DE102009002506B4

DE102009002506B4 - Anordnung zur Medienverteilung, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102009002506B4
Application number: DE102009002506A
Authority: DE
Inventors: Stefan Nettesheim; Sven Jakubith
Original assignee: EKPRO GmbH
Current assignee: EKPRO GmbH
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: DE102009002506A1

Abstract

Anordnung zur Medienverteilung in einer Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel, mit einer elektrisch leitenden Medienverteilerplatte (1), welche an mindestens einer ihrer großen Außenflächen eine Struktur zur Zuführung der Edukte für einen zwischen dieser Medienverteilerplatte (1) und einer weiteren Platte (1, 8) zur Medienverteilung angeordneten MEA (7) einer Brennstoffzelle und zur Abführung der in dem MEA (7) entstehenden Reaktionsprodukte aufweist, wobei die entsprechende Struktur der betreffenden Außenfläche der Medienverteilerplatte (1) durch unmittelbar an dem MEA (7) anliegende Plateaus (2) und zwischen diesen Plateaus (2) angeordnete, gegenüber dem MEA (7) beabstandete und jeweils eine Sohle (4) aufweisende Vertiefungen (3) zur Führung der Edukte und Reaktionsprodukte gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die an der mindestens einen Außenfläche der Medienverteilerplatte (1) ausgebildete Struktur mit mindestens einem plattenförmigen Segmentierungselement (5) in Eingriff gebracht ist, welches hierzu korrespondierend zu den Plateaus (2) der Struktur angeordnete und komplementär zu ihnen ausgebildete Durchbrüche (6) aufweist, so dass das...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Medienverteilung, eine unter Verwendung einer entsprechenden Anordnung zur Medienverteilung ausgebildete Brennstoffzelle sowie ferner einen aus mehreren derartigen Brennstoffzellen ausgebildeten Brennstoffzellenstapel. Ein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Anordnung zur Medienverteilung ist eine elektrisch leitende Medienverteilerplatte, welche erfindungsgemäß durch ein zusätzliches Element ergänzt ist. In einer Struktur mit einem Stapel (Stack) aus mehreren Brennstoffzellen sind die einzelnen Brennstoffzellen strukturell betrachtet durch eine oder zwei solcher Medienverteilerplatten voneinander abgegrenzt, so dass die Platten teilweise auch als Separatorplatten bezeichnet werden. Soweit benachbarte Brennstoffzellen innerhalb eines solchen Stapels jeweils durch nur eine Medienverteilerplatte separiert sind, welche kathodenseitig mit der einen Brennstoffzelle und gleichzeitig anodenseitig mit der benachbarten Brennstoffzelle in einen elektrisch leitenden Kontakt gebracht ist, wird für eine solche Platte ferner der Begriff Bipolarplatte verwendet.
Bekannte Brennstoffzellen bestehen im Wesentlichen aus einem Elektrolyten in Form einer Membran oder einen dünnen Schicht, an deren einander gegenüberliegenden großen Flächen, vorzugsweise durch geeignete Beschichtung, Elektroden ausgebildet sind. Der aus dem Elektrolyten und den daran angeordneten Elektroden bestehende Aufbau, welcher als MEA – Membran-Elektroden-Aufbau beziehungsweise membran electrode assambly – bezeichnet wird, ist zwischen zwei elektrisch leitenden Platten angeordnet, welche unter anderem der Kontaktierung der eine Anode und eine Kathode ausgebildeten Elektroden der Brennstoffzelle dienen. Die vorgenannte elektrolytische Schicht des MEA ist gasundurchlässig, elektrisch isolierend, aber ionenleitfähig. Bei einer häufig verwendeten Brennstoffzellenform ist diese Schicht in Form einer polymeren Ionenaustauschmembran realisiert.
Die Funktionsweise von Brennstoffzellen beruht auf einer elektrochemischen Umwandlung von Brennstoff und Oxidationsmittel, zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff, in elektrischen Strom, Wärme und Reaktionsprodukte, wobei die entsprechenden elektrochemischen Reaktionen an den katalytischen Elektroden des MEA ablaufen. Die Zuführung der Edukte beziehungsweise Reaktanden sowie die Abfuhr der bei ihrer elektrochemischen Umsetzung entstehenden Reaktionsprodukte erfolgt über die eingangs genannten auch der Kontaktierung dienenden Platten, zwischen denen der MEA angeordnet ist. Hierfür weisen die Platten an ihren dem MEA zugewandten Außenflächen eine entsprechende Strukturierung zur Führung der Edukte beziehungsweise zur Abführung Reaktionsprodukte auf. Da im Zusammenhang mit der Erfindung die durch die Platten erfüllte Funktion der Medienverteilung im Vordergrund steht, sollen die Platten nachfolgend und insbesondere bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung im Allgemeinen als Medienverteilerplatten bezeichnet werden.
