DE102008033220A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, mit mindestens zwei planparallel zueinander angeordneten Platten, von denen die eine als Anodenplatte (1.2) und die andere als Kathodenplatte (1.1) ausgebildet ist, auf deren Außenseiten ein Anoden-Strömungsfeld (SF2) bzw. ein Kathodenströmungsfeld (SF1) durch in die Anodenplatte (1.2) bzw. in die Kathodenplatte (1.1) eingebrachten Kanalstrukturen mit Anodenkanälen (K2) bzw. Kathodenkanälen (K1) gebildet ist, wobei zwischen der Anodenplatte (1.2) und der Kathodenplatte (1.1) auf deren Innenseiten durch Negativstrukturen der Kanalstrukturen mindestens ein Kühlmittelkanal (K3) gebildet ist und außenseitig der Anodenplatte (1.2) oder der Kathodenplatte (1.1) eine Trennplatte (T) angeordnet ist, die vom Anodenkanal (K2) bzw. Kathodenkanal (K1) zumindest abschnittweise einen Zudosierungskanal (K4) abtrennt, der fluidisch mit dem Anodenkanal (K2) bzw. dem Kathodenkanal (K1) verbunden ist. Erfindungsgemäß sind in die Trennplatte (T) im Bereich des Zudosierungskanals (K4) entlang dessen Längsausdehnung eine Anzahl von Zudosierungsstellen (SP) angeordnet, wobei die Zudosierungsstellen (SP) benachbarter Zudosierungskanäle (K4) versetzt zueinander angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
• Eine Brennstoffzellenanordnung oder ein Brennstoffzellenstapel (auch kurz Stack genannt) besteht aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten, planparallel übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt auf, beispielsweise in Form einer Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz PEM bezeichnet), die zusammen eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz MEA bezeichnet) bilden.
• Zwischen den im Brennstoffzellenstapel benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen ist jeweils eine Bipolarplatte (auch Bipolar-Separatorplatteneinheit genannt) angeordnet. Die Bipolarplatte dient dabei der Beabstandung benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidationsmittel über die angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnungen und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Anordnungen hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.
• Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltenes Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder abgereicherter Brennstoff.
• Die jeweilige Bipolarplatte besteht dabei aus einem Formteil, vorzugsweise jedoch aus zwei oder mehr planparallel miteinander verbundenen Formteilen, insbesondere Platten – einer Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der einen Membran-Elektroden-Anordnung und einer Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Anordnung – oder einer Platte mit ober- und unterseitig eingebrachten Kanalstrukturen. An der der einen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidationsmittels über der anderen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
• Die Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.
• Um bei einer Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug im Betrieb eine hinreichende Wirtschaftlichkeit und geringe Kosten zu erzielen, sind einerseits die Leistung pro Quadratmeter Zellfläche und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu steigern, indem beispielsweise Leistungsverluste infolge von Kontakt- und/oder Materialwiderständen reduziert sowie Stoff- und Ladungstransport verbessert werden. Andererseits ist eine hohe und gleichmäßige Befeuchtung der PEM gefordert, um die Leitfähigkeit der PEM zu erhöhen und somit die elektrischen Leistungsverluste zu reduzieren.
• Aus der WO 2007/017115 A1 ist eine Zudosierung bekannt, bei welcher die Zudosierungsstellen in benachbarten Kanälen gleich angeordnet sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle anzugeben, welche gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten verbessert ist und die eine einfache Einstellung der Gasversorgung bei gleichzeitig reduziertem Fertigungsaufwand ermöglicht. Darüber hinaus ist eine verbesserte Brennstoffzellenanordnung anzugeben.
