathode einer Einzelzelle einer Brennstoffzellenanordnung
aufweist, wobei die Medienführungskanäle in einem
mittleren Bereich der Bipolarplatte konzentriert sind, sowie in
einem Randbereich Öffnungen
für Verteilerkanäle und Sammelkanäle für Betriebsmedien
vorgesehen sind, wobei vom mittleren Bereich aus gesehen eine erste Öffnung und
eine zweite Öffnung
hintereinander angeordnet sind und die hintereinander liegende Öffnungen
seitlich von einer dritten Öffnung
liegen. Durch die Anordnung wird ein Gleichstrom von Kühlmittel
und Oxidator erreicht, so dass eine Homogenisierung des Temperaturverlaufs
entlang des Stacks erreicht wird und lokale Überhitzungen vermieden werden.
-
Nachteilig
an einer derartigen Bipolarplatte ist, dass keine Optimierung im
Hinblick auf möglichst geringe
Abmessungen eines mit derartigen Bipolarplatten aufgebauten Stacks
vorgenommen sind.
-
Technische Aufgabe der
Erfindung:
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zu
entwickeln, welche zur Erzeugung möglichst kompakter Stacks mit
hoher Leistungsdichte geeignet ist, sowie eine Bipolarplattenanordnung
für einen
Stack, welche die mechanische Belastbarkeit des Stacks verbessert
und so zu einer Erhöhung
der Leistungsdichte beiträgt.
-
Offenbarung der Erfindung
und deren Vorteile:
-
Die
Aufgabe wird bei einer Bipolarplatte der eingangs genannten Gattung
mit mindestens einem auf ihrer einen, der Kathode der einen MEA
zugewandten Flachseite ausgebildeten Kathodenkanal, mindestens einem
auf ihrer anderen, der Anode der anderen MEA zugewandten Flachseite
ausgebildeten Anodenkanal, mindestens einem Kühlmittelkanal sowie jeweils
mindestens einem zu dem Anoden- und/oder Kathodenkanal benachbart
angeordneten, jeweils an einer vorbestimmten Stelle mit dem Anoden-
und/oder Kathodenkanal fluidisch verbundenen Zudosierkanal dadurch
gelöst,
dass die Bipolarplatte mindestens aus zwei planparallel zueinander
angeordneten Platten, einer Anoden- und einer Kathodenplatte besteht,
wobei der zur Verteilung von Brennstoff vorgesehene Anoden- und
der zur Verteilung von Oxidator vorgesehene Kathodenkanal jeweils durch
auf der Anoden- und der Kathodenplatte angeordnete, vorzugsweise
hohlgeprägte
Erhöhungen und
Vertiefungen ausgebildet ist und der Kühlmittelkanal zwischen der
Anoden- und der Kathodenplatte durch Ineinanderlegen der Erhöhungen der
einen in die Vertiefungen der anderen Platte gebildet ist. Vorzugsweise sind
dabei auf der Anodenplatte mehrere parallel verlaufende Anodenkanäle und auf
der Kathodenplatte mehrere parallel verlaufende Kathodenkanäle ausgebildet.
Die Anoden- und Kathodenkanäle
verlaufen vorzugsweise um eine Kanalbreite versetzt parallel zueinander
auf der Anoden- und der Kathodenplatte. Die Kühlmittelkanäle werden dabei durch Aufeinanderlegen
der Kathodenplatte und der Anodenplatte erzeugt, wobei die auf den
jeweils einander zugewandten Seiten angeordneten Erhebungen der
einen Platte in den Vertiefungen der anderen Platte zu liegen kommen.
