DE102013203309A1

DE102013203309A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013203309A1
Application number: DE201310203309
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Johannes Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine obere Bipolarplatte mit einer oberen Abstützung für eine obere Dichtung und eine untere Bipolarplatte mit einer unteren Abstützung für eine untere Dichtung aufweist und wobei zwischen der oberen und der unteren Bipolarplatte ein Strömungskanal ausgebildet ist, in welchem ein Fluid strömt. Um ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfacher und kostengünstiger hergestellt und bei dem der Druckverlust in allen Bereichen reduziert werden kann, ohne den Gesamtwirkungsgrad negativ zu beeinflussen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine der Bipolarplatten senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids ausgeschnitten ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine obere Bipolarplatte mit einer oberen Abstützung für eine obere Dichtung und eine untere Bipolarplatte mit einer unteren Abstützung für eine unteren Dichtung aufweist und wobei zwischen der oberen und der unteren Bipolarplatte ein Strömungskanal ausgebildet ist, in welchem ein Fluid strömt.
Um Brennstoffzellen betreiben zu können, müssen die beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit mit den entsprechenden Fluiden (H₂ und O₂) versorgt werden. Dies wird durch die Bipolarplatte und die in ihr ausgeformten Kanäle realisiert. Da in einem Stapel von Bipolarplatten die Medienzuführung senkrecht zu den Bipolarplatten verläuft, werden die Fluide um 90° umgelenkt. Hierbei dürfen die Fluide jedoch nur auf die Seite der Bipolarplatte gelangen, auf der sie ihre Funktion erfüllen. Deshalb dürfen die Durchlässe auch nur dort angeordnet sein. Darüber müssen Abstützungen für die Dichtungen vorhanden sein, welche die einzelnen Bipolarplatten nach oben und unten abstützen. Hierfür gibt es aktuell drei Möglichkeiten:

– Die Abstützung ist in zwei Höhen ausgebildet und bei den niedrigeren Höhen findet der Medienein- bzw. -austritt statt. Hierbei wird das Subgasket, eine folienartige Kunststoffverlängerung der Membran-Elektroden-Einheit zur Abdichtung auf dem Niveau der Membran-Elektroden-Einheit, von den Abstützungen jedoch nur ungleichmäßig abgestützt.
– Der Bereich der Abstützungen bei beiden Bipolarplatten ist so ausgestaltet, dass die beiden Bipolarplatten einen Abstand zueinander haben und nur im Bereich der Fluiddurchtritte offen sind (nicht verschweißt). Die Fluide werden alle zwischen den Bipolarplatten durchgeführt und dann auf die Niveaus verteilt. Die Abstände der Bipolarplatten untereinander sind meist in der Breite sehr klein ausgebildet und haben die Struktur einer Röhre, die zwischen den Abstützungen durchgeleitet wird. Die Röhren haben meist eine Länge außerhalb der Abstützung von mind. 5–10 mm. Der Durchtritt durch die Bipolarplatte wird mit kleinen Löchern am Ende der Röhren realisiert. Diese Löcher sind ebenerdig auf den Metallfolien eingearbeitet.
– Im Bereich der Abstützungen wird der Durchtritt der Fluide unterhalb der Abstützung, jedoch oberhalb der Bipolarplatten realisiert. Hierzu wird zusätzlich ein kleines Blech eingebaut, das den Abstand zwischen den Bipolarplatten reguliert.