• Die Aufgabe wird hinsichtlich der Bipolarplatte erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Hinsichtlich der Brennstoffzellenanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem Brennstoffzellenstapel, umfasst in herkömmlicher Weise zwei planparallel zueinander angeordnete Platten, von denen die eine als Anodenplatte und die andere als Kathodenplatte ausgebildet ist, auf deren Außenseiten ein Anoden-Strömungsfeld bzw. ein Kathodenströmungsfeld durch in die Anodenplatte bzw. in die Kathodenplatte eingebrachte Kanalstrukturen mit Anodenkanälen bzw. Kathodenkanälen gebildet ist, wobei zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte auf deren Innenseiten durch Negativstrukturen der Kanalstrukturen mindestens ein Kühlmittelkanal gebildet ist. Außenseitig der Anodenplatte oder der Kathodenplatte ist eine Trennplatte angeordnet, die vom Anodenkanal bzw. Kathodenkanal zumindest abschnittsweise, bevorzugt über die ganze Länge des Anoden- oder Kathodenkanals einen Zudosierungskanal abtrennt, der fluidisch mit dem Anodenkanal bzw. dem Kathodenkanal verbunden ist. Erfindungsgemäß ist in die Trennplatte im Bereich des Zudosierungskanals entlang dessen Längsausdehnung eine Anzahl von Zudosierungsstellen angeordnet, wobei die Zudosierungsstellen benachbarter Zudosierungskanäle versetzt zueinander angeordnet sind.
• Durch eine derartig aufgebaute Bipolarplatte mit in benachbarten Zudosierungskanälen versetzt zueinander angeordneten Zudosierungsstellen ist einen homogene Feuchteverteilung entlang der Kanäle ermöglicht, wodurch trockene und feuchte Bereiche einer an eine solche Bipolarplatte angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung ineinander geschoben sind. Eine Wasser leitende Schicht kann dann über relativ kurze Transport- oder Strömungswege die Feuchte lokal ausgleichen. Hierdurch sind die Zellenleistung sowie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer einer Brennstoffzelle verbessert.
• In einer möglichen Ausführungsform ist der Zudosierungskanal zwischen der Trennplatte und der Kathodenplatte oder der Trennplatte und der Anodenplatte angeordnet. Hierdurch wird über das jeweilige Strömungsfeld eine weitgehend gleichmäßige Zudosierung erzielt. Hierzu grenzt bei Zudosierung in das Anodenströmungsfeld jeder Anodenkanal oder bei Zudosierung in das Kathodenströmungsfeld jeder Kathodenkanal bevorzugt seitlich an einen Kühlmittelkanal und/oder an einen Zudosierungskanal an. Bevorzugt grenzt jeder Zudosierungskanal seitlich und somit beidseitig jeweils an einen Kühlmittelkanal an. Dabei sind natürlich solche Kanäle, die am Rand der Bipolarplatte liegen und somit nur einseitig einen benachbarten Kanal aufweisen, ausgenommen.
• Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass eine Zudosierung in das Anodenströmungsfeld und/oder das Kathodenströmungsfeld bevorzugt im mindestens ersten Drittel der Gesamtlänge der Zudosierungskanäle erfolgt. Hierzu sind die Zudosierungsstellen zweckmäßigerweise im mindestens ersten Drittel der Zudosierungskanäle angeordnet. Alternativ kann der Zudosierungsbereich sich über die gesamte Länge der Kanäle – des Anodenkanals und/oder des Kathodenkanals – und somit des parallel zu diesen verlaufenden Zudosierungskanals erstrecken, so dass sich das Ende des Zudosierungsbereichs im Bereich des jeweiligen Fluidausgangs befindet. Dadurch können im Zudosierungs- und angrenzenden Anoden- bzw. Kathodenraum Druckverhältnisse eingestellt werden, die ein hinsichtlich des Verlaufs der relativen Feuchte im Zudosierungsbereich vorteilhaftes Einströmen des Oxidationsmittels bzw. des Brennstoffs vom Zudosierungskanal in den Kathodenkanal bzw. den Anodenkanal ermöglichen.
• Vorzugsweise sind die Zudosierungsstellen mit zueinander variierendem Abstand entlang der Längsausdehnung des Zudosierungskanals in die Trennplatte eingebracht. Hierdurch können entsprechende Parameter, wie Fluidversorgung, Druckverhältnisse, Feuchteverteilung und/oder Zudosierungsmenge über das gesamte Strömungsfeld eingestellt werden. So erfolgt beispielsweise bei geringen Eingangsfeuchten, hohen Temperaturen und/oder niedrigem Druck eine Zudosierung über einen größeren Bereich und bevorzugt über das gesamte Strömungsfeld. Beispielsweise sind im Eingangsbereich der Zudosierungskanäle mehr Zudosierungsstellen als im Ausgangsbereich oder umgekehrt vorgesehen. Auch kann der Lochabstand zwischen zwei benachbarten Zudosierungsstellen entsprechend variiert werden.
