DE102013217596A1

DE102013217596A1 - Polarplatte und Brennstoffzelle mit einer solchen

Info

Publication number: DE102013217596A1
Application number: DE102013217596.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Zillich; Christian Pfahl; Jakob Schmidt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Polarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (60), wobei die Polarplatte (10) wenigstens einseitig einen Strömungsbereich (14) mit einer Mehrzahl an Strömungselementen (34, 36) ausbildet, welche dazu ausgebildet sind, von einem Reaktanten umströmt zu werden. Wenigstens ein erstes Strömungselement (34) ist dazu ausgebildet, den umströmenden Reaktanten in eine erste Seite (44) umzulenken und wenigstens ein stromab angeordnetes, zweites Strömungselement (36) ist dazu ausgebildet, den umströmenden Reaktanten in eine zweite, der ersten Seite (44) gegenüberliegende Seite (46) umzulenken. Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (60), welche wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte (10) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Polarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Polarplatte wenigstens einseitig einen Strömungsbereich mit einer Mehrzahl an Strömungselementen ausbildet, welche dazu ausgebildet sind, von einem Reaktanten umströmt zu werden. Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, welche wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte umfasst.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Wie einleitend erwähnt, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel so genannte Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmitteln, also den Reaktanten (Kathodengas und Anodengas) und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Die Versorgung mit den Reaktanten erfolgt, indem diese entlang der Oberfläche der Bipolarplatte strömen, wobei auf einer der Hauptseiten der Bipolarplatte das Kathodengas und auf der anderen Hauptseite der Bipolarplatte das Anodengas strömt. Um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanten auf die Membran-Elektroden-Einheiten zu gewährleisten, können die Bipolarplatten auf ihren Flachseiten in einem Strömungsbereich Strömungsstrukturen aufweisen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. An den Enden des Brennstoffzellenstapels sind typischerweise Monopolarplatten angeordnet, welche im Gegensatz zu den Bipolarplatten nur auf ihrer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Flachseite eine Strömungsstruktur aufweisen. Bipolarplatten und Monopolarplatten können kurz als Polarplatten bezeichnet werden.
Polarplatten von Brennstoffzellen lassen sich grundlegend in zwei Bereiche unterteilen. Einen aktiven Bereich, in dem die Reaktionen für die Produktion von elektrischem Strom abläuft, und einen Bereich für die Zu- und Abfuhr der beteiligten Reaktionsmedien, in der Regel Luft (Kathodengas) und ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff (Anodengas). Abhängig vom Aufbau des Medienzu- und Medienabfuhrbereichs oder durch eine ungleichmäßig ablaufende Reaktion im aktiven Bereich, kann es zu einer Ungleichverteilung der Reaktionsmedien im aktiven Bereich kommen, was sich negativ auf die Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle auswirken kann.
Zur Lösung dieses Problems sind folgende zwei Lösungsansätze bekannt, welche wiederum neue Probleme mit sich bringen können.
Ein erster Lösungsansatz ist in 1 zu sehen, welche schematisch einen Strömungsbereich 12 auf einer Oberfläche einer Polarplatte 10 (z. B. eine Bipolarplatte) zeigt. Zum einen kann ein Medienzufuhrbereich 14 (ein Medienverteilbereich) so ausgelegt werden, dass eine Versorgung eines aktiven Bereichs 16 mit einem der Reaktanten am Eintritt des aktiven Bereichs 16 möglichst homogen erfolgt. Der aktive Bereich 16 ist dabei jener Bereich, in welchem die oben beschriebenen chemischen Reaktionen an der Membran-Elektroden-Einheit ablaufen. Der Medienzufuhrbereich erstreckt sich zwischen einem Medieneinlass 18 und dem aktiven Bereich 16 der Polarplatte 10. Stromab des aktiven Bereichs 16 befindet sich zwischen dem aktiven Bereich 16 und einem Medienauslass 20 ein Medienabfuhrbereich 22 (ein Mediensammelbereich). Als Strömungsstruktur können die Polarplatten 10 dabei längliche Erhöhungen mit dazwischen liegenden Kanälen 24 aufweisen. Die Erhöhungen und Kanäle 24 erstrecken sich zwischen zwei (die Polarplatte 10 durchdringenden) Betriebsmittelkanälen, welche mit den Kanälen 24 verbunden sind. Während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt über einen Betriebsmittelkanal einer der Reaktanten in die Kanäle 24. Der Reaktant passiert zunächst den Medienzufuhrbereich 14, welcher den Reaktanten gleichmäßig auf den aktiven Bereich 16 verteilt. Typischerweise tritt ein Teil des Reaktanten über die Kanäle des aktiven Bereichs 16 wieder aus diesem aus und wird mittels der Kanäle 24 des Medienabfuhrbereichs 14 in die zweite Betriebsmittelöffnung geleitet.