Eine durch entsprechende Medienverteilerplatten und einen zwischen ihnen angeordneten MEA ausgebildete Brennstoffzelle liefert im Allgemeinen eine Spannung von ca. 1 Volt und kann, sofern sie mit Kontaktierungsmitteln zur externen Beschaltung vervollständigt wird, als Einzelzelle für die Versorgung von Verbrauchern eingesetzt werden. Häufig werden jedoch zur Versorgung entsprechender Verbraucher beziehungsweise elektrischer Geräte höhere Versorgungsspannungen benötigt. Um unter Nutzung des Prinzips der Brennstoffzelle Spannungsversorgungen mit höheren Spannungswerten zur Verfügung zu stellen, ist es daher bekannt, mehrere gleich aufgebaute Brennstoffzellen mittels dazu geeigneter Elemente zu einem Brennstoffzellenstapel zu verspannen und diesen mit entsprechenden Kontaktierungsmitteln für die äußere Beschaltung zu versehen. Auf diese Weise entsteht eine sich mehrfach wiederholende Abfolge von Medienverteilerplatten und dazwischen angeordneten MEA's. Vorzugsweise sind dabei die Medienverteilerplatten, abgesehen von den am Stapel außen angeordneten Platten, beidseitig mit einer Struktur zum Zuführen der Edukte beziehungsweise Abführen der Reaktionsprodukte ausgebildet, so dass sie jeweils gleichzeitig zur Kontaktierung der Anode einer Brennstoffzelle und der Kathode der dazu benachbart angeordneten Brennstoffzelle dienen. Bezogen auf einen solchen Stapelverband mehrerer Brennstoffzellen werden die Medienverteilerplatten daher, wie bereits ausgeführt, auch als Bipolarplatten oder als Separatorplatten bezeichnet.
Je nach dem Betriebsmodus der Brennstoffzellen ist es zur Gewährleistung ihrer Funktionsfähigkeit im Allgemeinen erforderlich, die bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Wärme abzuführen. Hierzu sind unterschiedliche Möglichkeiten gegeben. Eine besonders gute Kühlung wird mit Hilfe flüssiger Kühlmedien erreicht, welche die Wärme von den Medienverteilerplatten beziehungsweise Separatorplatten abführen. Allerdings müssen hierzu in den Medienverteilerplatten zusätzliche Strukturen zur Führung eines entsprechenden Kühlmediums ausgebildet werden, wodurch deren Aufbau sehr kompliziert und verhältnismäßig teuer wird. Im Hinblick auf die Verwendung gasförmiger Edukte beziehungsweise Reaktanden ist es daher üblich, die entsprechenden Gase gleichzeitig zur Kühlung der Medienverteilerplatten beziehungsweise Separatorplatten einzusetzen. Dies gilt insbesondere, sofern es sich, wie häufig üblich, bei einem der Reaktanden um Luftsauerstoff (ein anderer Reaktand ist in diesem Falle im Allgemeinen Wasserstoff) handelt. Hierbei muss sichergestellt werden, dass der Brennstoffzelle im Hinblick auf die elektrochemische Reaktion einerseits und andererseits für eine effektive Kühlung der Medienverteilerbeziehungsweise Separatorplatte(n) eine möglichst optimale Menge von Sauerstoff, das heißt eine dementsprechende Durchflussmenge eines Luftstroms zur Verfügung gestellt wird. Um eine mit dem Einsatz flüssiger Kühlmedien vergleichbare Kühlwirkung zu erreichen, wird dazu bei bekannten Ausbildungsformen von Brennstoffzellen die Luft mittels eines Gebläses zugeführt. Eine Ausbildungsform, bei welcher der für die elektrochemische Reaktion benötigte Luftsauerstoff und die zur Kühlung benötigte Luft in einem gemeinsamen Strömungsfeld zugeführt werden, wird zum Beispiel durch die US 4,599,282 A beschrieben. Eine ähnliche Vorgehensweise ist bei Brennstoffzellen mit einer so genannten offenen Kathode bekannt. Brennstoffzellen dieser Art, bei denen für die Zuführung der Luft ein Gebläse zum Einsatz kommt, werden zum Beispiel in der US 2005/0008912 A1 und in der DE 28 31 799 C2 beschrieben.
Ein Nachteil der vorgenannten Lösungen besteht darin, dass bei einer für eine wirksame Kühlung ausreichenden Zufuhr von Luft die Gefahr besteht, dass die Ionenaustauschmembran des MEA austrocknet. Zur Aufrechterhaltung der ionischen Leitfähigkeit der Ionenaustauschmembran und damit zur Gewährleistung der Funktion der Brennstoffzelle ist es aber unerlässlich, dass die Ionenaustauschmembran feucht ist. Insoweit muss die Luftzufuhr zur Verhinderung eines Austrocknens der Ionenaustauschmembran so eingestellt werden, dass dies im Allgemeinen mit Abstrichen bezüglich der Kühlung der Brennstoffzelle verbunden ist. Je nach Aufbau der jeweiligen Brennstoffzelle ist darüber hinaus beim Einsatz eines gemeinsamen Strömungsfeldes für die Kühlung und die Versorgung der elektrochemischen Reaktion das Problem gegeben, dass bei der Zuführung zu großer Luftmengen die für die chemische Reaktion erforderliche stöchiometrische Luftmenge um ein Vielfaches überschritten wird. Auch dies wirkt sich wiederum nachteilig auf die Funktion und die Lebensdauer der Brennstoffzelle aus.