• Eine mögliche Ausführungsform für eine versetzte Anordnung sieht vor, dass quer zur Strömungsrichtung in jeden zweiten Zudosierungskanal entlang einer Schnittlinie jeweils eine Zudosierungsstelle angeordnet ist, wobei entlang einer in Strömungsrichtung parallel zu dieser Schnittlinie angeordneten weiteren Schnittlinie die Zudosierungsstellen in den anderen dazwischen liegenden Zudosierungskanälen eingebracht sind.
• In einer möglichen Ausführungsform ist die jeweilige Zudosierungsstelle als eine in die Trennplatte eingebrachte Ausnehmung, z. B. eine Durchgangsbohrung, ausgeführt. Die Durchmesser der Bohrungen sind dabei zweckmäßig so ausgelegt, dass der Druckverlust beim Durchströmen der Bohrungen wesentlich höher ist, als der Druckverlust beim Strömen entlang des Zudosierungskanals. Beispielsweise sind Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,3 mm geeignet. Der Durchmesser der Bohrungen ist im Wesentlichen gleich groß. Dadurch ist das Gasvolumen, das pro Zeiteinheit eine Bohrung durchströmt, bei allen Bohrungen etwa gleich groß, so dass die einzudosierende Fluidmenge, insbesondere eine Oxidationsmittelmenge, in einfacher Art und Weise durch die Anzahl der Bohrungen vorgegeben wird.
• In einer weiteren Ausführungsform ist bei einer Zudosierung in das Anodenströmungsfeld oder das Kathodenströmungsfeld die Kanalstruktur der Anodenplatte bzw. der Kathodenplatte, insbesondere im Bereich des Zudosierungskanals, aus teilweise abgestuften Erhebungen und teilweise abgestuften Vertiefungen gebildet. Dies ermöglicht eine einfache Variation des Querschnitts des Zudosierungskanals.
• Hinsichtlich des Kühlmittelkanals ist die Kanalstruktur der Anodenplatte und der Kathodenplatte zweckmäßigerweise im Bereich des Kühlmittelkanals jeweils aus mindestens einer Erhebung gebildet. Dies ergibt einen weitgehend runden oder ovalen Kanal- und Strömungsquerschnitt, der über die Länge des Kühlmittelkanals weitgehend gleich ist.
• Im Unterschied zur herkömmlichen Trennplatte ist die erfindungsgemäße Trennplatte, die beispielsweise den Kathodenraum und den Zudosierungsraum voneinander trennt, so ausgeformt, dass sie zumindest im Kanalbodenbereich und/oder im Seitenwandbereich mit Zudosierungsstellen, die beispielsweise als Durchbrüche ausgebildet sind, versehen ist, so dass die aus diesen Durchbrüchen herausragende Kathodenplatte elektrisch und mechanisch mit der angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung verbunden werden kann. Durch die elektrische Verbindung von Kathodenplatte und Membran-Elektroden-Anordnung ist es ermöglicht, dass die Trennplatte selbst aus einem nicht elektrisch leitenden Material gebildet sein kann. Die Trennplatte kann beispielsweise aus Kunststoff oder einem unbeschichteten Metall sein. Hierdurch ist die Trennplatte gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten, Edelstahl beschichteten Trennplatte besonders einfach und kostengünstig ausgeführt. Zudem muss die Trennplatte nicht mit den anderen Platten verschweißt werden. In der Regel werden die einzelnen Platten einer metallischen Bipolarplatte miteinander verschweißt, um die Platten gegeneinander abzudichten und um den elektrischen Widerstand für die Stromleitung zu reduzieren.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 schematisch eine Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik in Draufsicht auf eine Kathodenplatte mit einem aus Kanälen gebildeten Kathodenströmungsfeld und in eine Trennplatte gleich eingebrachte Zudosierungsstellen benachbarter Zudosierungskanäle,
• 2 schematisch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte im Querschnitt mit in die Trennplatte versetzt zueinander eingebrachten Zudosierungsstellen,
• 3 schematisch die erfindungsgemäße Bipolarplatte gemäß 2 in Draufsicht,
• 4 schematisch die erfindungsgemäße Bipolarplatte gemäß 3 im Querschnitt,
• 5 schematisch ein Diagramm einer relativen Feuchteverteilung entlang eines Kathodenkanals, und