-
Die
erfindungsgemäße Bipolarplatte
weist gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass durch die jeweils ineinander
liegenden Erhebungen und Vertiefungen der beiden Platten eine besonders
dünne Bipolarplatte
erzeugt wird. Parallel zu einem Anoden- oder Kathodenkanal sind
dabei ein oder mehrere Zudosierkanäle angeordnet, die an verschiedenen
Stellen in den jeweiligen Anoden- oder Kathodenkanal münden. Hierdurch
können
die Betriebsbedingungen entlang der MEA verbessert werden, wodurch
sich in Verbindung mit dem dünnen Aufbau
der Bipolarplatte Stacks mit einer hohen Leistungsdichte erzeugen
lassen.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zudosierkanal
durch eine auf der der MEA zugewandten Seite der Anoden- und/oder
Kathodenplatte angeordnete, die Erhöhungen und Vertiefungen auf
der Anoden- und/oder Kathodenplatte nachzeichnende Zudosierplatte
gebildet wird, wobei die Erhöhungen
und Vertiefungen der Zudosierplatte auf den Erhöhungen und Vertiefungen der
Anoden- und/oder Kathodenplatte angeordnet sind. Der Anoden- oder
Kathodenkanal befindet sich dabei zwischen der jeweiligen Zudosierplatte
und der Anode der einen oder der Kathode der anderen MEA, wohingegen
sich der jeweilige Zudosierkanal zwischen der Anoden- oder der Kathodenplatte
und der Zudosierplatte befindet. Dabei ist es beispielsweise denkbar,
in einen Anoden- oder Kathodenkanal unter Verwendung von nur einer
auf der Anoden- oder Kathodenplatte angeordneten Zudosierplatte
zwei Zudosierkanäle
von den gegenüberliegenden
Enden der Bipolarplatte auszubilden, die dann an verschiedenen Stellen
in den jeweiligen Anoden- oder Kathodenkanal münden und über die dann von zwei Seiten her,
an denen jeweils ein Portbereich zur Einleitung der Betriebsmedien
in die Bipolarplatte angeordnet ist, das jeweilige Betriebsmedium
eingeleitet wird.
-
Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die in der Kathodenplatte angeordneten, den Kathodenkanal zur Verteilung des
Oxidators bildenden Vertiefungen und Erhebungen einen größeren Querschnitt
bilden, als die in der Anodenplatte angeordneten, den Anodenkanal
zur Verteilung des Brennstoffs bildenden Vertiefungen und Erhebungen,
beispielsweise durch eine größeren Abstand
zueinander und/oder eine größere Tiefe, wobei
von dem Kathodenkanal mindestens ein Zudosierkanal durch mindestens
eine Trennwand oder mindestens eine Zudosierplatte abgetrennt ist.
-
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
der Zudosierkanal zwischen der Anoden- und der Kathodenplatte und
vorzugsweise parallel zu dem Kühlmittelkanal
verlaufend angeordnet ist. Dabei besteht die Verbindung zwischen
einem Zudosierkanal und dem jeweiligen Anoden- oder Kathodenkanal
aus einer durch die Anodenplatte oder die Kathodenplatte hindurchführenden Öffnung,
beispielsweise einer Bohrung. Die Kühlmittelkanäle können dabei durch größere Abmessungen
der Vertiefungen und Erhebungen der Anoden- und/oder der Kathodenkanäle oder
durch einen größeren Abstand
zwischen den Erhebungen und den Vertiefungen größer dimensioniert werden, so
dass ein Kühlmittelkanal
mehr Reaktionswärme abführen kann,
so dass beispielsweise zwischen zwei benachbarten Kühlmittelkanälen ein
ebenso durch die Vertiefungen und Erhebungen der Anoden- und der Kathodenplatte
gebildeter Zudosierungskanal angeordnet sein kann.
-
Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
zwischen Anoden- und Kathodenplatte eine Zudosierplatte angeordnet
ist, welche den Zudosierkanal von dem Kühlmittelkanal abtrennt. Die
Zudosierplatte kann dabei eben oder die Erhebungen und Vertiefungen
der Anoden und der Kathodenplatte nachbildend ausgebildet sein.
-
Eine
zusätzliche
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anoden-,
Kathoden-, Kühlmittel-
und Zudosierkanäle
in einem mittleren Bereich der Bipolarplatte konzentriert sind und
in einem Randbereich der Bipolarplatte Öffnungen für Verteilerkanäle und Sammelkanäle für die Betriebsmedien
zum Betrieb des Stacks vorgesehen sind, wobei vom mittleren Bereich
aus gesehen eine erste Öffnung
zur Zu- oder Abführung eines
ersten Betriebsmittels in die oder aus der Bipolarplatte und eine
zweite Öffnung
zur Zu- oder Abführung
eines zweiten Betriebsmittels in die oder aus der Bipolarplatte
hintereinander angeordnet sind und die hintereinander liegende Öffnungen
seitlich von einer dritten Öffnung
zur Zu- oder Abführung
eines dritten Betriebsmittels in die oder aus der Bipolarplatte
liegen. Durch die Anordnung wird ein Gleichstrom von Kühlmittel
und Oxidator erreicht, so dass eine Homogenisierung des Temperaturverlaufs
entlang des Stacks erreicht wird und lokale Überhitzungen vermieden werden.