Die Ausführung und Anordnung des Medienzufuhrbereichs 14 für eine homogen verteilte Einlassströmung des Reaktanten in den aktiven Bereich 16 unterliegt engen Begrenzungen. Wird eine Vielzahl von voneinander getrennten Kanälen 24 für die Reaktantenversorgung der Brennstoffzelle verwendet, ist darauf zu achten, dass die Gesamtlänge der jeweiligen Kanäle 24 (im Medienzufuhrbereich 14, im aktiven Bereich 16 und im Medienabfuhrbereich 22) gleich groß ist. Diese Bedingung kann jedoch häufig nicht eingehalten werden, z. B. wenn der Eintritt in den Medienzufuhrbereich 14 einen kleineren Querschnitt besitzt als der Eintritt in den aktiven Bereich 16 und die Eintritte in den Medienzufuhrbereich 14 und in den aktiven Bereich 16 jeweils mittig bezogen auf eine Längsachse 26 der Polarplatte 10 angeordnet ist. Dadurch wird eine, wie in 1 dargestellte, fächerartige Anordnung der Kanäle 24 im Medienzufuhrbereich 14 notwendig und eine Gesamtlänge der in der Mitte liegenden Kanäle 16 ist bedeutend geringer als eine Gesamtlänge der außenliegenden Kanäle 16. Dadurch bilden sich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten im aktiven Bereich aus. Wie in 1 ersichtlich ist, ist sowohl die Breite des Medieneinlass 18 als auch die Breite des Medienauslass 20 schmaler, als die Breite des aktiven Bereichs 16.
Eine Ungleichverteilung der Strömung im aktiven Bereich 16 kann durch eine Anpassung der Querschnitte der Kanäle 24 ausgeglichen werden. Dabei werden jene Kanäle 24 mit einem geringeren Querschnitt belegt, welche ansonsten einen höheren Massenstrom aufweisen würden. Dadurch wird ein höherer Druckverlust erzeugt, welcher ausgleichend in Bezug auf die Ungleichverteilung der Strömung wirkt.
Im Unterschied zu 1 ist in 2 ein zweiter Lösungsansatz zu sehen, bei welchem ebenfalls schematisch ein Strömungsbereich 12 auf einer Oberfläche einer Polarplatte 10 gezeigt ist. Demnach wird eine Ungleichverteilung der Reaktanten durch eine offen-poröse Struktur 28 im aktiven Bereich ausgeglichen, welche einen Stoffaustausch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Reaktanten ermöglicht. Der Medieneinlass 18 und der Medienauslass 20 sind im Beispiel auf gegenüberliegenden Seiten der Polarplatte 10 versetzt zueinander angeordnet.
Werden die Reaktanten in dem Zufuhrbereich nicht senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des aktiven Bereichs geführt, ist auch aufgrund der porösen Struktur 28 des aktiven Bereichs eine ungleichmäßige Reaktantenverteilung im aktiven Bereich 16 die Folge, welche von einem strömungstechnischen Kurzschluss 30 im aktiven Bereich 16 verursacht wird. Der strömungstechnische Kurzschluss 30 kann sich ausbilden, wenn sich die Weglängen im Medienverteilbereich 14 deutlich voneinander unterscheiden (vergleiche die beispielhaft an einer Stelle eingezeichnete, gewünschte Durchströmung 32). Dabei bilden sich ebenfalls unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten im aktiven Bereich 16 aus.