Zur Vermeidung der zuvor geschilderten Probleme sind Lösungen bekannt geworden, gemäß welcher die Medienverteilerplatten so ausgebildet sind, dass die zur Kühlung einerseits benötigte Luftzufuhr und die zur Aufrechterhaltung der chemischen Reaktion andererseits benötigte Luftmenge voneinander unabhängig beeinflusst werden können. Entsprechende Lösung sind beispielsweise aus der US 5,972,530 A und der DE 10 2004 058 117 A1 bekannt, nach welchen in den Medienverteilerplatten beziehungsweise Separatorplatten gezielt gesonderte Kühlkanäle ausgebildet werden, über welche die einströmende Luft an die Kathodenoberfläche transportiert wird. Die Herstellung entsprechend ausgebildeter Medienverteilerplatten ist jedoch aufgrund ihres vergleichsweise komplizierten Aufbaus fertigungstechnisch recht aufwendig und daher verhältnismäßig teuer. Zudem weisen die Platten ein relativ großes Volumen auf, wodurch sich in nachteiliger Weise die Baugröße der Brennstoffzellen erhöht. Vergleichbar aufwendige beziehungsweise noch aufwendigere Lösungen werden in der DE 10 2005 046 795 A1 , der DE 10 2006 009 844 A1 und in der US 4,489,142 A offenbart. Gemäß diesen Druckschriften werden die Medienverteilerplatten beziehungsweise Separatorplatten für eine gezielte Beeinflussung der Luftströme mehrschichtig ausgebildet. Auch hierdurch ergibt sich ein komplizierter Plattenaufbau, wobei die einzelnen Komponenten zueinander sehr passgenau ausgebildet werden müssen. Zudem ergibt sich durch die Mehrschichtigkeit ein erhöhter Aufwand für die Abdichtung und für die elektrische Kontaktierung der Zellen beziehungsweise die elektrische Isolation zusätzlich entstehender Flächen.
Ein demgegenüber grundsätzlich anderer Ansatz wird in der DE 197 09 199 A1 beschrieben. Bei der in der Druckschrift beschriebenen Brennstoffzelle wird auf die an einer Oberfläche der Ionenaustauschmembran ausgebildete Kathode eine zusätzliche Sperrschicht aufgebracht. Durch die zusätzliche Sperrschicht wird auch im Falle einer Zuführung größerer Luftmengen eine Austrocknung der Ionenaustauschmembran wirkungsvoll verhindert. Dem steht allerdings der Nachteil gegenüber, dass die zusätzliche Sperrschicht gleichzeitig den Sauerstofftransport zur reaktiven Oberfläche der Ionenaustauschmembran behindert und so die Stromdichte begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Medienverteilung zur Verfügung zu stellen, welche bei einem einfachen Aufbau die Zufuhr einer für die elektrochemische Reaktion optimalen Luftmenge bei einer gleichzeitig wirkungsvollen Kühlung einer Brennstoffzelle mittels der zugeführten Luft ermöglicht und dabei außerdem die Gefahr eines Austrocknens der Ionenaustauschmembran reduziert. Ferner sollen eine entsprechend ausgebildete Brennstoffzelle und ein das erfindungsgemäße Grundprinzip nutzender Brennstoffzellenstapel angegeben werden.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Eine die Aufgabe lösende Brennstoffzelle ist durch den ersten, sich auf eine Brennstoffzelle beziehenden Anspruch charakterisiert. Ein entsprechender Brennstoffzellenstapel ist durch die Merkmale des ersten, sich auf einen solchen Stapel beziehenden Patentanspruchs gegeben. Vorteilhafte Ausbeziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.
Die zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Anordnung zur Medienverteilung ist zur Verwendung in einer Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel geeignet. Teil der Anordnung ist eine elektrisch leitfähige Medienverteilerplatte grundsätzlich bekannter Ausbildung. Diese Medienverteilerplatte weist an mindestens einer ihrer großen Außenflächen eine Struktur zur Zuführung der Edukte für einen zwischen dieser Medienverteilerplatte und einer weiteren, ähnlich oder gleich ausgebildeten Platte zur Medienverteilung angeordneten MEA sowie zur Abführung der in diesem MEA entstehenden Reaktionsprodukte auf. Die entsprechende Struktur der betreffenden Außenfläche der Medienverteilerplatte ist durch unmittelbar an dem MEA anliegende Flächenbereiche beziehungsweise Plateaus und durch zwischen diesen Plateaus angeordnete, gegenüber dem MEA beabstandete Vertiefungen ausgebildet. Die letztgenannten, jeweils eine Sohle aufweisenden Vertiefungen dienen dabei zur Führung der schon erwähnten Edukte und Reaktionsprodukte.
Erfindungsgemäß ist die vorstehend beschriebene, an mindestens einer Außenfläche der Medienverteilerplatte ausgebildete Struktur mit mindestens einem plattenförmigen Segmentierungselement in Eingriff gebracht. Hierbei handelt es sich um ein plattenförmiges Element, welches eine gegenüber der Medienverteilerplatte geringere Dicke aufweist. Ferner ist dieses plattenförmige Element insoweit komplementär zu der an dem MEA anliegenden Struktur der Medienverteilerplatte ausgebildet, als das Element korrespondierend mit Plateaus dieser Struktur Durchbrüche aufweist. Demzufolge wird jeweils ein durch einen an dem MEA anliegenden Flächenbereich ausgebildetes Plateau der Struktur mit einem dazu komplementären Durchbruch eines beziehungsweise des Segmentierungselements in Eingriff gebracht.