Diese Maßnahme
dient der besseren und gleichmäßigeren
Abfuhr der Reaktionswärme
und damit der Optimierung des Wärmehaushalts
des Stacks. Die Zudosierkanäle
sind dabei vorzugsweise ebenso direkt mit der Öffnung für die Zufuhr des jeweiligen
Betriebsmediums verbunden.
-
Die
Aufgabe der Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit eines Stacks
wird bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplattenanordnung
in einem Brennstoffzellenstapel dadurch gelöst, dass mindestens zwei durch
eine MEA voneinander getrennte, benachbarte Bipolarplatten innerhalb
des Stacks so angeordnet sind, dass die Erhöhungen der der MEA zugewandten
Flachseite der einen Bipolarplatte durch die MEA getrennt gegenüber den
Erhöhungen der
der MEA zugewandten Flachseite der anderen Bipolarplatte angeordnet
sind. Durch diese Anordnung der Bipolarplatten wird verhindert,
dass eine Erhebung der einen Bipolarplatte die zwischen den benachbarten
Bipolarplatten angeordnete MEA in die Vertiefungen der anderen Bipolarplatte
drückt.
Hierdurch wird die mechanische Belastbarkeit des Stacks verbessert.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen, in denen zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch einen Teil einer dickenoptimierten Bipolarplatte
mit Zudosierkanälen,
-
2 einen
Ausschnitt eines Stacks der einen Querschnitt durch einen Teil einer
Bipolarplattenanordnung zweier beidseitig einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordneter,
dickenoptimierter Bipolarplatten mit Zudosierkanälen zeigt,
-
3 eine
schematische Anordnung der Anoden-, Kathoden-, Kühlmittel- und Zudosierkanäle einer
erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
wobei der Zudosierkanal von dem Kathodenkanal abgetrennt ist,
-
4 eine
schematische Anordnung der Anoden-, Kathoden-, Kühlmittel- und Zudosierkanäle einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
wobei die Zudosierkanäle
zwischen den aufeinander liegenden Erhebungen und Vertiefungen der
Kathoden- und Anodenplatte angeordnet sind,
-
5 eine
schematische Anordnung der Anoden-, Kathoden-, Kühlmittel- und Zudosierkanäle einer
erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
wobei der Zudosierkanal durch eine zwischen Kathoden- und Anodenplatte
angeordnete Zudosierplatte von dem Kühlmittelkanal abgetrennt ist,
-
6 eine
Detailansicht der für
die Zu- und Abfuhr der Betriebsmedien vorgesehenen Öffnungen im
Randbereich der Bipolarplatte,
-
7 eine
Draufsicht auf eine Kathodenplatte einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung:
-
Eine
in 1 dargestellte Bipolarplatte 1 besteht
im Wesentlichen aus einer gegenüber
einer Anode 2 einer ersten 4 von zwei in einem
Brennstoffzellenstapel 10, kurz Stack, benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen 4, 4', kurz MEA,
angeordneten Anodenplatte 3, einer gegenüber einer
Kathode 5 einer zweiten MEA 4' angeordneten Kathodenplatte 6,
sowie einer Zudosierplatte 7.
-
Die
Anodenplatte 3 weist Erhebungen und Vertiefungen auf, die
zur ersten MEA 4 hin offene Anodenkanäle F bilden, über die
die erste MEA 4 mit Brennstoff versorgt wird. Die Kathodenplatte 6 weist Erhebungen
und Vertiefungen auf, die zur zweiten MEA 4' hin offene Kathodenkanäle O bilden, über die die
zweite MEA 4' mit
Oxidator versorgt wird. Die Anodenplatte 3 und die Kathodenplatte 6 sind
so aufeinander gelegt, dass die Erhebungen der einen in den Vertiefungen
der anderen Platte angeordnet sind. Dabei verbleiben zwischen der Anoden- 3 und
der Kathodenplatte 6 Räume,
die die Kühlmittelkanäle K bilden.