Eine Vergrößerung eines Längen-Breiten-Verhältnisses des aktiven Bereichs, also eine Vergrößerung des Verhältnisses aus der Länge des aktiven Bereichs in der Hauptströmungsrichtung zu der Breite des aktiven Bereichs senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung, führt zu einer Verringerung des Längenunterschieds der Strömungskanäle und zu einer Reduzierung des strömungstechnischen Kurzschlusses 30.
Ferner sind auch Polarplatten bekannt, deren Strömungsstruktur keine geschlossenen, durchgehenden Kanäle ausbildet. So offenbart die DE 10 2007 048 184 B3 eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche in ihrem chemisch aktiven Bereich eine Vielzahl regelmäßig angeordneter, alleinstehender Erhebungen aufweist. Die Erhebungen weisen in der Draufsicht auf die Hauptseite der Bipolarplatte eine „H-Form” auf.
Die DE 10 2007 007 704 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, welcher mehrere Bi-Brennstoffzellen umfasst. Jede der Bi-Brennstoffzellen weist an ihren beiden Hauptflächen je eine Membran-Elektroden-Einheit auf, welche von innerhalb der Bi-Brennstoffzelle mit Anodengas versorgt wird. An den Außenflächen der beiden Membran-Elektroden-Einheiten befinden sich Kathoden-Stromableiter. Zwischen den Kathoden-Stromableitern zweier Bi-Brennstoffzellen befinden sich Separatoren, welche zur passiven Versorgung der Bi-Brennstoffzellen mit dem Kathodengas ausgebildet sind. Die Separatoren weisen eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Erhebungen auf. Innerhalb der Bi-Brennstoffzelle sind Stege angeordnet, welche in einem Winkel zu einer Bennstoffverteilerstruktur angeordnet sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Polarplatte und eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche sich durch eine gleichmäßigere Verteilung der Reaktanten auf den chemisch aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Einheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Polarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, wobei die Polarplatte wenigstens einseitig einen Strömungsbereich mit einer Mehrzahl an Strömungselementen ausbildet, welche dazu ausgebildet sind, von einem Reaktanten umströmt zu werden. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass wenigstens ein erstes Strömungselement dazu ausgebildet ist, den umströmenden Reaktanten in eine erste Seite umzulenken und wenigstens ein stromab angeordnetes, zweites Strömungselement dazu ausgebildet ist, den umströmenden Reaktanten in eine zweite, der ersten Seite gegenüberliegende Seite umzulenken.
Der Strömungsbereich ist typischerweise an einer Oberfläche insbesondere einer Flachseite der Polarplatte angeordnet, um einen optimalen Übertritt der Reaktanten auf eine Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle oder eine zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Polarplatte angeordnete Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Um eine verbesserte Umlenkung zu erreichen, kann eine Vielzahl an Strömungselementen, im Speziellen jeweils mehrere erste und/oder zweite Strömungselemente vorgesehen sein.
Insbesondere ist das wenigstens eine erste Strömungselement dazu ausgebildet, den umströmenden Reaktanten in der (vorzugsweise gesamten) Breite des Strömungsbereichs in die erste Seite umzulenken und wenigstens ein in der Hauptströmungsrichtung stromab dazu angeordnetes, zweites Strömungselement dazu ausgebildet, den umströmenden Reaktanten in der (vorzugsweise gesamten) Breite des Strömungsbereichs in die zweite, der ersten Seite gegenüberliegende Seite umzulenken. Somit wird die Reaktantenströmung in der (vorzugsweise gesamten) Breite des Strömungsbereichs zu der jeweiligen Seite gelenkt, wodurch sich definierte Strömungsverhältnisse einstellen.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine erste Strömungselement dazu ausgebildet, den umströmenden Reaktanten abweichend von einer Hauptströmungsrichtung in die erste Seite umzulenken und wenigstens ein in der Hauptströmungsrichtung stromab dazu angeordnetes, zweites Strömungselement dazu ausgebildet, den umströmenden Reaktanten abweichend von der Hauptströmungsrichtung in die zweite, der ersten Seite gegenüberliegende Seite umzulenken. Die Hauptströmungsrichtung bezeichnet dabei eine gemittelte Strömungsrichtung durch den Strömungsbereich. Die Länge des Strömungsbereichs kann somit als eine Abmessung des Strömungsbereichs entlang der Hauptströmungsrichtung gesehen werden, wohingegen die Breite insbesondere rechtwinkelig dazu gemessen werden kann.