• 6 schematisch ein Strömungsfeld mit den Parallel- und Querströmungen.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt einer herkömmlichen Bipolarplatte 1 aus dem Stand der Technik für eine nicht näher dargestellte Brennstoffzelle zur Anordnung zwischen zwei benachbarten, nicht näher dargestellten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapel.
• Die Bipolarplatte 1 umfasst eine Anodenplatte 1.2 und eine Kathodenplatte 1.1.
• Die Anodenplatte 1.2 und die Kathodenplatte 1.1 sind planparallel zueinander angeordnet. Die Anodenplatte 1.2 und die Kathodenplatte 1.1 sind Formteile, z. B. dünne Metallbleche, welche Erhebungen und Vertiefungen aufweisen, die zur Außenseite, d. h. zur jeweils zugehörigen Membran-Elektroden-Anordnung, ein Anoden-Strömungsfeld SF2 bzw. ein Kathodenströmungsfeld SF1 mit Anodenkanälen K2 bzw. Kathodenkanälen K1 bilden. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden die Anodenkanäle K2 des Anoden-Strömungsfelds SF2 von einem Brennstoff und die Kathodenkanäle K1 des Kathoden-Strömungsfelds SF1 von einem Oxidationsmittel durchströmt.
• Für eine zusätzliche Zudosierung umfasst die Bipolarplatte 1 herkömmliche Zudosierungsstellen SP1, welche quer zur Strömungsrichtung R parallel nebeneinander angeordnet sind.
• Den Kathodenkanälen K1 wird dabei über einen Fluideingang E mit einem Strömungsfluss F in Strömungsrichtung R ein Oxidationsmittel, z. B. Luft oder Sauerstoff, zugeführt.
• 2 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 im Querschnitt.
• Zwischen der Anodenplatte 1.2 und der Kathodenplatte 1.1 und somit innenseitig ist durch Negativstrukturen der äußeren Kanalstrukturen mindestens ein Kühlmittelkanal K3 gebildet. Dabei sind die Anodenplatte 1.2 und die Kathodenplatte 1.1 beispielsweise derart Kanalboden an Kanalboden aufeinander gelegt, dass deren Seitenwände und Stege die innen liegenden Kühlmittelkanäle K3 bilden.
• Zusätzlich zur Anodenplatte 1.2 und Kathodenplatte 1.1 umfasst die Bipolarplatte 1 in diesem Ausführungsbeispiel eine Trennplatte T, die einen Kathodenraum, insbesondere den Kathodenkanal K2, von einem Zudosierungsraum, insbesondere einem Zudosierungskanal K4, abtrennt. Alternativ kann die Trennplatte T in nicht näher dargestellter Art und Weise auch der Abtrennung eines Zudosierungsraumes im Anodenströmungsfeld F1 dienen.
• Der oder die Kühlmittelkanäle K3 und der oder die Zudosierungskanäle K4 können sich dabei in Längsausdehnung der Bipolarplatte 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise abschnittsweise oder vollständig über die gesamte Länge der Bipolarplatte 1 erstrecken.
• Im Ausführungsbeispiel mit einer Zudosierung in das Kathodenströmungsfeld SF1 sind die Zudosierungskanäle K4 fluidisch mit den Kathodenkanälen K1 verbunden. Hierzu ist die Trennplatte T im Bereich der Zudosierungskanäle K4 mit Zudosierungsstellen SP versehen, die beispielsweise als Ausnehmungen, z. B. Bohrungen oder Durchbrüche, ausgebildet sind.
• Zur Einstellung von vorgebbaren Druckverhältnissen und Fließgeschwindigkeiten im Kathodenströmungsfeld SF1 und somit in den Kathodenkanälen K1 und den Zudosierungskanälen K4 kann die Kanalform beider Kanäle entlang ihres Verlaufs variieren.
• Bevorzugt sind darüber hinaus an den Kanalstegen des Kühlmittelkanals K3 nach oben hin offene Durchbrüche vorgesehen (nicht näher dargestellt), so dass die daraus ragende Kathodenplatte 1.1 in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einer angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung elektrisch und mechanisch verbunden werden kann.
• Durch die direkte Verbindung von Kathodenplatte 1.1 und Membran-Elektroden-Anordnung kann die Trennplatte T aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere aus Kunststoff oder einem unbeschichteten Metall, hergestellt sein. Auch kann anstelle einer Trennplatte T für jeden der Zudosierungskanäle K4 ein zugehöriges nicht näher dargestelltes Trennelement eingesetzt werden.
• Im Detail ist die Trennplatte T derart ausgebildet, dass die Zudosierungsstellen SP benachbarter Zudosierungskanäle K4 entlang deren Verläufe zueinander versetzt angeordnet sind. Durch eine solche nicht gleichförmige, sondern versetzte Anordnung der Zudosierungsstellen SP, wie sie deutlich in der 3 zu erkennen ist, können sich leichte Unterschiede in den Kanaltiefen T1 und T1' oder T2 und T2' ergeben.
