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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend Bipolarplatten, zwischen den Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Dichtungselemente zur Medienabdichtung und/oder zur elektrischen Isolierung.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein Brennstoffzellen bekannt, wobei eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel, auch Brennstoffzellenstack genannt, umfasst. Dabei bilden Bipolarplatten Elektroden, welche jeweils durch eine Membran, insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit (im Englischen: membrane electrode assembly) oder ein Elektrolyt elektrisch voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatten sind aus einer einzelnen Platte oder zwei miteinander verbundenen Platten, d. h. einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, gebildet. Die Anodenplatte und Kathodenplatte sowie den Brennstoffzellenstapel endseitig abschließende Endplatten werden in einer Einzelfertigung hergestellt, wobei die Anodenplatte, Kathodenplatte und Endplatten während dieser Einzelfertigung durch Umformung von Stahlblechen erzeugt und anschließend mittels Laserschweißen gefügt werden. Zur Erzeugung von Strömungs- und Dichtungsfunktionalitäten werden durch Umformungen Strukturen in die Anodenplatte und die Kathodenplatte eingebracht. Zusätzlich sind zur Erzeugung der Strömungs- und Dichtungsfunktionalitäten Einbauteile eingebracht. Zur Medienabdichtung und zur elektrischen Isolierung der Bipolarplatte von der Membran-Elektroden-Einheit sind zwischen den Bipolarplatten und den Membran-Elektroden-Einheiten ein oder mehrere Dichtungselemente angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Brennstoffzellenstapel anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Brennstoffzellenstapel gelöst, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Brennstoffzellenstapel umfasst Bipolarplatten, zwischen den Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Dichtungselemente zur Medienabdichtung und/oder zur elektrischen Isolierung. Erfindungsgemäß sind die Dichtungselemente als Formdichtungen ausgebildet, wobei die Formdichtungen einen oder mehrere Strömungskanäle zum Transport von Reaktionsstoffen umfassen.
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Unter Reaktionsstoffen werden dabei alle an der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte.
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Aufgrund der Anordnung der Strömungskanäle zum Transport der Reaktionsstoffe in den Dichtungselementen sind eine Komplexität der Bipolarplatten und daraus folgend ein Aufwand zur Herstellung derselben um ein Vielfaches verringerbar. Insbesondere werden Umform- und Schneideprozesse der Bipolarplatte aufgrund der verringerten Komplexität vereinfacht, wobei hieraus insbesondere eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses resultiert. Neben der Vereinfachung des Herstellungsprozesses sind die Bipolarplatten in reproduzierbar hoher Qualität herstellbar, wodurch eine Funktionalität der Bipolarplatten und der aus diesen gebildeten Brennstoffzelle sichergestellt ist. Die Erzeugung des Brennstoffzellenstapels ist ebenfalls vereinfacht und weist eine hohe Wirtschaftlichkeit auf. Weiterhin ist aufgrund der Ausbildung der Dichtungselemente als Formdichtungen ein einfacher Austausch und eine Wiederverwendbarkeit der Dichtungselemente realisierbar, so dass Wartungskosten der Brennstoffzelle vermindert sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Bipolarplatte in einer Draufsicht,
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2 schematisch die Bipolarplatte gemäß 1 in einer Schnittdarstellung,
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3 schematisch einen Ausschnitt der Bipolarplatte gemäß 1,
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4 schematisch den Ausschnitt der Bipolarplatte gemäß 3 mit aufgebrachten Dichtungselementen, wobei die Dichtungselemente und die Bipolarplatte in einer halbtransparenten Darstellung gezeigt sind und
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5 schematisch einen Brennstoffzellenstapel mit einer Bipolarplatte, zwei Membran-Elektroden-Einheiten und Dichtungselementen in einer Schnittdarstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist eine Bipolarplatte 1 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Mehrere Bipolarplatten 1 werden zur Erzeugung eines in 5 näher dargestellten Brennstoffzellenstapels 2 mit Membran-Elektroden-Einheiten 3 abwechselnd übereinander gestapelt.
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Vorzugsweise werden mehrere der gebildeten Brennstoffzellenstapel 2 elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt und bilden eine oder mehrere Brennstoffzellen. Jede dieser Brennstoffzellen weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit 3 bilden.
