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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwischen zwei Separatorplatten angeordnet ist. Die jeweiligen Separatorplatten weisen wenigstens einen Kanal für die Verteilung eines Reaktanden auf. Die Brennstoffzelle umfasst eine jeweilige Gasdiffusionslage, wobei in zumindest einer der Gasdiffusionslagen wenigstens ein weiterer Kanal ausgebildet ist.
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Für mobile Anwendungen, insbesondere für Fahrzeuge, kommen üblicherweise Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen zum Einsatz. Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field.
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Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).
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Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
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Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.
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Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; Die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
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Insbesondere bei metallischen Bipolarplatten können die das Flow Field bildenden Kanäle zum Verteilen des jeweiligen Reaktanden vergleichsweise breit und flach sein. Dies wirkt sich ungünstig auf die Performance der Brennstoffzellen aus.
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Die
US 2003/0157396 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage, in welche ein Muster von Kanälen eingeprägt ist. Hierbei ist die Kanalstruktur in eine Oberfläche der kathodischen Gasdiffusionslage eingebracht, welche der Polymer-Elektrolyt-Membran zugewandt ist. Die Gasdiffusionslagen der Brennstoffzelle bestehen aus Karbonfaser-Papier. Durch die Kanäle sollen bevorzugte Fließwege für das an der Kathode produzierte Produktwasser bereitgestellt werden. Dies soll verhindern, dass sich im Bereich des Katalysators Produktwasser ansammelt und so die Brennstoffzellenreaktion behindert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist der wenigstens eine weitere Kanal in einer der Separatorplatte zugewandten Oberfläche der zumindest einen Gasdiffusionslage ausgebildet. Ein Strömungspfad für zumindest einen der Reaktanden ist hierbei durch den wenigstens einen weiteren Kanal einerseits und durch den wenigstens einen Kanal der Separatorplatte andererseits begrenzt. Mit anderen Worten sind die in der Separatorplatte ausgebildeten Kanalstrukturen und die in der zumindest einen Gasdiffusionslage ausgebildeten Kanalstrukturen einander zugewandt, und sie liegen sich gegenüber.
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Der durchströmbare Querschnitt des Strömungspfads entspricht also der Summe des durchströmbaren Querschnitts des in der Separatorplatte ausgebildeten Kanals und des weiteren Kanals. Durch solche gegenüber dem herkömmlichen Design der Separatorplatten und der Gasdiffusionslagen vergrößerte durchströmbare Querschnitte lässt sich bei einem gegebenen Massenstrom des zumindest einen Reaktanden ein besonders geringer Druckverlust erreichen. Umgekehrt kann bei einem bestimmten, in Kauf genommenen Druckverlust ein besonders großer Massenstrom oder Volumenstrom des Reaktanden durch die Brennstoffzelle erreicht werden. Dies führt zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle.
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Aufgrund der bei einem gegebenen Massenstrom verringerten Durchströmungsgeschwindigkeit und dem damit einhergehend verringerten Druckverlust der Brennstoffzelle lassen sich auch die Anforderungen an das Bereitstellen von verdichteten Reaktandenströmen und an das Komprimieren eines eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapels besonders gering halten.
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Das Einbringen von miteinander korrespondierenden Kanalstrukturen in die Gasdiffusionslage einerseits und die Separatorplatte andererseits verbessert auch die mechanischen Eigenschaften der Brennstoffzelle. Dadurch können vergleichsweise dünne Gasdiffusionslagen zum Einsatz kommen. Dies erhöht das Verhältnis der von der Brennstoffzelle pro Volumeneinheit bereitgestellten Leistung.
