DE102008018595A1

DE102008018595A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102008018595A1
Application number: DE102008018595A
Authority: DE
Inventors: Klaus Luz; Herbert Dr.-Ing. Damsohn; Wolfram Kaiser
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) umfassend eine Bipolarplatte (2) aus zwei Plattenelementen (3, 4), wobei sich durch Verbinden beider Plattenelemente an der Außenfläche jedes Plattenelementes ein Kanalsystem (5a, 5b) für zumindest ein erstes Fluid ergibt und sich ein platteninneres Kanalsystem (6) für ein zweites Fluid ergibt, wobei das platteninnere Kanalsystem zumindest eine Öffnung (7a, 7b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zumindest einen Öffnung Mittel (8, 9, 10, 11, 12) vorgesehen sind, die ein Verformen der Plattenelemente verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels Brennstoffzellen stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff dar. Dabei finden üblicherweise zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt beziehungsweise gebunden werden. Die Reaktanden Sauerstoff und Wasserstoff können in Form verschiedener Fluide bereitgestellt werden, sie müssen nicht zwingend in reiner Form vorliegen. Die Verwendung von reinem, molekularem Sauerstoff und Wasserstoff ist ebenso möglich wie die Verwendung von Luftsauerstoff und Methan. Ein erstes Beispiel für zwei korrespondierende Elektrodenreaktionen sind folgende Reaktionen: H₂ => 2H⁺ + 2e^– (Anodenreaktion) 2H⁺ + 2e^– + ½ O₂ => H₂O (Kathodenreaktion)
Durch elektrische Verbindung der räumlich getrennten Reaktionszonen kann ein Teil der dabei umgesetzten Reaktionsenthalpie direkt als elektrischer Strom gewonnen werden. Üblicherweise werden mehrere elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen aufeinandergestapelt und ein solchermaßen gebildeter Stapel als Stromquelle verwendet. Eine einzelne Brennstoffzelle besteht dabei aus einer Elektrolyteinheit wie einer Membran sowie aus zwei mit Katalysatormaterial belegten Elektroden. Die Membran befindet sich trennend zwischen den Reaktanden und weist eine Ionenleitfähigkeit auf, beispielsweise eine H⁺-Protonenleitfähigkeit oder eine O^2–-Leitfähigkeit. Die Elektroden sind unter anderem zum Abgriff des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms erforderlich. Eine derartige Anordnung aus Elektroden und Membran wird auch MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) genannt.
Die Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff und das Reaktionsprodukt Wasser sowie gegebenenfalls ein Kühlmittel zum Abtransport überschüssiger Reaktionswärme strömen durch Fluidkanäle, wobei die Reaktanden nicht notwendigerweise in reiner Form vorliegen müssen. Beispielsweise kann das Fluid auf der Kathodenseite Luft sein, deren Sauerstoff an der Reaktion teilnimmt. Insbesondere bei Verwendung eines Kühlfluids wird durch eine thermische Verbindung der jeweiligen Fluidkanäle für einen ausreichenden Wärmeübertrag zwischen den jeweiligen Fluiden gesorgt.
In der DE 100 15 360 A1 wird eine Separatorplatte für Brennstoffzeilen beschrieben, die aus zwei geprägten Platten besteht. Eine Fläche der geprägten Platten weist jeweils eine positive Kanalstruktur auf und eine andere Fläche weist eine korrespondierende negative Kanalstruktur auf. Durch Verbin den beider Platten ergibt sich ein platteninneres Kanalsystem für ein Kühlmittel und an den Außenflächen jeder Platte ein Kanalsystem für Gasströme. Besonders problematisch bei der Ausführung von Bipolarplatten, die aus geprägten Halbschalen gefügt werden und eine interne Kühlfluidverteilerstruktur besitzen, ist die konstruktive Ausführung der Kühlfluidzu- beziehungsweise Abführung, der sog. „Ports”, die einerseits eine möglichst ungehinderte Zu- bzw. Abführung des Kühlfluids in bzw. aus der Bipolarplatte ermöglichen sollen, andererseits aber durch Dichtungen gegenüber den Prozessgasräumen abgedichtet werden müssen.