Das oder die mit der Struktur der Medienverteilerplatte in Eingriff gebrachten Segmentierungselemente sind demnach zwischen dem MEA und den Sohlen der in der Medienverteilerplatte ausgebildeten Vertiefungen angeordnet. Hierdurch wird dieser Bereich durch das mindestens eine Segmentierungselement in vorzugsweise zwei, gegebenenfalls aber auch mehr Segmente unterteilt. Dies hat zur Folge, dass ein seitlich auf die Anordnung treffender, sich also zumindest annähernd parallel zu den Ebenen der großen Flächen der Medienverteilerplatte bewegender gasförmiger Medienstrom beziehungsweise Luftstrom aufgeteilt wird. Durch die entsprechende Anordnung des oder der Segmentierungselemente im Bereich zwischen dem MEA und den Sohlen der in der Medienverteilerplatte ausgebildeten Vertiefungen kann damit der Medienstrom gezielt so aufgeteilt werden, dass er teilweise an der Ionenaustauschmembran des MEA entlang streicht und sich zu einem anderen Teil, ohne Beeinflussung der Oberfläche der Ionenaustauschmembran, durch die Struktur der Medienverteilerplatte hindurchbewegt. Der Gasstrom einer entsprechenden Quelle, beispielsweise ein von einem Gebläse bewegter Luftstrom, wird demnach in voneinander unabhängige Strömungsfelder aufgeteilt, so dass sowohl den Erfordernissen der Kühlung als auch denen der Zufuhr einer ausreichenden Menge gasförmiger Reaktanden Rechnung getragen werden kann. Dadurch, dass sich ein Teil des Medien- beziehungsweise Luftstromes ohne Beeinflussung der Oberfläche des MEA durch die Struktur der Medienverteilerplatte bewegt, kann die Gefahr des Austrocknens der Ionenaustauschmembran zumindest deutlich reduziert werden beziehungsweise bei optimaler Positionierung des Segmentierungselements im Grunde gänzlich ausgeschlossen werden.
Vorzugsweise ist das oder sind die mit der Struktur in Eingriff gebrachten Segmentierungselemente so angeordnet, dass sie einen Abstand sowohl zum MEA als auch zu den Sohlen der in der Medienverteilerplatte ausgebildeten Vertiefungen aufweisen.
Entsprechend einer möglichen Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Medienverteilung weist das mindestens eine Segmentierungselement zusätzlich zu den Durchbrüchen, über welche es mit der Struktur einer Medienverteilerplatte in Eingriff gebracht ist, weitere Durchbrüche auf. Diese zusätzlichen Durchbrüche sind demnach, wenn das oder die betreffenden Segmentierungselemente mit der Struktur der Medienverteilerplatte in Eingriff gebracht sind, in Überdeckung zu den zwischen den Plateaus dieser Struktur ausgebildeten Vertiefungen angeordnet. Dabei ist es nicht notwendigerweise so, dass zu jeder Vertiefung der Struktur der Medienverteilerplatte ein korrespondierender zusätzlicher Durchbruch in dem oder den Segmentierungselementen vorgesehen ist. Vielmehr kann durch Lage und Anzahl dieser zusätzlichen Durchbrüche ein kontrollierter Medienaustausch zwischen den durch das oder die Segmentierungselemente ausgebildeten Segmenten im Raum zwischen den Sohlen der Struktur der betreffenden Medienverteilerplatte und dem MEA erreicht werden. Durch diese Maßnahme kann zusätzlich Einfluss darauf genommen werden, welcher Teil des in diesen Raum gelangenden oder ihm gezielt als Strom zugeführten gasförmigen Mediums zur Kühlung der Anordnung oder zur Bereitstellung der Edukte für die Brennstoffzellenfunktion verwendet wird. Bei der zuletzt beschrieben Ausbildungsform kann das mindestens eine Segmentierungselement, abweichend von seiner bevorzugten Anordnung mit einem Abstand sowohl zur zum MEA als auch zu den Sohlen der Vertiefungen, auch so in die Struktur eingefügt sein, dass im Extremfall zwischen ihm und dem MEA praktisch kein Abstand verbleibt. Die Aufteilung es Medienstroms beziehungsweise die Medienversorgung der Ionenaustauschmembran ist dabei über die zusätzlich in dem Segmentierungselement angeordneten Durchbrüche gewährleistet. Ob das Segmentierungselement im Zuge der Konfigurierung einer Brennstoffzelle bei der Fertigung in der zuvor beschriebenen Weise, also ohne Abstand zum MEA angeordnet wird, hängt demnach von der Gestaltung des Segmentierungselements und vom vorgesehenen Einsatzzweck der Brennstoffzelle ab.
Abweichend vom Grundgedanken der Erfindung wäre es auch möglich, mehrere Segmentierungselemente mit der Struktur der jeweiligen Medienverteilerplatte in Eingriff zu bringen, wobei in Bezug auf die Erstreckung parallel zum MEA jeder Bereich der Struktur mit genau einem Segmentierungselement in Eingriff zu bringen wäre. Dabei wären ferner vorzugsweise alle Segmentierungselemente in einer gemeinsamen Ebene zwischen den Plateaus der Struktur und den Sohlen ihrer Vertiefungen anzuordnen, wobei aber zur Erzielung bestimmter Strömungsverhältnisse eines beispielsweise mittels eines Gebläses zugeführten, gasförmigen Mediums mehrere mit einer Struktur einer Medienverteilerplatte in Eingriff gebrachte Segmentierungselemente auch in unterschiedlichen Ebenen angeordnet werden könnten. Letzteres könnte beispielsweise bei sehr großen stationären Brennstoffzellen, deren Medienverteilerplatten besonders großflächig ausgebildet sind, sinnvoll sein. Sofern mehrere Segmentierungselemente eine gemeinsame Ebene ausbilden, wären diese, wenn nicht bestimmte Einsatzverhältnisse etwas anderes vorteilhaft erscheinen lassen, vorzugsweise parallel zum zugehörigen MEA anzuordnen. In jedem Falle wäre jedoch eine Ausbildungsform mit mehreren, jeweils mit einem Bereich der Struktur einer Medienverteilerplatte in Eingriff gebrachten Segmentierungselementen für eine praktische Umsetzung wohl zu aufwendig und komplex.
