DE102005044316A1

DE102005044316A1 - Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102005044316A1
Application number: DE102005044316A
Authority: DE
Inventors: Peter Marx; Frank Heser; Tobias Scholz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer parallel zu einer Hauptfläche (10) verlaufenden Medienverteilungsstruktur (11) auf der Hauptfläche (10) und wenigstens einer seitlich der Medienverteilungsstruktur (11) angeordneten Öffnung (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f), die einen Kanal (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) zum Zuführen von Medien, insbesondere Kühlmittel, definiert, der im Brennstoffzellenstapel parallel zur Stapelrichtung verläuft, wobei wenigstens eine der Öffnungen (12a, 12d) mit einer Außenkante (14) der Hauptfläche (10) wenigstens einen Steg (15) bildet. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass der Steg (15) an seinen äußeren Enden (16, 16') eine größere Breite (17) aufweist als in seiner Mitte. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte (25).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Brennstoffzelle nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüchen.
Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels Brennstoffzellen stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff dar. Derzeit existieren unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen, die sich nach Art des verwendeten leitfähigen Elektrolyten, dem Betriebstemperaturniveau und realisierbaren Leistungsbereichen einordnen lassen. Für automobile Anwendungen sind Polymer-Elektrolyt-Membranbrennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) besonders geeignet.

In einer PEM-Brennstoffzelle wird die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser durch die Einfügung einer protonenleitenden Membran zwischen die Anoden- und die Kathodenelektrode in die beiden Teilschritte Reduktion und Oxidation aufgeteilt. Hierbei erfolgt eine Ladungstrennung, die als Spannungsquelle genutzt werden kann. Eine einzelne PEM-Brennstoffzelle weist einen symmetrischen Aufbau auf. Auf eine Polymermembran folgen beidseitig je eine Katalysatorschicht und Gasverteilerschicht, an die sich eine bipolare Platte anschließt. Stromkollektoren dienen zum Abgreifen der elektrischen Spannung, während Endplatten den Brennstoffzellenstapel abschließen.

In einem Brennstoffzellenstack ist eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihe zueinander gestapelt, wobei sie voneinander durch eine gasdichte impermeable, bipolare Platte getrennt sind, die als Bipolarplatte bezeichnet wird. Da die Spannung einer einzelnen Zelle im Bereich von 1V liegt, ist es für praktische Anwendungen notwendig, zahlreiche Zellen hintereinander zu schalten. Häufig werden bis zu 400 Zellen durch Bipolarplatten getrennt aufeinander gestapelt. Dabei ist die Wasserstoffseite der einen Zelle mit der Sauerstoffseite der nächsten Zelle durch die Bipolarplatte getrennt. Die Bipolarplatte dient zur elektrischen Verschaltung der Zellen, Zuführung und Verteilung der Reaktanden (Reaktionsgasen) und Kühlmittel und zur Trennung der Gasräume. Wegen der begrenzten Wärmeübertragung reicht häufig eine reine Luftkühlung nicht aus. Deshalb ist häufig eine Flüssigkeitskühlung mit einem Verbrennungsmotor vergleichbaren Kühlkreislauf erforderlich. Die Kühlmittel strömen zum Abtransport überschüssiger Reaktionswärme durch eigens hierfür vorgesehene Medienzuführungskanäle.