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Die jeweilige, zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 3 angeordnete Bipolarplatte 1 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten 3, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten 3 und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten 3 hin offenen Kanälen. Diese Kanäle sind in 5 näher dargestellte Anodenkanäle K1 und Kathodenkanäle K2. Weiterhin dient die Bipolarplatte 1 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-Einheiten 3.
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Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff B und ein Oxidationsmittel O eingesetzt. Dabei werden vorzugsweise gasförmige Reaktionsstoffe, sogenannte Reaktionsgase, eingesetzt, wobei die Reaktionsgase beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. ein so genanntes Reformatgas, als Brennstoff B und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel O umfassen. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte P, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.
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Die jeweilige Bipolarplatte 1 besteht dabei aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, welche als Platten ausgebildet sind. Dabei dient eine der Platten als Anodenplatte 1.1 zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 3 und die verbleibende der Platten als Kathodenplatte 1.2 zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit 3. Zur Abnahme einer elektrischen Spannung umfasst die Bipolarplatte 1 zwei elektrische Kontakte U1, U2, welche als Kontaktfahnen ausgebildet sind.
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An der der einen Membran-Elektroden-Einheit 3 zugewandten Oberfläche der Anodenplatte 1.1 sind gemäß 5 die Anodenkanäle K1 zur Verteilung des Brennstoffs B entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit 3 angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit 3 zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte 1.2 die Kathodenkanäle K2 zur Verteilung des Oxidators O über der anderen Membran-Elektroden-Einheit 3 angeordnet sind. Die Kathodenkanäle K2 und die Anodenkanäle K1 haben keine Verbindung miteinander.
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Zur Medienabdichtung und zur elektrischen Isolierung der Bipolarplatte 1 von der Membran-Elektroden-Einheit 3 sind zwischen der Bipolarplatte 1 und der Membran-Elektroden-Einheit 3 in 4 und 5 näher dargestellte Dichtungselemente 4, 5 eingebracht. Die Dichtungselemente 4, 5 sind dabei als Formdichtungen ausgebildet.
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Zur Zuführung und Abführung der Reaktionsstoffe von Zuführkanälen Z1 bis Z4 und in Abführkanäle A1, A2 sind in 4 näher dargestellte Strömungskanäle S1 bis S3 vorgesehen. Die Strömungskanäle S1 bis S3 sind dabei in die als Formdichtungen ausgebildeten Dichtungselemente 4, 5 eingebracht.
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3 zeigt die Bipolarplatte 1 in einer Draufsicht. Im Bereich des Zuführkanals Z1 weist die Anodenplatte 1.1 einen Ausschnitt X1 auf, welcher zusammen mit in das Dichtungselement 4 eingebrachten Erhebungen E1 die Strömungskanäle S1 zur Zuführung des Oxidationsmittels O bilden. Der Ausschnitt X1 ist dabei einseitig in die Anodenplatte 1.1 eingebracht.
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Im Bereich des Zuführkanals Z2 weist die Kathodenplatte 1.2 einen Ausschnitt X2 auf, welcher zusammen mit in das Dichtungselement 4 eingebrachten Erhebungen E2 die Strömungskanäle S2 zur Zuführung des Brennstoffs B bilden. Der Ausschnitt X2 ist dabei einseitig auf einer dem Dichtungselement 5 zugewandten Seite der Kathodenplatte 1.2 in diese eingebracht.
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In 4 ist der Ausschnitt der Bipolarplatte 1 gemäß 3 mit dem aufgebrachten Dichtungselement 4 und dem aufgebrachten Dichtungselement 5 dargestellt, wobei das Dichtungselement 4, die Bipolarplatte 1 und das Dichtungselement 5 in einer halbtransparenten Darstellung gezeigt sind.
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In das Dichtungselement 4 sind die Erhebungen E1 eingebracht, welche nach der Fügung des Dichtungselements 4 mit der Bipolarplatte 1 zusammen mit dem in die Anodenplatte 1.1 eingebrachten Ausschnitt X1 die Strömungskanäle S1 zur Zuführung des Oxidationsmittels O vom Zuführkanal Z1 zur Oberfläche der Anodenplatte 1.1 bilden. Die Erhebungen E1 sind dabei als Stege ausgebildet.