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Durch das Bereitstellen von einen vergleichsweise großen durchströmbaren Querschnitt aufweisenden Strömungspfaden lässt sich auch das Wasser-Management der Brennstoffzelle verbessern. Dies gilt insbesondere für das Entfernen des auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle gebildeten Produktwassers. Dadurch lässt sich die Wahrscheinlichkeit einer Flutung der Brennstoffzelle mit Produktwasser bzw. eines Blockierens des Flow Fields bedeutend verringern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine weitere Kanal in beiden Gasdiffusionslagen ausgebildet. Dann sind im Zusammenwirken des wenigstens einen weiteren Kanals mit dem wenigstens einen Kanal der jeweiligen Separatorplatte Strömungspfade sowohl für einen Brennstoff als auch für ein Oxidationsmittel gebildet. So lassen sich in Bezug auf die Oxidation des Brennstoffs und die Reduktion des Oxidationsmittels besonders günstige Voraussetzungen schaffen.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Tiefe des wenigstens einen weiteren Kanals einer Tiefe des wenigstens einen Kanals der Separatorplatte zumindest im Wesentlichen gleich ist. Dann lassen sich nämlich selbst mit vergleichsweise flachen Kanälen in der Separatorplatte einerseits und in der Gasdiffusionslage andererseits Strömungspfade mit besonders großer Tiefe erreichen.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn eine Breite des wenigstens einen weiteren Kanals einer Breite des wenigstens einen Kanals der Separatorplatte zumindest im Wesentlichen gleich ist. Dies erleichtert es, die Kanalstrukturen so auszurichten, dass sie die Strömungspfade bilden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Gasdiffusionslage aus einem gesinterten Metallfaservlies gebildet. Eine solche metallische Gasdiffusionslage weist nämlich eine besonders geringe Auslenkung auf, sie erstreckt sich also in besonders geringem Maße in den in der Separatorplatte ausgebildeten Kanal hinein. Metallfasern, welche in die Strömungspfade hineinragen können, wirken sich dennoch nicht störend auf den Transport des Reaktanden entlang der Strömungspfade aus.
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Die Verwendung von metallischen Gasdiffusionslagen bringt auch eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit mit sich und verringert so den Übergangswiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Separatorplatte. Dies bringt besonders geringe Ohm'sche Verluste mit sich. Auch dies ist der Performance der Brennstoffzelle zuträglich.
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Zum Einbringen des weiteren Kanals in die zumindest eine Gasdiffusionslage sind unterschiedliche Verfahren geeignet. So kann der wenigstens eine weitere Kanal in der zumindest einen Gasdiffusionslage durch Prägen, insbesondere durch Hohlprägen, und/oder durch Abtragen gebildet sein.
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Zum Abtragen von Material der Gasdiffusionslage und damit einhergehend zum Ausbilden des wenigstens einen weiteren Kanals kann insbesondere ein Laser zum Einsatz kommen. Der wenigstens eine weitere Kanal kann jedoch auch durch Fräsen gebildet sein.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der wenigstens eine weitere Kanal in der zumindest einen Gasdiffusionslage durch ein Druckverfahren und/oder durch ein Gießverfahren gebildet ist. Als Druckverfahren kann insbesondere ein lithografisches Druckverfahren zum Einsatz kommen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Schnittansicht eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionslage einer Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte Kanäle für einen Reaktanden aufweist und wobei in der Gasdiffusionslage mit diesen Kanälen korrespondierende Kanalstrukturen ausgebildet sind, so dass sich besonders tiefe Kanäle für den Reaktanden ergeben;
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2 in einer schematischen Perspektivansicht die Bipolarplatte und die Gasdiffusionslage mit den einander zugewandten Kanalstrukturen;
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3 eine weitere schematische Schnittansicht, aus welcher mögliche Geometrien der Kanäle besonders gut hervorgehen; und
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4 eine weitere schematische Schnittansicht die Bipolarplatte mit der Gasdiffusionslage, wobei die Gasdiffusionslage aus einem gesinterten Metallfaservlies gebildet ist.
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Von einer Brennstoffzelle 10 ist in 1 schematisch eine Bipolarplatte 12 gezeigt, in welcher Kanäle 14 in Form von Vertiefungen oder Ausnehmungen ausgebildet sind. Diese Kanäle 14 sind einer Membran 16 einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle 10 zugewandt und bilden ein sogenanntes Flow Field, welches der Verteilung eines Reaktanden, also des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels dient. Die Brennstoffzelle 10 kann insbesondere in einem Brennstoffzellstapel zum Einsatz kommen, welcher zu einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs gehört.
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Zwischen der Membran 16 und der Bipolarplatte 12 ist eine Gasdiffusionslage 18 vorhanden, durch welche die Reaktanden hin zu einer an die Membran 16 angrenzenden Katalysatorschicht gelangen, an welcher die elektrochemische Reaktion abläuft. Die Gasdiffusionslage 18 umfasst vorliegend eine erste Schicht 20, deren Oberfläche 22 der Bipolarplatte 12 zugewandt ist, und eine zweite Schicht 24, welche der Membran 16 näher ist als die erste Schicht 20. Vorliegend sind in der Gasdiffusionslage 18, und zwar in deren erster Schicht 20, weitere Kanäle 26 in Form von Vertiefungen oder Ausnehmungen ausgebildet. Diese weiteren Kanäle 26 sind in der Brennstoffzelle 10 so ausgerichtet, dass sie mit einem jeweiligen der in der Bipolarplatte 12 ausgebildeten Kanäle 14 auf einer Linie liegen.