Der als Öffnung in der Bipolarplatte ausgebildete Kanal zur Zuführung von Kühlmittel in eine Medienverteilungsstruktur der Bipolarplatte verläuft üblicherweise parallel zur Stapelrichtung der einzelnen Zellen, wobei die Öffnung mit einer Außenkante der Hauptfläche der Bipolarplatte wenigstens einen Steg bildet. Gerade bei graphitischen Bipolarplatten wird durch diesen Steg ein mechanisch sehr instabiler Bereich ausgebildet. Graphitische Bipolarplatten können zwar durch Pressen oder Fräsen leicht in eine geeignete Form gebracht werden und zeichnen sich durch chemische Beständigkeit und geringe Übergangswiderstände aus. Jedoch haben sie ein unzureichendes mechanisches Verhalten. Graphitische Bipolarplatten mit dünnwandig ausgebildeten Stegen sind daher äußerst bruchempfindlich. Um ein Wegbrechen der Stege zu verhindern, ist es bekannt, Bipolarplatten aus anderen stabileren Materialien einzusetzen, z.B. aus metallischen Werkstoffen oder Komposit-Materialien. Metallplatten sind beispielsweise aus sehr dünnem Stahlblech gebildet, wobei eine sehr teure Korrosionsschutzbeschichtung, zum Beispiel eine Goldschicht, erforderlich ist. Aus Gründen der Stabilität werden grafitische Bipolarplatten dickwandiger ausgebildet, was eine Gewichtserhöhung zur Folge hat. Beim Einsatz von Bipolarplatten mit einer hohen Materialstärke wird außerdem eine Stapellänge des Brennstoffzellenstapels enorm vergrößert. Dies führt zu einer Erhöhung des Gesamtgewichts und – volumens. Außerdem wird durch Verlängern des Hauptkanals ein Kühlmitteldurchtritt behindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Bipolarplatte sowie einen verbesserten Brennstoffzellenstapel vorzuschlagen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer gattungsgemäßen Bipolarplatte in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sowie bei einer Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte weist ein Steg an seinen äußeren Enden eine größere Breite auf als in seiner Mitte. Als Steg wird der Bereich bezeichnet, der zwischen einer Öffnung mit einer Außenkante einer Hauptfläche angeordnet ist. Unter Hauptfläche ist die eine Medienverteilungsstruktur, ein so genanntes „Flow-field", tragende Oberfläche der Bipolarplatte zu verstehen, wobei die Medienverteilungsstruktur parallel zur Hauptfläche verläuft. Seitlich der Medienverteilungsstruktur ist die Öffnung angeordnet, die einen Kanal zum Zuführen von Medien, insbesondere von Kühlmittel, definiert. Der Kanal verläuft im Brennstoffzellenstapel parallel zur Stapelrichtung und ist von der Außenkante der Bipolarplatte beabstandet. Dazwischen ist wenigstens ein Steg ausgebildet.

Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Steg eine höhere Festigkeit auf und ist bruchstabiler ausgebildet. Insbesondere wird der mechanisch instabile Bereich des sehr schmalen, langen Stegs zwischen Kanal und Außenkante verstärkt, ohne dass ein Durchfluss des Kühlmittels durch senkrecht zur Außenkante ausgebildete Zwischenstege und dgl. behindert wird. Es erübrigt sich vielmehr durch die erfindungsgemäße Konstruktion die Ausbildung zusätzlicher Querstege, um die Stabilität des Stegs zu erhöhen. Der Durchmesser des Kühlmittelkanals wird somit vorteilhafterweise nicht durch unvorteilhafte Querstege eingeschränkt, die einen freien Austausch von Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelkanals stark behindern bzw. für zwei oder mehrere nebeneinander liegende, unabhängige Kühlkanäle sorgen würden.

Somit kann die Bipolarplatte auch günstigerweise aus Graphit oder einem Graphit-Komposit-Material gebildet sein, wobei sehr geringe Materialstärken eingesetzt werden können. Dies hat vorteilhafterweise eine erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparung zur Folge und bringt eine Kostenersparnis mit sich. Bereits vorhandene Konstruktionen, beispielsweise des Membranschnitts, der Bipolarplatte, des Spannsystems, insbesondere der Platten und dgl., können möglicherweise beibehalten werden, so dass für die erfindungsgemäße Ausführung keine gesonderte Konstruktionsplanung erforderlich ist.

Es kann vorgesehen sein, dass die Länge der Öffnung parallel zur Außenkante und wesentlich länger als die Breite senkrecht zur Außenkante ausgebildet ist. Dadurch weist die Öffnung eine langgestreckte Form auf mit einer äußeren und einer inneren Längskante, wobei die äußere Längskante erfindungsgemäß in Richtung zur Außenkante nach außen gekrümmt oder gewölbt ist. Die innere Längskante der Öffnung ist günstigerweise parallel zu der Außenkante ausgebildet. Durch den so ausgebildeten breiteren Steg an seinen äußeren Enden kann vorteilhafterweise zusätzlicher Platz für Positionsbohrungen geschaffen werden.