Entsprechend einer praxisgerechten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist das mindestens eine Segmentierungselement an der zugehörigen Medienverteilerplatte in seiner Lage fixiert. Hierzu weisen die Querschnittsflächen der in dem oder den Segmentierungselementen zur Verbindung mit der Medienverteilerplatte vorgesehenen Durchbrüche gegenüber den Querschnittsflächen der in den Plateaus mündenden Teile der Struktur der betreffenden Medienverteilerplatte vorzugsweise ein geringes Untermaß auf. Hierdurch wird, wenn das oder die Segmentierungselemente mit der Struktur der Medienverteilerplatte in Eingriff gebracht werden, eine Presspassung zwischen der Struktur der Medienverteilerplatte und dem oder den Segmentierungselementen erreicht, welche die Lagefixierung des oder der Segmentierungselemente bewirkt.
Für besondere Einsatzzwecke kann es aber auch vorteilhaft sein, das mindestens eine Segmentierungselement verschieblich in dem Bereich zwischen dem MEA beziehungsweise den Plateaus und den Sohlen der Struktur der Medienverteilerplatte anzuordnen. Hierdurch ist es möglich, im Betrieb einer entsprechend ausgestatteten Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels die Aufteilung des Medienstroms durch Verschiebung des oder der Segmentierungselemente an sich dynamisch ändernde Lastverhältnisse an der Brennstoffzelle und an sich daraus ergebende Veränderungen der Erfordernisse für die Kühlung und die Medienversorgung flexibel anzupassen. Die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel kann hierzu mit einem Aktor versehen sein, welcher die Lage des oder der Segmentierungselemente entsprechend den jeweiligen Erfordernissen verändert. Die Ansteuerung des Aktors kann mit Hilfe einer Steuereinheit erfolgen, welche der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel zugeordnet ist und die Messwerte von Messwertgebern beziehungsweise Sensoren auswertet, mit deren Hilfe die jeweiligen Lastverhältnisse und/oder die Betriebsparameter der Brennstoffzelle(n) erfasst werden.
Sofern das Segmentierungselement neben den mit der Medienverteilerplatte in Eingriff stehenden Durchbrüchen keine zusätzlichen Durchbrüche aufweist, kann dabei die Brennstoffzelle mit Hilfe des Aktors gegebenenfalls auch abgeschaltet werden. Dies ist dann möglich, wenn die Medienverteilerplatte mittels des Aktors soweit an den MEA heran bewegt wird, dass zu diesem kein Abstand mehr besteht. Bevorzugt wird aber, abgesehen von dieser Ausnahme und der im Zusammenhang mit den zusätzlichen Durchbrüchen in dem Segmentierungselement dargestellten Ausnahme, eine mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Medienverteilung ausgestattete Brennstoffzelle so ausgebildet, dass gewährleistet ist, dass zwischen dem Segmentierungselement und dem MEA stets ein Abstand verbleibt. Dies betrifft vorzugsweise auch die mit einem Aktor ausgestattete Ausbildungsform.
Sofern gewährleistet ist, dass wie bevorzugt, das oder die Segmentierungselemente nicht unmittelbar in Kontakt mit dem MEA gelangen, müssen diese, anders als die Medienverteilerplatten, nicht aus einem besonders korrosionsbeständigen Material bestehen. Dies gilt zumal im vorgenannten Fall das oder die Segmentierungselemente nicht unmittelbar im Strompfad der Brennstoffzelle liegen und somit nicht der Elektrokorrosion unterliegen. Sie können insoweit durch ein Metallblech ausgebildet sein oder aus einem Kunststoff bestehen.
Eine unter Einsatz der zuvor erläuterten Anordnung zur Medienverteilung und zur Lösung der angegebenen Aufgabe ausgebildete Brennstoffzelle besteht aus zwei zueinander parallel angeordneten elektrisch leitenden Medienverteilerplatten und einem zwischen den Medienverteilerplatten angeordneten Membran-Elektrodenaufbau (MEA). Dabei weisen die Medienverteilerplatten an ihrer dem MEA zugewandten Außenfläche eine Struktur zur Zuführung von Edukten und zur Abführung von in dem MEA entstehenden Reaktionsprodukten auf, welche jeweils durch unmittelbar an dem MEA anliegende Plateaus der betreffenden Medienverteilerplatte und zwischen diesen Plateaus angeordnete, gegenüber dem MEA beabstandete und jeweils eine Sohle aufweisende Vertiefungen gebildet ist. Erfindungsgemäß ist die Struktur mindestens einer der Medienverteilerplatten der Brennstoffzelle mit mindestens einem plattenförmigen Segmentierungselement in Eingriff gebracht, welches korrespondierend zu den Plateaus der Struktur der betreffenden Medienverteilerplatte angeordnete und komplementär zu ihnen ausgebildete Durchbrüche aufweist. Dem bereits erläuterten erfinderischen Grundprinzip folgend, ist demnach das mindestens eine Segmentierungselement zwischen dem MEA der Brennstoffzelle und der Struktur mindestens einer ihrer Medienverteilerplatten beziehungsweise den Sohlen der in dieser Medienverteilerplatte ausgebildeten Vertiefungen angeordnet und teilt diesen Bereich in mindestens zwei Segmente auf. Die solchermaßen ausgebildete Brennstoffzelle kann mit Kontaktierungsmitteln für die äußere Beschaltung komplettiert und als Einzelzelle für die Spannungsversorgung von Verbrauchern eingesetzt werden. Sie kann aber auch gemeinsam mit anderen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Stack vereinigt werden.