-
Auf
der der Kathode 5 der MEA 4 zugewandten Seite
der Kathodenplatte 6 ist die Zudosierplatte 7 angeordnet,
welche die Erhebungen und Vertiefungen der Kathodenplatte 6 nachzeichnet,
ohne die Kathodenkanäle
O auszukleiden. Die Zudosierplatte 7 trennt so von den
Kathodenkanälen
O jeweils einen Zudosierkanal Z ab, der an einer vorbestimmten Stelle
eine Öffnung 8 aufweist
und in den jeweiligen Kathodenkanal O mündet.
-
Durch
die Zudosierkanäle
Z können
die über der
MEA 4, 4' herrschenden
thermodynamischen Zustände,
die die Betriebsbedingungen der MEA 4, 4' bilden, durch
Zufuhr von Zusätzlichem
Oxidator, durch Zufuhr von gasförmigem
oder flüssigem
Wasser oder durch Abfuhr von gasförmigem oder flüssigem Wasser
wenigstens annähernd
homogenisiert oder ausgeglichen werden. Dadurch lässt sich
die Leistung eines Stacks 10 durch mit Zudosierkanälen Z ausgestattete
Bipolarplatten 1 verbessern, da die MEAs 4, 4' im Bereich
ihres thermodynamischen Auslegungspunktes betrieben werden können. Ein weiterer
Vorteil von Zudosierkanälen
Z ist, dass die für
einen zuverlässigen
Betrieb unter hoher Leistungsabgabe erforderliche Be- und Entfeuchtung
einer in der MEA 4, 4' zwischen der Anode 2 und
der Kathode 5 angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran 9,
kurz PEM, innerhalb der Bipolarplatte 1 stattfinden kann
und dadurch keine zusätzlichen
Einrichtungen erforderlich sind.
-
Durch
die Platz sparende Anordnung der Erhebungen und der Vertiefungen
der Anoden- 3 und der Kathodenplatte 6 ineinander,
so dass die Erhebungen der einen Platte in den Vertiefungen der
anderen Platte zu liegen kommen, kann bei gleichzeitiger Ausbildung
der Anoden- F, Kathoden- O, und der Kühlmittelkanäle K zusätzlich die Dicke der Bipolarplatte 1 minimiert
werden, wodurch in Verbindung mit der durch die Zudosierkanäle Z verbesserten
Leistungsabgabe der MEAs 4, 4' ein Stack 10 mit besonders
hoher Leistungsdichte erzeugt werden kann.
-
In 2 ist
zu erkennen, wie bei zwei innerhalb eines Stacks 10 angeordneten
und durch eine MEA 4 voneinander getrennten, benachbarten
Bipolarplatten 1, 1' die
Erhöhungen
der der MEA 4 zugewandten Flachseite der einen Bipolarplatte 1 durch die
MEA 4 getrennt gegenüber
den Erhöhungen
der der MEA 4 zugewandten Flachseite der anderen Bipolarplatte 1' angeordnet
sind.
-
Hierdurch
kann verhindert werden, dass die der MEA 4 zugewandten
Erhebungen der einen Bipolarplatte 1 die MEA 4 in
die der MEA 4 zugewandten Vertiefungen der anderen Bipolarplatte 1' drücken. Die
mechanische Belastbarkeit des Stacks 10 wird hierdurch
erhöht.
-
In 3 ist
eine andere denkbare Anordnung der Anoden- F, Kathoden- O, Kühlmittel-
K und Zudosierkanäle
Z in einer dickenoptimierten Bipolarplatte 1 dargestellt.
Die Anodenplatte 3 und die Kathodenplatte 6 sind
dabei wie in 1 so aufeinander gelegt, dass
die Erhebungen der einen in den Vertiefungen der anderen Platte
angeordnet sind. Die Zudosierkanäle
Z sind von den Kathodenkanälen
O durch von der der MEA 4 zugewandten Seite in die Kathodenkanäle O eingesetzte
und mit der Kathodenplatte 6 verbundene Trennwände 11 abgetrennt. Die
Zudosierkanäle
Z sind jeweils an einer vorbestimmten Stelle mit dem Kathodenkanal
O durch eine Öffnung 8 fluidisch
verbunden.