Aufgrund der langgestreckten Form der Öffnung wird günstigerweise eine hohe Anzahl von Nuten vorgesehen sein, die eine gleichmäßige Zuführung des Kühlmittels zu dem Kühlflussfeld ermöglicht. In einer Ausführungsform erstreckt sich von der inneren Längskante eine Mehrzahl von Nuten zur Medienverteilungsstruktur auf der Hauptfläche, die die Öffnung mit der Medienführung verbinden. Günstigerweise sind die Nuten parallel zueinander angeordnet, wobei die Nuten insbesondere senkrecht zur inneren Längskante verlaufen.

Bevorzugt ist ein Durchmesser der Öffnung in ihrem mittleren Bereich so dimensioniert, dass eine Kühlmittelzuführleitung in die Öffnung einführbar ist. Bei der Kühlmittelzufuhrleitung kann es sich beispielsweise um einen zuführenden Schlauchstutzen handeln, dessen Höhe mit dem Durchmesser der Öffnung im mittleren Bereich korrespondiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert, wo- bei 1 eine Ansicht einer bevorzugten Bipolarplatte zeigt, und 2 eine Detailansicht einer Öffnung der Bipolarplatte.
Die Bipolarplatte 25 ist Teil eines bevorzugten Brennstoffzellenstapels, dessen Stapelrichtung senkrecht zur Bildebene ausgebildet ist. Gase und/oder Flüssigkeiten werden einem inneren Bereich der Bipolarplatte 25, vorzugsweise über eine Medienverteilungsstruktur 11, zugeführt und über weitere, im seitlichen Bereich der Medienverteilungsstruktur angeordnete Kanäle wieder abgeführt. Die Bipolarplatte gemäß 1 umfasst eine parallel zur Bildebene ausgebildete Hauptfläche 10 mit einer Medienverteilungsstruktur 11. Eine Flächenaufteilung der Bipolarplatte 25 bedingt, dass seitlich der Medienverteilungsstruktur 11, und zwar oberhalb und unterhalb der Medienverteilungsstruktur 11, spiegelsymmetrisch Öffnungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f für eine Medienzuführung bzw. -abführung ausgebildet sind. Ein Querschnitt der Öffnungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f ist für einen Durchfluss der jeweiligen Medien, beispielsweise (Druck- )Luft, wasserstoffhaltiges Reformat, flüssiges Kühlmittel und dgl. ausgelegt. Die Öffnungen 12a, 12d definieren einen Kanal 13a, 13d zum Zuführen von Medien, insbesondere von Kühlmittel, der im nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel parallel zur Stapelrichtung verläuft. Die Öffnungen 12b, 12c, 12e, 12f sind seitlich der Öffnungen 12a, 12d angeordnet und bilden ebenfalls jeweils Gaskanäle 13b, 13c, 13e, 13f aus, die senkrecht zur Bildebene angeordnet sind. Die Querschnitte der Öffnungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f ergeben mit einer vorhandenen Gesamtbreite der Bipolarplatte 25 ein solches Breitenverhältnis, dass der Querschnitt des Kühlmittelkanals 13a, 13d mit einer Außenkante 14 der Hauptfläche 10 jeweils besonders langen, schmalen Steg 15 ausbildet. An seinen äußeren Enden 16, 16' weist der Steg 15 eine größere Breite 17 auf als in seiner Mitte. Die Öffnung 12 weist parallel zur Außenkante 14 eine Länge 19 auf, die wesentlich länger ist als ein Durchmesser 18 der Öffnungen 12a, 12d senkrecht zur Außenkante 14.
Insgesamt weisen die Öffnungen 12a, 12d eine langgestreckte Form auf mit einer zur Hauptfläche 10 gewandte inneren Längskante 21 und einer zur Außenkante 14 gewandten äußeren Längskante 22. Die innere Längskante 21 ist geradlinig parallel zur Außenkante 14 ausgebildet. Anders als nach dem Stand der Technik, in dem die äußere Längskante 22 parallel zur inneren Längskante 21 ausgebildet ist, weist die äußere Längskante 22 erfindungsgemäß eine gleichmäßig verlaufende gekrümmte Form auf, wobei die Wölbung nach außen in Richtung zur Außenkante 14 gerichtet ist und ein Krümmungsradius im mittleren Bereich 20 größer ist als in einem Randbereich. Insbesondere ist eine Breite 18 der Öffnungen 12a, 12d in ihrem mittleren Bereich 20 so dimensioniert, dass eine Kühlmittelzuführleitung, beispielsweise ein Schlauchstutzen, in die Öffnungen 12a, 12d einführbar ist, wobei die Öffnungen 12a, 12d im mittleren Bereich 20 jedoch nicht kreisförmig ausgebildet sein muss.
In 2 ist erkennbar, dass sich von der inneren Längskante 21 eine Mehrzahl von Nuten 23 zur Medienverteilungsstruktur 11 auf der Hauptfläche 10 erstreckt, die die Öffnungen 12a, 12d mit der Medienverteilungsstruktur 11 verbinden. Die Nuten 23 sind jeweils parallel zueinander angeordnet und verlaufen senkrecht zur inneren Längskante 21.
Die Bipolarplatte 25 ist aus Graphit oder einem Graphit-Komposit-Material gebildet, so dass die Materialstärke einer Bipolarplatte 25 gering ist. Obschon die graphitische Bipolarplatte sehr bruchempfindlich ist, sind die Stege 15 aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung ausreichend verstärkt. Es erübrigt sich somit die Ausbildung zusätzlicher, quer verlaufender Zwischenstege in den Öffnungen 12a, 12d zur Verstärkung der Stege 15. Dies hat wiederum positive Auswirkungen auf die Nutendichte.