Ein die Aufgabe lösender Brennstoffzellenstapel ist als ein mit elektrischen Kontaktmitteln für die äußere Beschaltung versehener Stapel aus einer Mehrzahl miteinander in elektrischen Kontakt gebrachter und verspannter Brennstoffzellen ausgebildet, welche in der zuvor erläuterten Weise beschaffen sind. Innerhalb des Stapels liegen einander benachbarte Brennstoffzellen vorzugsweise jeweils mit der dem MEA abgewandten Außenfläche einer ihrer Medienverteilerplatten aneinander. Letzteres gilt insbesondere dann, wenn die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe miteinander verschaltet sind, was abgesehen von speziellen Einsatzfällen üblich ist. Erfindungsgemäß ist die Struktur mindestens einer (vorzugsweise nur einer) Medienverteilerplatte einer jeden Brennstoffzelle mit mindestens einem Segmentierungselement gemäß dem Grundprinzip der Erfindung in Eingriff gebracht. Vorzugsweise sind dabei die Segmentierungselemente aller Brennstoffzellen jeweils an der kathodenseitigen oder jeweils an der anodenseitigen Medienverteilerplatte angeordnet.
Ein solcher Brennstoffzellenstapel kann dadurch weitergebildet sein, dass zueinander benachbarte Brennstoffzellen eine gemeinsame Medienverteilerplatte aufweisen, welche kathodenseitig der einen Brennstoffzelle und anodenseitig der dazu benachbarten Brennstoffzelle angeordnet ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: die erfindungsgemäße Anordnung in einer Seitenansicht,
2: die Seitenansicht einer mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgestatteten Brennstoffzelle,
3a: die räumliche Darstellung einer mit der Ausbildungsform nach 1 vergleichbaren erfindungsgemäßen Anordnung
3b: die räumliche Darstellung eines unter Verwendung der Anordnung nach 3a beziehungsweise unter Verwendung einer Brennstoffzelle ähnlich der in 2 realisierten Brennstoffzellenstapels.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Medienverteilung in einer Seitenansicht. Die dargestellte Ansicht ermöglicht es, in die in der Medienverteilerplatte 1 ausgebildete Struktur, das heißt in die dabei geschaffenen Kanäle zur Zuführung der Edukte und zur Abführung der Reaktionsprodukte, hineinzusehen. Die Enden der in der Abbildung nach oben aufragenden Abschnitte der Struktur der Medienverteilerplatte 1 liegen bei deren Verwendung in einer Brennstoffzelle 11 (wie in 2 gezeigt) an deren MEA 7 an, bilden also insoweit Plateaus 2 mit an dem MEA 7 anliegenden Flächenbereichen aus. Zwischen diesen Flächenbereichen sind zur Ausbildung der Kanäle Vertiefungen 3 angeordnet, welche jeweils eine Sohle 4 aufweisen. Dem Grundprinzip der Erfindung folgend, ist die in der 1 gezeigte Medienverteilerplatte 1, genauer gesagt die an ihrer einen großen Außenfläche ausgebildete Struktur mit den Plateaus 2 und den Vertiefungen 3 sowie deren zugehörigen Sohlen 4, mit dem plattenförmigen Segmentierungselement 5 in Eingriff gebracht. Bei dem Segmentierungselement 5 handelt es sich um eine flache Scheibe, beispielsweise aus Metall oder Kunststoff, welche im Bereich der an den Plateaus 2 der Struktur ausgebildeten Flächenelemente der Medienverteilerplatte 1 mit diesen Flächenelementen korrespondierende Durchbrüche 6 aufweist. In dem gezeigten Beispiel ist das Segmentierungselement 5 so angeordnet, dass es den Bereich zwischen den beim Einsatz der Anordnung in einer Brennstoffzelle 11 an deren MEA 7 zur Anlage gelangenden Plateaus 2 und den Sohlen 4 der Vertiefungen 3 in zwei etwa gleich große Segmente 9, 10 aufteilt. Das heißt, das Segmentierungselement 5 ist beispielsweise, wie gezeigt, mittig bezüglich der Erstreckung der Struktur zwischen den Flächenelementen der Plateaus 2 und den Sohlen 4 der Vertiefungen 3 angeordnet. Je nach dem Einsatzzweck der Anordnung beziehungsweise der unter ihrer Verwendung ausgebildeten Brennstoffzelle 11 und der sich daraus für die Brennstoffzelle 11 ergebenden gegebenenfalls dynamisch stark wechselnden Beanspruchungen kann es dabei vorgesehen sein, dass das Segmentierungselement 5 während des Betriebs der Brennstoffzelle 11 durch von außen einwirkende Aktoren bezüglich seiner Lage innerhalb der Struktur verändert wird. Hierdurch kann die Aufteilung des einerseits zur Bereitstellung der Reaktanden und andererseits zur Kühlung dienenden gasförmigen Medienstroms 12, vorzugsweise eines Luftstroms, flexibel an dynamisch wechselnde Verhältnisse angepasst werden.