Vor diesem Hintergrund ist die mechanische Belastung der Portumgebung durch die Einwirkung der Dichtungen von besonderer Bedeutung. Ohne geeignete Maßnahmen zur Kompensation der durch die Dichtungen übertragenen Kräfte kann es durch Verformungen zu einer deutlichen Reduzierung der Fluidströme, die durch das Kühlflowfield geleitet werden sollen, kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit optimiertem Kühlfluidstrom im Portbereich bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Grundgedanken der Erfindung weist eine Brennstoffzelle eine Bipolarplatte aus zwei Plattenelementen auf, wobei sich durch Verbinden beider Plattenelemente an der Außenfläche jedes Plattenelementes ein Kanalsystem für zumindest ein erstes Fluid ergibt und sich ein platteninneres Kanalsystem für ein zweites Fluid ergibt, wobei das platteninnere Kanalsystem zumindest eine Öffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zumindest einen Öffnung Mittel vorgesehen sind, die ein Verformen der Plattenelemente verhindern.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, dass der Fluidstrom des zweiten Fluides, insbesondere eines Kühlfluides, nicht beeinträchtigt wird.
Bevorzugt sind die Mittel im Bereich der Öffnungen zwischen den Plattenelementen angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel als Einsätze, beispielsweise aus einem gebogenen Blech ausgebildet und insbesondere mit den Plattenelementen stoffschlüssig verbunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel Teil eines Plattenelementes. Somit wird eine weitere Material- und damit Gewichts- und Kostenreduktion erzielt. Beispielsweise können diese Mittel als Falz oder Versteifungszungen ausgebildet sein.
Alternativ ist es in einer weiteren Ausführungsform auch möglich Noppen in die Plattenelemente zu prägen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 die Positionierung einer Bipolarplatte zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs);
2 einen Schnitt durch einen kreisförmigen Ausschnitt einer Bipolarplatte;
3 einen Schnitt durch eine Bipolarplatte mit verengtem Kanalsystem;
4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte;
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte;
7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte;
8 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte;
9 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte;
1 zeigt die prinzipielle Positionierung einer Bipolarplatte 2, die ein oberes 3 und ein unteres 4 Plattenelement umfasst, wobei zwischen den Plattenelementen ein Kanalsystem 6 für ein Fluid, vorzugsweise ein Kühlfluid, ausgebildet wird. An die Bipolarplatte 2 grenzt oberhalb und unterhalb eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auch Brennstoffzelle 1 genannt, die jeweils aus zwei Elektroden 14a, 14b und einer Polyermembran 15 besteht.
Da die maximal erzielbare Zellenspannung einer Einzelzelle 1 physikalisch begrenzt ist und im Anwendungsfall regelmäßig unter 1 V, typischerweise im Bereich 0,5 bis 0,7 V liegt, werden zur Herstellung höherer Spannungen und Leistungen mehrere Einzelzellen in Form einer elektrischen Serienschaltung zusammengeschaltet. Dieser im Folgenden als Stapelaufbau bezeichnete Komplex besteht aus einer oder mehreren aufeinander gestapelten und in einer elektrischen Serienschaltung angeordneten, planaren Einzelzellen 1.
2 zeigt einen Schnitt durch einen kreisförmigen Ausschnitt aus einer Bipolarplatte im Bereich der Kühlfluidports 7a und 7b. Zur Abdichtung gegenüber den Prozessgasräumen 5a und 5b wird eine hier kreisförmig ausgeführte Dichtung 13 eingesetzt, die die Portöffnungen 7a und 7b von den Prozessgasen beziehungsweise Prozessgasräumen 5a und 5b abschirmt.
Zur Beaufschlagung des Kanalsystems 6, auch Bipolarplattenkühlflowfield genannt, mit Kühlfluid F wird der Port 7a in axialer Richtung mit Kühlfluid F durchströmt, wobei der durch die Bipolarplatte geleitete Anteil von den Portöffnungen aus vorzugsweise radial in Richtung des Kühlflowfields 6 abgeleitet wird. Wird die Materialdicke der beiden Plattenelemente 3 und 4 aus Gründen der Material- und Gewichtserparnis dünn gewählt, ist eine durch die für die Dichtung 13 erforderliche Anpresskraft eine Verformung der Portgeometrie dahingehend möglich, dass die Einströmfläche von den Portöffnungen in das Kühlflowfield 6 verengt und der Fluidtransport damit erschwert wird. Zusätzlich kann auch noch die Dichtwirkung abgesenkt werden (3). Im Extremfall kann es zu einer Versiegelung der Zu- und Abströmbereiche kommen, was zum Ausfall der Kühlung und zu einem deutlichen Leistungsverlust bzw. zur Zerstörung der Zelle führen kann.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß vorliegender Erfindung. Hierbei wird die Verformung der Plattenelemente durch einen Einsatz 9 verhindert. Der Einsatz 9, der vor dem Fügen der beiden Plattenelemente im Bereich der Öffnungen eingebracht wird und aus einer ringförmigen Wellblechstruktur 9 besteht, verleiht dem Bereich der Öffnungen eine hohe Steifkeit und ermöglicht einen guten Fluidtransport in axialer und radialer Richtung.