Für die auf unterschiedlichen Abstützungshöhen basierende Lösung ist eine aufwendige (mehrere Auftragungsschritte) Aufbringung auf die. Bipolarplatte notwendig. Es sind kleine Abstände zu wählen, da das Subgasket homogen abgestützt werden muss. Unterschiedliche Abstützungshöhen ergeben sich zwischen den Gaseintritten und der Kühlmittelzuführung, was zu einer unterschiedlichen Abstützung führen kann. Folglich müssen die auftretenden Toleranzen kleiner gewählt werden, was zu einem erhöhten Ausschuss oder höheren Fertigungskosten führt.
Bei der Lösung mit den Aussparungen im Gasdurchtrittsbereich ist bei dieser Ausprägung der Druckverlust der Fluide sehr hoch, da sie mehrfach umgelenkt werden. Dies führt zu einer erhöhten Kompressorleistung, die aufgebracht werden muss, um den gleichen Zellcharakter zu erhalten.
Für die Lösung mit dem zusätzlichen Blech ergeben sich weitere Bauteile, die genau auf den Bipolarplatten positioniert werden müssen. Zwischen der Aufnahme des zusätzlichen Bleches und dem Blech ergibt sich ein Spalt. Zwischen diesen Blechen kann die Abstützung nicht ebenerdig aufliegen, deshalb sind hier sehr hohe Toleranzen gefordert, um keine Leckage zu bekommen. Ferner muss in einem zusätzlichen Produktionsschritt das zusätzliche Blech über Schweißnähte oder -punkte fixiert werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfacher und kostengünstiger hergestellt und bei dem der Druckverlust in allen Bereichen reduziert werden kann, ohne den Gesamtwirkungsgrad negativ zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine obere Bipolarplatte mit einer oberen Abstützung für eine obere Dichtung und eine untere Bipolarplatte mit einer unteren Abstützung für eine unteren Dichtung aufweist und wobei zwischen der oberen und der unteren Bipolarplatte ein Strömungskanal ausgebildet ist, in welchem ein Fluid strömt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine der Bipolarplatten senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids ausgeschnitten ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Strömungsrichtung des die Brennstoffzellen durchströmenden Fluides nicht mehr viel umgelenkt, was zu einem geringeren Druckverlust im Gesamtsystem führt. Außerdem sind weniger Einzelteile erforderlich, so dass die Produktionskosten gesenkt werden können.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Ausschnitt über die gesamte Breite des Einlass- und/oder Auslassbereichs der jeweiligen Fluide der Bipolarplatte. Dies würde zwar den Bauraum geringfügig erhöhen, jedoch die Komplexität des Ausschnittes minimieren.
Wenn sich der Ausschnitt über die gesamte Breite des Einlass- und/oder Auslassbereichs der jeweiligen Fluide der Bipolarplatte erstreckt, sind vorteilhafterweise die Abstützungen so verteilt, dass im Bereich des Ausschnittes keine Abstützfunktion erforderlich ist.
Alternativ kann der Ausschnitt auch nur zwischen den Abstützungen vorgesehen sein.
Wenn der Ausschnitt nur zwischen den Abstützungen vorgesehen ist, ist jeder Ausschnitt vorteilhafterweise größer als jede Abstützung ausgebildet.
Zur Erhöhung der Stabilität können in dem Ausschnitt auch ein oder mehrere Stege vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise können die Stege als Microstege ausgebildet sein, welche im weiteren Produktionsverlauf wieder entfernt werden können.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:

– Gleiche Druckverteilung in allen Bereichen, was zu einer höheren Toleranz bei den Abstützungen führt
– Geringerer Druckverlust durch geringere Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Ausschnitte, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Kosten gesenkt werden
– Geringerer Platzbedarf für die Abstützungen