• Je nach Vorgabe kann dabei sowohl die Anzahl der Zudosierungsstellen SP zur Einstellung der Zudosierung als auch die Anzahl der Durchbrüche zur elektrischen Verbindung variieren. Darüber hinaus kann der Abstand von benachbarten Zudosierungsstellen SP und/oder Durchbrüchen variieren.
• Auch kann beispielsweise der Zudosierungskanal K4 im Eingangsbereich des Kathodenströmungsfeldes SF1 aus teilweise gestuften Vertiefungen und Erhebungen gebildet sein. Bei stufenweise ausgebildeten Vertiefungen und Erhebungen zur Kanalbildung kann die fluidische Verbindung von Zudosierungskanal K4 und Kathodenkanal K1 durch im Kanalbodenbereich eingebrachte Ausnehmungen erfolgen (siehe 4).
• Zusätzlich oder alternativ kann die Zudosierung über in Seitenwände eingebrachte Ausnehmungen erfolgen (nicht näher dargestellt).
• Zur Variation der Kanalformen des Zudosierungskanals K4 und/oder des Kathodenkanals K1 können diese alternativ oder zusätzlich zur Konturenänderung im jeweiligen Kanalbodenbereich zumindest abschnittsweise mit einer Füllung versehen sein. Dabei wird sichergestellt, dass bei Variation der Kanalkonturen und -abmessungen die Gesamthöhe und somit die Dicke der Bipolarplatte 1 gleich bleibt.
• In einer weiteren, möglichen Ausführungsform kann bzw. können einer oder mehrere der Zudosierungskanäle K4 abschnittsweise ganz oder zumindest teilweise mit einer Füllung gefüllt sein. Dabei erfolgt das Füllen des Bodenbereichs des Zudosierungskanals K4 und/oder des Kathodenkanals K1 beispielsweise durch Siebdruck oder Pulverbeschichtung.
• 5 zeigt ein Beispiel für eine relative Feuchteverteilung ”F” des Oxidationsmittels, z. B. Luft, entlang von zwei benachbarten Kathodenkanälen K1 im Strömungsfeld SF1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle so ausgelegt und aufgebaut, dass in den Kathodenkanälen K1 eine relative Feuchte von 1 erreicht wird und zwar für nicht vorbefeuchtete Gase. Feuchte und trockene Bereiche des einen Kathodenkanals K1 liegen dabei versetzt zu denen des Nachbarkathodenkanals. In der Nähe des Katalysators ist die Feuchte größer als im Kathodenkanal K1, insbesondere unter den Stegen S1. Das heißt, dass von der PEM bzw. genauer gesagt vom Kathodenkatalysator, an dem die Reaktion stattfindet, zum Kathodenkanal K1 hin ein Feuchtegradient besteht. Das Reaktionswasser wird über den Kathodenkanal K1 abgeführt. Der Feuchtegradient ist insbesondere dann groß, wenn das Kathodengas sehr trocken ist. Unter den Stegen S1 ist der Diffusionsweg des Produktwassers zum Kathodenkanal K1 länger. Dadurch ergibt sich dort eine größere Feuchte. Je nach Feuchte auf der Anodenseite diffundiert auch Wasser zur Anodenseite.
• 6 zeigt schematisch ein Beispiel für ein aus der versetzten Anordnung der Zudosierungsstellen SP resultierendes Kathoden-Strömungsfeld SF1 mit dem Strömungsfluss F in den Kanälen K1 und Querströmungen Qs über die Stege S1. Stromabwärts einer Zudosierungsstelle SP weist der jeweilige Kanalabschnitt des Kathodenkanals K1 ein relativ trockenes Fluid, insbesondere Gas auf. Entlang des Stromes steigt dann die Feuchte an. Der Wassertransport in und auf der Polymer-Elektrolyt-Membran findet dann von den feuchten zu den trockenen Bereichen statt. Durch den Ausgleich des Wassers verändert sich das lokale Feuchteprofil. D. h. die lokale Feuchte gleicht sich aus. Durch eine solche homogene Feuchteverteilung wird die Zellreaktion verbessert. Die Wassertransporteigenschaften der Polymer-Elektrolyt-Membran können durch geeignete Maßnahmen verbessert werden, z. B. durch eine hydrophile Schicht oder hydrophile Fasern.
• Degradationseffekte, die auf Unterversorgungen oder zu trockene Brennstoffzellen zurückzuführen sind, werden reduziert. Negative Beeinflussungen der Zellreaktion durch Flüssigwasser werden ebenfalls reduziert.
• Um die Feuchte der benachbarten Kathodenkanäle K1 zu homogenisieren, ist auch eine Stegunterströmung oder Querströmung Qs möglich, wodurch ein mehr oder weniger kontinuierlicher Feuchtausgleich benachbarter Kathodenkanäle K1 möglich ist.
• Des Weiteren werden die Zudosierungsstellen SP derart gewählt, dass vorzugsweise an feuchten Stellen ein höherer Druck als an trockenen Stellen herrscht.