Die 2 zeigt eine unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechend der Ausbildungsform nach der 1 realisierte Brennstoffzelle 11. Die Abbildung zeigt die Seitenansicht einer derartigen Brennstoffzelle 11 in einer stark schematisierten Darstellung. Zu erkennen sind zwei Medienverteilerplatten 1, 8 und der zwischen ihnen angeordnete MEA 7 mit der Ionenaustauschmembran. Eine der Medienverteilerplatten 1, 8, es sei hier angenommen, gemäß einer bevorzugten Ausbildung, die kathodenseitige Medienverteilerplatte 1, ist entsprechend der Erfindung zusätzlich mit einem Segmentierungselement 5 versehen, welches mit der, an der dem MEA 7 zugewandten Seite der Medienverteilerplatte 1 angeordneten Struktur in Eingriff gebracht ist. Ein der kathodenseitigen Medienzufuhr dienender Luftstrom 12 wird durch dieses Segmentierungselement 5 in einen sich an dem MEA 7 entlang bewegenden und einen die Ionenaustauschmembran des MEA 7 nicht beeinflussenden, ausschließlich der Kühlung der Medienverteilerplatte 1 dienenden Anteil aufgeteilt.
In der 3a ist eine mit der in der 1 gezeigten Ausbildungsform vergleichbare Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung nochmals in einer räumlichen Darstellung gezeigt, wobei die hier gezeigte Medienverteilerplatte 1, 8 abweichend von der nach der 1 auf beiden Seiten strukturiert und daher in einem Stapel mit mehreren Brennstoffzellen als Bipolarplatte einsetzbar ist. Besonders gut zu erkennen sind hier die auf beiden Seiten der Medienverteilerplatte 1, 8 ausgebildeten Strukturen und das mit der Struktur der einen Plattenseite in Eingriff gebrachte Segmentierungselement 5. In dem gezeigten Beispiel ist die Struktur in Form mehrerer zueinander parallel angeordneter länglicher beziehungsweise streifenförmiger Plateaus 2, 2' und dazwischen angeordneter, demzufolge ebenfalls parallel verlaufender Vertiefungen 3, 3' mit Sohlen 4, 4' ausgebildet, wobei die Vertiefungen 3, 3' auf der einen Seite quer und auf der anderen Seite längs verlaufend ausgebildet sind. Denkbar ist es aber auch, dass die Vertiefungen 3, 3' beider Seiten, wie bei den Medienverteilerplatten 1, 8 in der 2 mit gleicher Orientierung ausgebildet sind. Für die Struktur sind aber auch ganz andere geometrische Gestaltungen denkbar – etwa mit kleinen kreisrunden oder elliptischen Plateaus 2, 2' und gitterartig zwischen ihnen verlaufenden Vertiefungen 3, 3' oder mit mäanderförmig verlaufenden Vertiefungen 3, 3'.
Die 3b zeigt einen Brennstoffzellenstapel, welcher durch eine serielle Aneinanderreihung von Brennstoffzellen 11 ₁–11 _n, vergleichbar mit der in 2 gezeigten, unter Verwendung von Anordnungen beziehungsweise Medienverteilerplatten 1, 8 gemäß der 3a realisiert ist. Auch in dieser Darstellung sind die jeweils kathoden- und anodenseitig angeordneten Medienverteilerplatten 1, 8 und das jeweils mit der Struktur einer Medienverteilerplatte 1, 8 jeder Brennstoffzelle 11 ₁–11 _n, vorzugsweise der kathodenseitigen, in Eingriff gebrachte Segmentierungselement 5 zu erkennen.
Nach dem in der 3b gezeigten Beispiel sind die im Brennstoffzellenstapel innen liegenden Medienverteilerplatten 1, 8 so ausgebildet, dass sie beidseitig eine entsprechende Struktur aufweisen und somit für eine Brennstoffzelle 11 ₁–11 _n als kathodenseitige Medienverteilerplatte und für die dazu benachbarte Brennstoffzelle 11 ₁–11 _n als anodenseitige Medienverteilerplatte dienen. Diese Medienverteilerplatten 1, 8 sind demnach als Bipolarplatten ausgebildet, bei denen aber lediglich eine der an ihren großen Außenflächen ausgebildeten Strukturen erfindungsgemäß mit einem Segmentierungselement 5 in Eingriff gebracht ist.