Die erfindungsgemäße Polarplatte kann je nach gewünschter Position in der Brennstoffzelle (bzw. in einem Brennstoffzellenstapel) sowohl als Monopolarplatte als auch als Bipolarplatte ausgebildet sein, wobei die Monopolarplatte den Strömungsbereich lediglich einseitig, auf einer ihrer Flachseiten, die Bipolarplatte den Strömungsbereich hingegen beidseitig, auf beiden gegenüberliegenden Flachseiten aufweist.
Das wenigstens eine erste Strömungselement lenkt während des Betriebs den Reaktanten somit in die erste (insbesondere von der Hauptströmungsrichtung verschiedene) Seite um, woraufhin das dem ersten Strömungselement stromab folgende, wenigstens eine zweite Strömungselement die Strömung in die zweite, (insbesondere von der Hauptströmungsrichtung verschiedene) Seite lenkt. Beispielsweise wird bei einer Draufsicht auf die Polarplatte, also innerhalb des ebenen Strömungsfelds im Strömungsbereich, der Reaktant abweichend von der Hauptströmungsrichtung von dem wenigstens einen ersten Strömungselement zunächst nach links umgelenkt, und anschließend von dem stromab gelegenen, wenigstens einen zweiten Strömungselement nach rechts umgelenkt. Die erste und die zweite Seite können als parallel zu der Hauptströmungsrichtung verlaufend angesehen werden Die zweite Seite liegt dabei der ersten Seite gegenüber.
Das wenigstens eine zweite Strömungselement folgt dem wenigstens einen ersten Strömungselement insbesondere unmittelbar. Somit trifft der strömende Reaktant unmittelbar nach dem ersten Strömungselement auf das stromab angeordnete, zweite Strömungselement. Somit wird eine Vielzahl an Umlenkungen im Strömungsbereich realisiert.
Die Strömungselemente können auch als Steg, Stegelement oder als ein Stegbereich bezeichnet werden. Als Reaktanten kommen als ein Kathodengas insbesondere Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff, und als Anodengas insbesondere Wasserstoff zum Einsatz.
Durch die wechselnde Umlenkung der Reaktanten entsteht eine Reaktantenströmung in unterschiedliche Richtungen, so dass die Bildung von strömungstechnischen Totzonen reduziert und ein Reaktanten- und Flüssigkeitstransport begünstigt wird. Durch den optimierten Flüssigkeitstransport wird eine Ansammlung von Flüssigkeit in strömungstechnischen Totzonen, welche einen Transport der Reaktanten an dieser Stelle erschweren würden, verhindert. Der Flüssigkeitstransport umfasst den Transport von Wasser, welches zur Befeuchtung einer Membran der Brennstoffzelle dieser zugeführt wird und zudem auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Einheit durch die einleitend beschriebenen Reaktionen entsteht.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Strömungsbereich in einem aktiven Bereich der Polarplatte vorgesehen ist. Somit sorgt der Strömungsbereich im Betrieb für eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanten innerhalb des chemisch aktiven Bereichs der Brennstoffzelle. Eine aus dem Stand der Technik bekannte, inhomogene Strömungsverteilung im aktiven Bereich einer Brennstoffzelle (vergleiche 1 und 2) kann durch die offene Struktur des erfindungsgemäßen Strömungsbereichs besser ausgeglichen werden. Durch die Entstehung von Scherströmungen wird der Transport von Reaktanten, Reaktionsprodukten und von Flüssigkeiten im aktiven Bereich der Brennstoffzelle verbessert und so die Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle homogenisiert.
Auf der erfindungsgemäßen Polarplatte sind die Strömungselemente so angeordnet und geformt, dass sie die Strömung der Reaktanten lokal permanent umlenken und relativ starke Scherkräfte innerhalb der Strömung erzeugen, welche dem Stoffaustausch und der Strömungsgleichrichtung (entsprechend einer gewünschten Hauptströmungsrichtung) insbesondere im aktiven Bereich zuträglich sind. Die Hauptströmungsrichtung kann bei einem rechteckigen aktiven Bereich z. B. parallel zu einer der Seiten des Rechtecks zwischen einem, von einem Medienzufuhrbereich kommenden Einlass und einem, in einen Medienabfuhrbereich führenden Auslass verlaufen.