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In das Dichtungselement 5 sind die Erhebungen E2 eingebracht, welche nach der Fügung des Dichtungselements 5 mit der Bipolarplatte 1 zusammen mit dem in die Kathodenplatte 1.2 eingebrachten Ausschnitt X2 die Strömungskanäle S2 zur Zuführung des Brennstoffs B vom Zuführkanal Z2 zur Oberfläche der Kathodenplatte 1.2 bilden. Die Erhebungen E2 sind dabei als Stege ausgebildet.
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Weiterhin ist in das Dichtungselement 5 eine Vertiefung V1 eingebracht, welche nach der Fügung des Dichtungselements 5 mit der Bipolarplatte 1 den Strömungskanal S3 zur Abführung der Reaktionsprodukte P von der Oberfläche der Anodenplatte 1.1 und der Oberfläche der Kathodenplatte 1.2 in den Abführkanal A1 bilden. In einer alternativen oder zusätzlichen nicht gezeigten Ausgestaltung ist auch in das Dichtungselement 4 eine Vertiefung eingebracht, welche gemeinsam mit der Vertiefung V1 den Strömungskanal S3 zur Abführung der Reaktionsprodukte P bildet.
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Im nicht detailliert dargestellten Bereich der Zuführkanäle Z3, Z4 und des Abführungskanals A2 sind ebenfalls in nicht gezeigter Weise Erhebungen und/oder Vertiefungen derart in die Dichtungselemente 4, 5 eingebracht, dass sich auch den Zuführkanälen Z3, Z4 und dem Abführungskanal A2 zugeordnete Strömungskanäle zur Zuführung des Brennstoffs B und des Oxidationsmittels O sowie zur Abführung der Reaktionsprodukte P ausbilden.
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in 5 ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Bipolarplatte 1, zwei Membran-Elektroden-Einheiten 3 und den Dichtungselementen 4, 5 in einer Schnittdarstellung im gefügten Zustand gezeigt.
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Die als Formdichtungen ausgebildeten Dichtungselemente 4, 5 sind jeweils aus einer Dichtungsplatte gebildet, wobei die jeweilige Dichtungsplatte zur Realisierung der Abdichtung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 zu der jeweils zugehörigen Membran-Elektroden-Einheit 3 korrespondierend ausgebildet ist und diese hierzu zumindest randseitig mit Ausnahme der gebildeten Strömungskanäle S1 bis S3 vollständig umgibt.
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Die Dichtungselemente 4, 5 sind dabei weiterhin derart ausgebildet, dass diese eine Anodenseite AS und eine Kathodenseite KS aufweisen, wobei die Anodenseite AS der Anodenplatte 1.1 der Bipolarplatte 1 und die Kathodenseite KS einer Kathodenplatte 1.2 der Bipolarplatte 1 zugewandt ist. Die Anodenseite AS und die Kathodenseite KS sind derart unterschiedlich ausgeformt, dass eine fehlerhafte Fügung, d. h. ein unsachgemäßer Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels 2 nicht möglich ist. Mit anderen Worten: Die Dichtungselemente 4, 5 sind derart ausgebildet, dass diese jeweils lediglich in einer Orientierung mit der Bipolarplatte 1 fügbar sind. Dabei legen die Dichtungselemente 4, 5 im Verbund mit der Bipolarplatte 1 eine Geradheit und Länge des Brennstoffzellenstapels 1 fest bzw. geben diese vor.
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Um eine optimierte Fügung und daraus folgende optimierte Funktion des Brennstoffzellenstapels 2 zu erzeugen, weisen die Dichtungselemente 4, 5 eine derart definierte Festigkeit und Härte auf, dass ein vorgegebener Querschnitt der Strömungskanäle S1 bis S3 beim Fügen nicht verändert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 1.1
- Anodenplatte
- 1.2
- Kathodenplatte
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Membran-Elektroden-Einheit
- 4
- Dichtungselement
- 5
- Dichtungselement
- A1 bis A4
- Abführkanal
- AS
- Anodenseite
- B
- Brennstoff
- E1, E2
- Erhebung
- K1
- Anodenkanal
- K2
- Kathodenkanal
- KS
- Kathodenseite
- O
- Oxidationsmittel
- P
- Reaktionsprodukt
- S1 bis S3
- Strömungskanal
- U1, U2
- elektrischer Kontakt
- V1
- Vertiefung
- X1, X2
- Ausschnitt
- Z1 bis Z4
- Zuführkanal