-
In 4 ist
eine weitere denkbare Anordnung der Anoden- F, Kathoden- O, Kühlmittel-
K und Zudosierkanäle
Z in einer dickenoptimierten Bipolarplatte 1 dargestellt.
Die Anodenplatte 3 und die Kathodenplatte 6 liegen
dabei wiederum wie in 1 so aufeinander, dass die Erhebungen
der einen in den Vertiefungen der anderen Platte angeordnet sind.
Die Zudosierungskanäle
Z sind nunmehr zwischen der Anoden- 3 und der Kathodenplatte 6 parallel
zu den Kühlmittelkanälen K verlaufend
angeordnet, wobei die zwischen der Anodenplatte 3 und die
Kathodenplatte 6 durch das Ineinanderlegen der Erhöhungen der
einen in die Vertiefungen der jeweils anderen Platte gebildeten
Kanäle
abwechselnd ein Zudosierkanal Z und ein Kühlmittelkanal K sind. Ein Zudosierkanal
Z ist dabei an einer vorbestimmten Stelle mit den beiden angrenzenden
Kathodenkanälen
O über Öffnungen 8 fluidisch
verbunden.
-
In 5 ist
eine zusätzliche
denkbare Anordnung der Anoden- F, Kathoden- O, Kühlmittel- K und Zudosierkanäle Z in
einer dickenoptimierten Bipolarplatte 1 dargestellt. Dabei
ist die Zudosierplatte 7 zwischen der Anoden- 3 und
der Kathodenplatte 6 angeordnet. Die Zudosierplatte 7 zeichnet
die Erhebungen und Vertiefungen der Kathodenplatte 6 nach, ohne
diese auszukleiden. Hierdurch verbleiben zwischen der Anoden- 3 und
der Kathodenplatte 6 durch die Zudosierplatte 7 voneinander
getrennte Kanäle, die
zum einen als Kühlmittelkanäle K und
zum anderen als Zudosierkanäle
Z ausgebildet sind. Die Zudosierkanäle Z sind wiederum an einer
vorbestimmten Stelle mit dem Kathodenkanal O fluidisch verbunden.
-
In 6 ist
zu erkennen, wie die Öffnungen 20, 21, 22 für die Zufuhr
der Betriebsmedien in einem Randbereich 16 der Bipolarplatte 1 angeordnet
sind. 6a zeigt dabei, den Eintrittsbereich
A der Anodenplatte 3 von deren Flachseite 12 her, 6b den Eintrittsbereich A der Kathodenplatte 6 von
deren Flachseite 13 her und 6c den
Eintrittsbereich A auf der Rückseite 14 der
Anodenplatte 3. Die Öffnung 20 dient
dabei der Zufuhr des Kühlmittels
in die Kühlmittelkanäle K, die Öffnung 21 der
Zufuhr des Brennstoffs in die Anodenkanäle F und die Öffnung 22 der Zufuhr
des Oxidators in die Kathodenkanäle
O und die Zudosierkanäle
Z. Zwischen den Öffnungen 20, 21, 22 und
den Kanälen
F, K, O, Z sind dabei jeweils voneinander unabhängige Strömungsbereiche 23, 24 und 25 angeordnet, über die
die jeweiligen Betriebsmedien im Eintrittsbereich A auf die jeweiligen Kanäle F, K,
O, Z verteilt werden.
-
Zum
Stack 10 gestapelt bilden die Öffnungen 20, 21, 22 der übereinander
gestapelten Bipolarplatten 1 durchgehende Verteilerkanäle für die Betriebsmedien.