Die Strömungselemente können sich rechtwinkelig von einer Grundebene der Polarplatte weg erstrecken. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Strömungselemente jeweils frei von der Polarplatte auskragen, wodurch eine Behinderung der Reaktantenströmung zwischen den Strömungselementen verhindert wird.
In der Praxis werden die Strömungselemente so ausgeformt und dahingehend optimiert, dass sie einen möglichst großen Kontaktbereich mit der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ermöglichen, wodurch ohmsche und thermische Kontaktwiderstände zwischen der Polarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit minimiert werden, gleichzeitig aber auch einen Stoffaustausch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (insbesondere senkrecht zur Polarplatte) zulassen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Anteil der Summe der Flächen der Kontaktbereiche der Strömungselemente (zu den Membran-Elektroden-Einheiten oder den Gasdiffusionslagen) bezogen auf eine Gesamtfläche des Strömungsbereichs wenigstens 10%, vorzugsweise wenigstens 15%, besonders bevorzugt wenigstens 20% beträgt. [welcher Anteil ist in der Praxis vorgesehen/sinnvoll realisierbar?]
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Vektor, welcher von einem stromauf gelegenen Ende zu einem stromab gelegenen Ende des wenigstens einen ersten Strömungselements verläuft, zu der ersten Seite weist, und ein Vektor, welcher von einem stromauf gelegenen Ende zu einem stromab gelegenen Ende des wenigstens einen zweiten Strömungselements verläuft, zu der zweiten Seite weist. Durch diese Ausgestaltung kann auf einfache Art erreicht werden, dass das stromauf angeordnete Strömungselement den Reaktanten auf die erste Seite lenkt und das zweite Strömungselement den Reaktanten auf die zweite Seite lenkt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das stromab gelegene Ende des wenigstens einen ersten Strömungselements und/oder des wenigstens einen zweiten Strömungselements jeweils eine sich verjüngende Form aufweist. Durch die sich verjüngende Form wird stromab der Strömungselemente (in deren Nachlauf) eine Bildung von strömungstechnischen Totzonen verringert oder verhindert. Insbesondere weist die sich verjüngende Form einen eingeschlossenen Winkel von kleiner als 90 Grad, vorzugsweise von kleiner als 70 Grad auf, wodurch dieser positive Effekt verstärkt wird. Die sich verjüngende Form ist insbesondere in einer Draufsicht auf die Polarplatte und/oder in einer Schnittfläche durch die Strömungselemente, welche parallel zur Polarplatte verläuft, ersichtlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das stromab gelegene Ende des wenigstens einen ersten Strömungselements und/oder des wenigstens einen zweiten Strömungselements keine Einbuchtungen aufweist. Somit können sich zwischen dem stromauf und dem stromab gelegenen Enden der Strömungselemente geradlinig verlaufende und/oder nach außen gewölbte (jedoch nicht nach innen gewölbte) Flächenstücke ausbilden. Auch durch diese Ausgestaltung wird eine Bildung von strömungstechnischen Totzonen verhindert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wenigstens eine erste Strömungselement und/oder das wenigstens eine zweite Strömungselement in einer Draufsicht auf die Polarplatte und/oder in einer Schnittfläche durch die Strömungselemente, welche parallel zur Polarplatte verläuft, im Wesentlichen die Form eines Vierecks, insbesondere im Wesentlichen die Form eines Parallelogramms aufweisen. Durch diese Ausgestaltung kann ein Anteil des Kontaktbereichs der Strömungselemente bezogen auf eine Gesamtfläche des Strömungsbereichs erhöht werden. Das Parallelogramm weist vorzugsweise an jenen Ecken, welche das stromauf gelegene Ende und das stromab gelegene Ende des Strömungselements bilden, einen Winkel kleiner als 90 Grad auf, wodurch die Umströmung optimiert wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die (von dem wenigstens einen ersten Strömungselement umfassten) ersten Strömungselemente und/oder die (von dem wenigstens einen zweiten Strömungselement umfassten) zweiten Strömungselemente jeweils in Reihen angeordnet sind, welche sich insbesondere im Wesentlichen rechtwinkelig zu der Hauptströmungsrichtung erstrecken. Durch die sich insbesondere im Wesentlichen rechtwinkelig zu der Hauptströmungsrichtung erstreckenden Reihen der Strömungselemente, wird eine definierte Strömungsbeeinflussung über die Breite des Strömungsbereichs ermöglicht. Im Speziellen kann entlang einer Linie, welche in Richtung der Reihe (also insbesondere rechtwinkelig zur Hauptströmungsrichtung) verläuft, der Reaktantenstrom zur jeweiligen (ersten oder zweiten) Seite hin umgelenkt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungselemente der in der Hauptströmungsrichtung nacheinander folgenden Reihen von Reihe zu Reihe alternierend unterschiedlich ausgeformt sind. Somit ergibt sich eine wiederkehrende Abfolge von Reihen erster Strömungselemente und zweiter Strömungselemente. Beispielsweise beginnt der Strömungsbereich in der Hauptströmungsrichtung mit einer Reihe erster Strömungselemente, gefolgt von einer Reihe zweiter Strömungselemente, wieder einer Reihe erster Strömungselemente und so weiter.