Da die Verwendung eines Einlegeeinsatzes mit zusätzlichen Fertigungs- und Handhabungsschritten im Rahmen des Fügeverfahrens verbunden ist, wird in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung anstatt eines Einsatzes eine Einprägung 8 im Bereich der Öffnungen verwendet (5), die in dieser Ausführungsform kreuzförmiger Natur ist, natürlich aber auch andere Formen annehmen kann. Durch die Verwendung dieser Art der Verstärkung können gleichfalls Verformungen im Dichtungsbereich vermieden werden. Da diese Art der Verstärkung im gleichen Fertigungsschritt wie die Plattenelemente selbst geprägt werden kann und darüber hinaus auf ein zusätzliches Einlegeteil verzichtet wird, stellt diese Ausführungsform eine besonders ökonomische Variante dar.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß 6 wird der Bereich der Öffnungen 7a und 7b mit einer Falzverstärkung 10 versehen. Dazu werden Bereiche des Plattenelementes im Bereich der Portöffnung 7 ein- oder mehrfach gefalzt und dadurch eine Verstärkung erzielt, die im Hinblick auf ihre mechanische Festigkeit der Verwendung eines Segments aus Vollmaterial entspricht. Bei dieser Variante kann ebenfalls auf die Verwendung eines zusätzlichen Einlegeteils verzichtet werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung wird der Bereich der Öffnungen 7a und 7b durch nach innen (7) oder nach außen gebogene Versteifungszungen 11 (8) versteift. Dazu werden Bereiche der Plattenelemente im Bereich der Portöffnung umgebogen und beim Fügevorgang beispielsweise durch Löten miteinander verbunden. Vorteil dieser Variante ist, dass nicht nur auf ein Einlegeteil verzichtet werden kann, sondern das insbesondere nach der Ausführungsform gemäß 7 auch eine Störung der Strömung im Port selbst vermieden wird.
Alternativ können in einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 9 Noppen 12 dazu dienen, den Bereich der Öffnungen 7a und 7b mit einer erhöhten Steifigkeit zu versehen, wobei die Noppen 12 beispielsweise im gleichen Fertigungsschritt wie die Plattenelemente und die Dichtnut 14 geprägt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10015360 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzelle (1) umfassend eine Bipolarplatte (2) aus zwei Plattenelementen (3, 4), wobei sich durch Verbinden beider Plattenelemente an der Außenfläche jedes Plattenelementes ein Kanalsystem (5a, 5b) für zumindest ein erstes Fluid ergibt und sich ein platteninneres Kanalsystem (6) für ein zweites Fluid ergibt, wobei das platteninnere Kanalsystem zumindest eine Öffnung (7a, 7b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zumindest einen Öffnung Mittel (8, 9, 10, 11, 12) vorgesehen sind, die ein Verformen der Plattenelemente verhindern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zwischen den Plattenelementen (3, 4) angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer Außenfläche der Plattenelemente ein Dichtelement (13) angeordnet ist, das ein Vermischen des zumindest einen ersten Fluids und des zweiten Fluid verhindert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement in einer Dichtnut (14) eingelegt ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid ein Kühlfluid ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) als Einsätze (9) ausgebildet sind, die zumindest bereichsweise zwischen den Plattenelementen angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze eine Wellblechstruktur aufweisen.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Falz (10) ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Falz ein Teil zumindest eines Plattenelementes ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Einprägung (8) oder Versteifungszungen (11) ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Noppen (12) ausgebildet sind, die zumindest bereichsweise zwischen den Plattenelementen angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (13) mit einer Brennstoffzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.