-
In 7 ist
zu erkennen, wie die Kathodenkanäle
O auf der der MEA 4 zugewandten Flachseite 13 der
Kathodenplatte 6 parallel zueinander verlaufen. Ebenso
ist zu erkennen, wie der Eintrittsbereich A, an dem die Kathodenkanäle O über den Strömungsbereich 25 mit
der einen Teil der Versorgungsleitung für Oxidator bildenden Öffnung 22 verbunden
sind, im Randbereich 16 mit der Öffnung 22 in Verbindung
steht. Im gegenüberliegenden
Randbereich 17 befindet sich ein Austrittsbereich B, von dem
aus der Oxidator nach dem Durchströmen der Kathodenkanäle O über einen
Strömungsbereich 35 einer Öffnung 32 zugeführt wird,
welche gemeinsam mit anderen Öffnungen 32 mehrerer
in einem Stack 10 übereinander
angeordneten Bipolarplatten 1 einen Sammelkanal für den verbrauchten
Oxidator bildet. Im Austrittsbereich B befindet sich dabei ebenso eine Öffnung 30 welche
einen Teil eines Sammelkanals zur Abfuhr des Kühlmittels nach dem Durchströmen der
Kühlmittelkanäle K bildet,
sowie eine Öffnung 31,
welche einen Teil eines Sammelkanals zur Abfuhr des Brennstoffs
nach dem Durchströmen
der Anodenkanäle
F bildet.
-
Durch
die Anordnung der Öffnungen 20, 21, 22 und 30, 31, 32 zueinander,
ist ein Gleichstrom von Kühlmittel
und Oxidator erreicht, wodurch eine besonders gleichmäßige Verteilung
der Reaktionswärme über die
MEA 4 hinweg sichergestellt wird.
-
Die
Anoden- F, Kathoden- O, Kühlmittel-
K und Zudosierkanäle
Z sind dabei innerhalb eines als Flowfield bezeichneten, mittleren
Bereichs 15 der Bipolarplatte 1 angeordnet, in
dem die Anoden- F, Kathoden- O, Kühlmittel- K und Zudosierkanäle Z parallel
zueinander verlaufen, wohingegen die von den Öffnungen 20, 21, 22, 30, 31, 31 gebildeten
Verteiler- und Sammelkanäle
für die
Betriebsmedien Brennstoff, Oxidator, Reaktionsprodukte und Kühlmittel senkrecht
dazu in den als Port bezeichneten Randbereichen 16 und 17 der
Bipolarplatte 1 angeordnet sind. Am Port sind die Kanäle F, K,
O, Z der Bipolarplatte 1 mit den von den jeweiligen Öffnungen 21, 20, 22 gebildeten
Verteilerkanälen
und den jeweiligen Öffnungen 30, 31, 32 gebildeten
Sammelkanälen, über die
die Betriebsmittel in dem Stack 10 verteilt und gesammelt
werden, verbunden.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit:
-
Die
Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln
mit hoher Leistungsdichte gewerblich anwendbar.
-
- 1,
1'
- Bipolarplatte
- 2
- Anode
- 3
- Anodenplatte
- 4,
4'
- Membran-Elektroden-Anordnung,
kurz MEA
- 5
- Kathode
- 6
- Kathodenplatte
- 7
- Zudosierplatte
- 8
- Öffnung
- 9
- Polymer-Elektrolyt-Membran,
kurz PEM
- 10
- Brennstoffzellenstapel,
kurz Stack
- 11
- Trennwand
- 12
- Flachseite
der Anodenplatte
- 13
- Flachseite
der Kathodenplatte
- 14
- Rückseite
der Anodenplatte
- 15
- mittlerer
Bereich
- 16
- Randbereich,
Portbereich der Verteilerkanäle
- 17
- Randbereich,
Portbereich der Sammelkanäle
- 20
- Erste Öffnung,
Zufuhr von Kühlmittel
- 21
- Zweite Öffnung,
Zufuhr von Brennstoff
- 22
- Dritte Öffnung,
Zufuhr von Oxidator
- 30
- Erste Öffnung,
Abfuhr von Kühlmittel
- 31
- Zweite Öffnung,
Abfuhr von Brennstoff
- 32
- Dritte Öffnung,
Abfuhr von Oxidator
- 23,
33
- Strömungsbereich
Brennstoff
- 24,
34
- Strömungsbereich
Kühlmittel
- 25,
35
- Strömungsbereich
Oxidator
- A
- Eintrittsbereich
- B
- Austrittsbereich
- F
- Anodenkanal
- K
- Kühlmittelkanal
- O
- Kathodenkanal
- Z
- Zudosierkanal