Bezugszeichenliste

1: Medienverteilerplatte
2, 2': Plateau
3, 3': Vertiefung
4, 4': Sohle (der Vertiefung)
5: Segmentierungselement
6: Durchbruch
7: MEA
8: Platte, Medienverteilerplatte
9: Segment
10: Segment
11₁–11_n: Brennstoffzelle
12: Medienstrom

Claims

Anordnung zur Medienverteilung in einer Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel, mit einer elektrisch leitenden Medienverteilerplatte (1), welche an mindestens einer ihrer großen Außenflächen eine Struktur zur Zuführung der Edukte für einen zwischen dieser Medienverteilerplatte (1) und einer weiteren Platte (1, 8) zur Medienverteilung angeordneten MEA (7) einer Brennstoffzelle und zur Abführung der in dem MEA (7) entstehenden Reaktionsprodukte aufweist, wobei die entsprechende Struktur der betreffenden Außenfläche der Medienverteilerplatte (1) durch unmittelbar an dem MEA (7) anliegende Plateaus (2) und zwischen diesen Plateaus (2) angeordnete, gegenüber dem MEA (7) beabstandete und jeweils eine Sohle (4) aufweisende Vertiefungen (3) zur Führung der Edukte und Reaktionsprodukte gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die an der mindestens einen Außenfläche der Medienverteilerplatte (1) ausgebildete Struktur mit mindestens einem plattenförmigen Segmentierungselement (5) in Eingriff gebracht ist, welches hierzu korrespondierend zu den Plateaus (2) der Struktur angeordnete und komplementär zu ihnen ausgebildete Durchbrüche (6) aufweist, so dass das mindestens eine mit der Struktur der Medienverteilerplatte (1) in Eingriff gebrachte Segmentierungselement (5) zwischen dem MEA (7) und den Sohlen (4) der in der Medienverteilerplatte (1) ausgebildeten Vertiefungen (3) angeordnet ist und die Struktur der Medienverteilerplatte (1) in mindestens zwei Segmente (9, 10) unterteilt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Segmentierungselement (5) so angeordnet ist, das sowohl zwischen dem MEA (7) als auch den Sohlen (4) der Vertiefungen (3) und dem mindestens einen Segmentierungselement (5) ein Abstand verbleibt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Segmentierungselement (5) zusätzliche Durchbrüche für einen kontrollierten Medienaustausch zwischen den Segmenten (9, 10) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen der Durchbrüche (6), über welche das mindestens eine Segmentierungselement (5) mit der Struktur der Medienverteilerplatte (1) in Eingriff gebracht ist, eine gegenüber den Querschnittsflächen der in den Plateaus (2) mündenden Teile dieser Struktur ein geringes Untermaß aufweisen und das oder die Segmentierungselemente (5) in einer Presspassung an der betreffenden Struktur lagefixiert sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Segmentierungselement (5) oder mindestens eines der Segmentierungselemente (5) im Bereich zwischen den Plateaus (2) und den Sohlen (4) verschieblich ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem oder den Segmentierungselementen (5) um ein Metallblech handelt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Segmentierungselemente (5) aus Kunststoff bestehen.
Brennstoffzelle (11), bestehend aus zwei zueinander parallel angeordneten elektrisch leitenden Medienverteilerplatten (1, 8) und einem zwischen den Medienverteilerplatten (1, 8) angeordneten MEA (7), wobei die Medienverteilerplatten (1, 8) an ihrer dem MEA (7) zugewandten Außenfläche eine Struktur zur Zuführung von Edukten und zur Abführung von in dem MEA (7) entstehenden Reaktionsprodukten aufweisen, welche jeweils durch unmittelbar an dem MEA (7) anliegende Plateaus (2, 2') der jeweiligen Medienverteilerplatte (1, 8) und zwischen diesen Plateaus (2, 2') angeordnete, gegenüber dem MEA (7) beabstandete und jeweils eine Sohle (4, 4') aufweisende Vertiefungen (3, 3') zur Führung der Edukte und Abführung der Reaktionsprodukte gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mindestens einer der Medienverteilerplatten (1, 8) mit mindestens einem plattenförmigen Segmentierungselement (5) in Eingriff gebracht ist, welches korrespondierend zu den Plateaus (2, 2') der Struktur der betreffenden Medienverteilerplatte (1, 8) angeordnete und komplementär zu ihnen ausgebildete Durchbrüche (6) aufweist, wobei das mindestens eine Segmentierungselement (5) zwischen dem MEA (7) und den Sohlen (4, 4') der in der Medienverteilerplatte (1, 8) ausgebildeten Vertiefungen (3, 3') angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel, ausgebildet als ein mit elektrischen Kontaktmitteln zur äußeren Beschaltung versehener Stapel aus einer Mehrzahl miteinander in elektrischen Kontakt gebrachter und verspannter Brennstoffzellen (11 ₁–11 _n), dadurch gekennzeichnet, dass alle Brennstoffzellen (11 ₁–11 _n) des Brennstoffzellenstapels gemäß Anspruch 11 ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienverteilerplatten (1, 8) und der MEA (7) aller Brennstoffzellen (11 ₁–11 _n) zueinander parallel angeordnet und die kathodenseitige Medienverteilerplatte (1) einer Brennstoffzelle (11 ₁–11 _n) an der anodenseitigen Medienverteilerplatte (8) einer benachbarten Brennstoffzelle (11 ₁–11 _n) anliegt, wobei die Brennstoffzellen (11 ₁–11 _n) des Brennstoffzellenstapels elektrisch in Reihe miteinander verschaltet sind und nur die in jeder kathodenseitig angeordneten Medienverteilerplatte (1) oder nur die in jeder anodenseitig angeordneten Medienverteilerplatte (8) ausgebildete Struktur mit einem oder mehreren Segmentierungselementen (5) in Eingriff gebracht ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienverteilerplatten (1, 8), abgesehen von den äußeren Medienverteilerplatten des Brennstoffzellenstapels, jeweils gleichzeitig eine kathodenseitige Medienverteilerplatte (1) für eine Brennstoffzelle (11 ₁–11 _n) und eine anodenseitige Medienverteilerplatte (8) für die benachbart angeordnete Brennstoffzelle (11 ₁–11 _n) ausbilden.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierungselemente (5) im Bereich zwischen den Plateaus (2) und den Sohlen (4) der jeweils mit ihnen in Eingriff gebrachten Strukturen der Medienverteilerplatten (1, 8) mittels mindestes eines an dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Aktors verschieblich sind, wobei der mindestens eine Aktor durch ein Signal betätigt wird, welches eine beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit diesem zusammenwirkende Steuereinrichtung aus Messsignalen eines oder mehrerer zur Erfassung der Lastverhältnisse am Brennstoffzellenstapel und/oder von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels an diesem angeordneter Messwertaufnehmer ableitet.