Somit lenkt eine Reihe die Strömung in die erste Seite (z. B. nach links) um, woraufhin eine in der Hauptströmungsrichtung nachfolgende Reihe die Strömung in die zweite Seite (z. B. nach rechts) umlenkt und so weiter.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die in jeweils einer Reihe angeordneten ersten und/oder zweiten Strömungselemente die gleiche Form aufweisen. Somit erfolgt die Strömungsbeeinflussung gleichmäßig über die gesamte Länge der jeweiligen Reihe.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Strömungselemente einer Reihe einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Dadurch wird die Durchströmung einer Reihe weiter vergleichmäßigt.
Ferner wird eine Brennstoffzelle, welche wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte umfasst, zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle zeichnet sich insbesondere durch eine erhöhte Leistungsdichte aus.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit umfasst, welche zwischen zwei der erfindungsgemäßen Polarplatten angeordnet ist. Beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit können zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und den Polarplatten Gasdiffusionslagen vorgesehen sein, welche einen Transport der Reaktanten zu der Membran-Elektroden-Einheit und einen Abtransport von Reaktionsprodukten von der Membran-Elektroden-Einheit weiter verbessern.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle ist insbesondere mit einer elektrischen Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs elektrisch leitfähig verbunden. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich insbesondere durch eine erhöhte Leistungsfähigkeit aus.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Strömungsbereichs auf einer Hauptseite einer Polarplatte (Stand der Technik),
2 eine schematische Darstellung eines alternativen Strömungsbereichs auf einer Hauptseite einer Polarplatte (Stand der Technik),
3 einen Teilbereich einer Draufsicht auf eine Polarplatte,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle.
Auf die 1 und 2 wurde bereits bezüglich des Stands der Technik eingegangen.
3 zeigt einen Teilbereich einer Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Polarplatte 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Draufsicht ist rechtwinkelig auf eine der Flachseiten der Polarplatte 10 und zeigt einen Strömungsbereich 12, an welchen ein Medienzufuhrbereich 14, welcher einen Medieneinlass 18 umfasst, und ein Medienabfuhrbereich 22, welcher einen Medienauslass 20 umfasst, anschließen. Der Strömungsbereich 12 ist an der Oberfläche der Polarplatte 10 in einem (chemisch) aktiven Bereich 16 vorgesehen, welcher mit den Bereichen 14 und 22 strömungstechnisch verbunden ist. Der Medieneinlass 18 und der Medienauslass 20 sind mit nicht dargestellten Betriebsmittelöffnungen der Polarplatte 10, welche diese durchdringen, verbunden. Der Medienzufuhrbereich 14 und der Medienabfuhrbereich 22 können als zum aktiven Bereich 16 hin offene Hohlräume ausgeführt sein. Im aktiven Bereich 16 weist der Strömungsbereich 12 Strömungselemente auf, welche wenigstens ein erstes Strömungselement 34 und wenigstens ein zweites Strömungselement 36 umfassen. Typischerweise umfasst der Strömungsbereich eine Vielzahl an Strömungselementen 34, 36.