10: Hauptfläche
11: Medienverteilungsstruktur
12a,12b,12c,12d,12e,12f: Öffnungen
13a,13b,13c,13d,13e,13f: Kanäle
14: Außenkante
15: Steg
16,16': äußere Enden
17: Breite
18: Durchmesser
19: Länge
20: mittlerer Bereich
21: innere Längskante
22: äußere Längskante
23: Nuten
25: Bipolarplatte

Claims

Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer parallel zu einer Hauptfläche (10) verlaufenden Medienverteilungsstruktur (11) auf der Hauptfläche (10) und wenigstens einer seitlich der Medienverteilungsstruktur (11) angeordneten Öffnung (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f), die einen Kanal (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) zum Zuführen von Medien, insbesondere Kühlmittel, definiert, der im Brennstoffzellenstapel parallel zur Stapelrichtung verläuft, wobei wenigstens eine der Öffnungen (12a, 12d) mit einer Außenkante (14) der Hauptfläche (10) wenigstens einen Steg (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (15) an seinen äußeren Enden (16, 16') eine größere Breite (17) aufweist als in seiner Mitte.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (19) der Öffnungen (12a, 12d) parallel zur Außenkante (14) wesentlich länger ist als ihr Durchmesser (18) senkrecht zur Außenkante (14).
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (18) der Öffnungen (12a, 12d) in ihrem mittleren Bereich (20) so dimensioniert ist, dass eine Kühlmittelzuführleitung in die Öffnungen (12a, 12d) einführbar ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Hauptfläche (10) gewandte innere Längskante (21) der Öffnungen (12a, 12d) parallel zu der Außenkante (14) ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der inneren Längskante (21) eine Mehrzahl von Nuten (23) zur Medienverteilungsstruktur (11) auf der Hauptfläche (10) erstrecken, die die Öffnungen (12a, 12d) mit der Medienverteilungsstruktur (11) verbinden.
Bipolarplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (23) parallel zu- einander angeordnet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (23) senkrecht zur inneren Längskante (21) verlaufen.
Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte (25) für einen Brennstoffzellenstapel mit wenigs-tens einer parallel zu einer Hauptfläche (10) verlaufenden Medienverteilungsstruktur (11) auf der Hauptfläche (10) und wenigstens einer seitlich der Medienverteilungsstruktur (11) angeordneten Öffnung (12a, 12d), die einen Kanal (13a, 13d) zum Zuführen von Medien, insbesondere Kühlmittel, definiert, der im Brennstoffzellenstapel parallel zur Stapelrichtung verläuft, wobei die Öffnung (12a, 12d) mit einer Außenkante (14) der Hauptfläche (10) wenigstens einen Steg (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (15) an seinen äußeren Enden (16, 16') eine größere Breite (17) aufweist als in seiner Mitte.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (25) aus Graphit oder einem Graphit-Komposit-Material gebildet ist.