1

Bipolarplatte

1.1

Kathodenplatte

1.2

Anodenplatte

F

Strömungsfluss

F1

Kathodenströmungsfeld

F2

Anodenströmungsfeld

K1

Kathodenkanal

K2

Anodenkanal

K3

Kühlmittelkanäle

K4

Zudosierungskanäle

Qs

Querströmung

R

Strömungsrichtung

SP

Zudosierungsstellen

SP1

Zudosierungsstellen gemäß Stand der Technik

T

Trennplatte

T1, T2

Kanaltiefe

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - WO 2007/017115 A1 [0008]

Claims (12)

1. Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle mit mindestens zwei planparallel zueinander angeordneten Platten, von denen die eine als Anodenplatte (1.2) und die andere als Kathodenplatte (1.1) ausgebildet ist, auf deren Außenseiten ein Anoden-Strömungsfeld (SF2) bzw. ein Kathodenströmungsfeld (SF1) durch in die Anodenplatte (1.2) bzw. in die Kathodenplatte (1.1) eingebrachte Kanalstrukturen mit Anodenkanälen (K2) bzw. Kathodenkanälen (K1) gebildet ist, wobei zwischen der Anodenplatte (1.2) und der Kathodenplatte (1.1) auf deren Innenseiten durch Negativstrukturen der Kanalstrukturen mindestens ein Kühlmittelkanal (K3) gebildet ist und außenseitig der Anodenplatte (1.2) oder der Kathodenplatte (1.1) eine Trennplatte (T) angeordnet ist, die vom Anodenkanal (K2) bzw. Kathodenkanal (K1) zumindest abschnittsweise einen Zudosierungskanal (K4) abtrennt, der fluidisch mit dem Anodenkanal (K2) bzw. dem Kathodenkanal (K1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trennplatte (T) im Bereich des Zudosierungskanals (K4) entlang dessen Längsausdehnung eine Anzahl von Zudosierungsstellen (SP) angeordnet ist, wobei die Zudosierungsstellen (SP) benachbarter Zudosierungskanäle (K4) versetzt zueinander angeordnet sind.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zudosierungskanal (K4) zwischen der Trennplatte (T) und der Kathodenplatte (1.1) oder zwischen der Trennplatte (T) und der Anodenplatte (1.2) angeordnet ist.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zudosierungskanal (K4) seitlich an einen Kühlmittelkanal (K3) angrenzt.
4. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zudosierung in das Anodenströmungsfeld (SF2) oder das Kathodenströmungsfeld (SF1) die Zudosierungsstellen (SP) mindestens im ersten Drittel der Gesamtlänge der Trennplatte (T) eingebracht sind.
5. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierungsstellen (SP) als in die Trennplatte (T) eingebrachte Ausnehmungen ausgebildet sind.
6. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Strömungsrichtung (R) entlang einer Schnittlinie in die Trennplatte (T) im Bereich jedes zweiten Zudosierungskanals (K4) jeweils eine der Zudosierungsstellen (SP) eingebracht ist.
7. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zudosierungskanäle (K4) im Querschnitt abschnittsweise ganz oder zumindest teilweise gefüllt ist.
8. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (T) aus einem elektrisch nicht leitenden Material ist.
9. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (1.1) aus Kunststoff ist.
10. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierungsstellen (SP) mit zueinander variierendem Abstand entlang der Längsausdehnung des Zudosierungskanals (K4) in die Trennplatte (T) eingebracht sind.
11. Brennstoffzellenanordnung mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen, die als Membran-Elektroden-Anordnung mit einer zwischen zwei Gasdiffusionselektroden angeordneten Elektrolytmembran ausgebildet sind, wobei zwischen mindestens zwei Brennstoffzellen jeweils eine Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist.
12. Verwendung einer Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Brennstoffzellenanordnung aus einer Anzahl von gestapelten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, zwischen denen die Bipolarplatte (1) angeordnet ist.