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Mit anderen Worten sind die in der Gasdiffusionslage 18 einerseits und in der Bipolarplatte 12 andererseits ausgebildeten Vertiefungen, durch welche die Kanäle 14, 16 gebildet sind, einander zugewandt, so dass sie einen jeweiligen Strömungspfad 28 mit einem vergrößerten durchströmbaren Querschnitt bilden. Die Ausnehmungen in der Bipolarplatte 12, welche die Kanäle 14 bilden, und die Ausnehmungen in der Gasdiffusionslage 18, welche die Kanäle 26 bilden, liegen sich also gegenüber und bilden so die Strömungspfade 28, welche eine besonders große Tiefe aufweisen und zugleich vergleichsweise schmal sind.
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Mit anderen Worten ist der jeweilige Strömungspfad 28 einerseits durch die in der Bipolarplatte 12 ausgebildeten Kanäle 14 und andererseits durch die in der Gasdiffusionslage 18 ausgebildeten Kanäle 26 begrenzt. Dadurch ergibt sich ein besonders großes Volumen des jeweiligen Strömungspfads 28. Dies geht bei einem gegebenen Massenstrom des Reaktanden durch die Strömungspfade 28 mit einem besonders geringen Druckverlust einher. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 10.
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Die Gasdiffusionslage 18 gemäß 1 ist bevorzugt aus einem gesinterten Metallfaservlies gebildet. Als Metall für die Fasern kann hierbei insbesondere rostfreier Stahl zum Einsatz kommen. Wenn auch die Bipolarplatte 12 metallisch ist, so ergeben sich besonders geringe Übergangswiderstände an einer Grenzfläche, an welcher die erste Schicht 20 der Gasdiffusionslage 18 mit der Bipolarplatte 12 in Anlage ist.
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Insbesondere aus der Ansicht in 2 geht besonders gut hervor, dass die in der Bipolarplatte 12 ausgebildeten Kanäle 14 mit Rippen 30 derselben korrespondieren, welche in einer Linie mit den in der Gasdiffusionslage 18 ausgebildeten Kanälen 26 ausgerichtet sind. Eine Mittelebene M der Strömungspfade 28 ist in 2 zur Veranschaulichung dargestellt.
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Des Weiteren ist aus 2 gut ersichtlich, dass die in der Bipolarplatte 12 ausgebildeten Kanäle 14 und die in der Gasdiffusionslage 18 ausgebildeten Kanäle 26 gleiche Breiten und gleiche Tiefen aufweisen können.
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Es können jedoch auch voneinander abweichende Geometrien auftreten. Dies ist anhand von 3 veranschaulicht. Entsprechend ist eine Breite 32 der in der Bipolarplatte 12 ausgebildeten Kanäle 14 größer als eine Breite 34 der in der Gasdiffusionslage 18 ausgebildeten Kanäle 26. Eine Tiefe 36 der in der Bipolarplatte 12 ausgebildeten Kanäle 14 kann hingegen im Wesentlichen gleich einer Tiefe 38 der in der Gasdiffusionslage 18 ausgebildeten Kanäle 26 sein. Radien 40 an einem Grund der Kanäle 14 der Bipolarplatte 12 und Radien 42 an einem Grund der Kanäle 26 der Gasdiffusionslage 18 können ebenfalls gleichartig oder voneinander verschieden sein. Dasselbe gilt für Radien 44 am offenen Ende der Kanäle 14 der Bipolarplatte 12 und für Radien 46 am offenen Ende der Kanäle 26 der Gasdiffusionslage 18.
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Aus 4 ist besonders gut ersichtlich, dass auch die Form der Kanäle 14 der Bipolarplatte 12 von der Form der Kanäle 26 der Gasdiffusionslage 18 abweichen kann. So kann die Form der Kanäle 14 der Bipolarplatte 12 im Wesentlichen trogförmig oder U-förmig sein und die Form der Kanäle 26 der Gasdiffusionslage 18 im Wesentlichen V-förmig.
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Des Weiteren ist der 4 zu entnehmen, dass einzelne Metallfasern 48 der Gasdiffusionslage 18 in die Strömungspfade 28 hineinragen können. Dies behindert jedoch das Durchströmen der Strömungspfade 28 mit dem jeweiligen Reaktanden allenfalls unwesentlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0157396 A1 [0008]