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Stapel von Brennstoffzellen mit erfindungsgemäß ausgestalteten Bipolarplatten,
2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Bipolarplatte,
3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausführungsform ohne Dichtung,
4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Bipolarplatte gemäß der ersten Ausführungsform mit einer Dichtung,
5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Bipolarplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
6 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Bipolarplatte gemäß einer dritten Ausführungsform.
In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
1 zeigt einen Schnitt durch ein Brennstoffzellensystem 1 mit mehreren zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle weist eine obere und eine untere Bipolarplatte 2, 3 auf, die mit einer oberen Abstützung 4 für eine obere Dichtung 5 und mit einer unteren Abstützung 6 für eine unteren Dichtung 7 versehen sind. Zwischen der unteren Abstützung 6 einer unteren Bipolarplatte 3 und der oberen Abstützung 4 einer nachfolgenden oberen Bipolarplatte 3 ist eine Membran-Elektroden-Einheit 8 gelagert. Die beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 8 werden mit entsprechenden Fluiden (H₂ bzw. O₂) beaufschlagt, welche in einem Strömungskanal 9 geführt sind, der zwischen jeweils zwischen einer oberen und einer unteren Bipolarplatte 2, 3 ausgebildet ist.
Damit das Fluid aus dem Strömungskanal 9 austreten kann, um die jeweilige Seite der Membran-Elektroden-Einheit 8 mit entsprechenden Fluiden (H₂ bzw. O₂) zu beaufschlagen, ist die obere Bipolarplatte 2 senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids ausgeschnitten. Dies ist in 2 in vergrößertem Maßstab an einer einzelnen Brennstoffzelle dargestellt.
In 2 ist die obere Bipolarplatte 2 mit der oberen Abstützung 4 für die obere Dichtung 5, die untere Bipolarplatte 3 mit der unteren Abstützung 6 für die untere Dichtung 6 und der zwischen den beiden Bipolarplatten 2, 3 gebildete Strömungskanal 9 dargestellt, in dem die entsprechende Fluide (H₂ bzw. O₂) in Richtung des eingezeichneten Pfeils strömen.
Der Strömungskanal 9 weist in der oberen Bipolarplatte 2 einen senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteten Ausschnitt 10 auf, durch den das entsprechende Fluid (H₂ bzw. O₂) aus dem Strömungskanal 9 austreten und die jeweilige (in 2 nicht dargestellte) Membran-Elektroden-Einheit 8 benetzten kann.
Der Ausschnitt 10 kann auf zwei unterschiedliche Arten ausgestaltet sein. Die erste Ausgestaltung ist in den 3 und 4 und die zweite Ausgestaltung in der 5 zu sehen.
Gemäß den 3 und 4 ist der Ausschnitt 10 nur zwischen den oberen bzw. untern Abstützungen 4 bzw. 6 für die obere bzw. untere Dichtung 5 bzw. 7 ausgebildet. Der Ausschnitt 10 ist vorzugsweise 3–7 mm lang. Der Abstand der Abstützungen 4 bzw. 6 liegt in der gleichen Größenordnung, ist aber tendenziell größer als die Länge des Ausschnitts 10. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine flexible Dichtung bei gleichen Dichtungsmaterialien, z. B. Elastomere, Silikone o. dgl.
Gemäß 5 ist der Ausschnitt 10 durchgehend über die gesamte Breite des Einlass- und/oder Auslassbereichs der jeweiligen Fluide der Bipolarplatte 2, 3 ausgebildet. In diesem Fall sind die Abstützungen 4 bzw. 6 so angeordnet, dass im Bereich der Ausschnitte 10 keine Abstützfunktion erforderlich ist. Dadurch soll ein kleiner Dichtungsbereich erzeugt werden.
6 ist der Ausschnitt 10 zwar auch durchgehend über die gesamte Breite des Einlass- und/oder Auslassbereichs der Bipolarplatte 2, 3 ausgebildet. Der Steg 11 kann auch als Microsteg ausgebildet sein, der im weiteren Produktionsverlauf herausgebrochen werden kann.
Das vorbeschrieben Brennstoffzellensystem lässt sich bevorzugt in einem Kraftfahrzeug einsetzen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: obere Bipolarplatte
3: untere Bipolarplatte
4: obere Abstützung
5: obere Dichtung
6: untere Abstützung
7: untere Dichtung
8: Membran-Elektroden-Einheit
9: Strömungskanal
10: Ausschnitt
11: Steg

Claims

Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine obere Bipolarplatte mit einer oberen Abstützung für eine obere Dichtung und eine untere Bipolarplatte mit einer unteren Abstützung für eine untere Dichtung aufweist und wobei zwischen der oberen und der unteren Bipolarplatte ein Strömungskanal ausgebildet ist, in welchem ein Fluid strömt, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Bipolarplatten (2, 3) senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids ausgeschnitten ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ausschnitt (10) über die gesamte Breite des Einlass- und/oder Auslassbereichs der jeweiligen Fluide der Bipolarplatte (2, 3) erstreckt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützungen (4, 6) so verteilt sind, dass in Bereich des Ausschnittes (10) keine Abstützfunktion erforderlich ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt (10) nur zwischen den Abstützungen (4, 6) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausschnitt (10) größer als jede Abstützung (4, 6) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausschnitt (10) mindestens ein Steg (11) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (11) als ausbrechbarer Microsteg ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.