Während des Betriebs einer Brennstoffzelle, welche die Polarplatte 10 umfasst, strömt durch den Medienzufuhrbereich 14 ein Reaktant, z. B. Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff als Kathodengas oder z. B. Wasserstoff als Anodengas in den aktiven Bereich 16 ein. Die frei von der Polarplatte 10 auskragenden, also abstehenden Strömungselemente 34, 36 liegen dabei z. B. auf einer Gasdiffusionslage (GDL) auf, hinter welcher eine Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle angeordnet ist. Somit strömt der Reaktant durch den aktiven Bereich 16 und verlässt diesen durch den Medienabfuhrbereich 22 teilweise wieder. Mit dem abströmenden Reaktanten kann auch Wasser, welches bei den Brennstoffzellenreaktionen gebildet, oder auch der Brennstoffzelle zugeführt wird, aus dem aktiven Bereich 16 abtransportiert werden. Der Reaktantenstrom folgt bei einer globalen Betrachtung des Strömungsbereichs 12 einer Hauptströmungsrichtung 38, welche eine (gemittelte) Strömungsrichtung von einem Einlass 40 in den Strömungsbereich 12 zu einem Auslass 42 aus dem Strömungsbereich 12 bezeichnet.
Bei einem rechteckigen aktiven Bereich kann die Hauptströmungsrichtung 38 somit parallel zu einer Seitenbegrenzung des aktiven Bereichs 16 verlaufen.
Gemäß der Erfindung sind die ersten Strömungselemente 34 derart geformt, dass der Reaktant, welcher die ersten Strömungselemente 34 umströmt, von den ersten Strömungselementen 34 abweichend von der Hauptströmungsrichtung 38 in eine erste Seite 44 umgelenkt wird. Die erste Seite 44 kann beispielsweise die linke Seite der ebenen Strömung im aktiven Bereich 16 sein. Somit wird der Reaktant von den ersten Strömungselementen 34 bezogen auf die Hauptströmungsrichtung 38 in eine erste Richtung 45 umgelenkt. Im Gegensatz dazu sind die zweiten Strömungselemente 36 derart geformt, dass der Reaktant, welcher die zweiten Strömungselemente 36 umströmt, von ihnen abweichend von der Hauptströmungsrichtung 38 in eine zweite Seite 46 umgelenkt werden. Die zweite Seite 46 ist somit die rechte Seite der ebenen Strömung. Folglich wird der Reaktant von den zweiten Strömungselementen 36 bezogen auf die Hauptströmungsrichtung 38 in eine zweite Richtung 47 umgelenkt.
Um dies zu erreichen, können die Strömungselemente 34, 36 derart geformt sein, dass Vektoren 48, welche von einem stromauf gelegenen Ende zu einem stromab gelegenen Ende des jeweiligen Strömungselements 34 verlaufen, zu der ersten Seite 44 weisen. Analog dazu weisen Vektoren 50, welche von einem stromauf gelegenen Ende zu einem stromab gelegenen Ende des jeweiligen zweiten Strömungselements 36 verlaufen, zu der zweiten Seite 46. Bei einem umströmen der Strömungselemente 34, 36 wird der Reaktantenstrom somit in die jeweilige Richtung 44, 46 abgelenkt.
Um strömungstechnische Totgebiete zu vermeiden oder zu verhindern, weisen die stromab gelegenen Enden der ersten und zweiten Strömungselemente 34, 36 jeweils eine sich verjüngende Form auf. Würden als Alternative zur Erfindung Strömungselemente einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen, dessen Seitenflächen rechtwinkelig zur Hauptströmungsrichtung 38 angeordnet sind, so würden sich hinter den stromab liegenden Seitenflächen Totgebiete ausbilden, da die Strömung der Kontur der Strömungselemente nicht folgen kann. Totzonen werden auch dadurch verhindert, dass die Strömungselemente 34, 36 keine Einbuchtungen an ihren umströmten Oberflächen (in der Figur die äußeren Begrenzungen der Strömungselemente 34, 36) aufweisen.
Um einen möglichst großen Anteil der Summe der Flächen der Kontaktbereiche 51 der Strömungselemente 34, 36 bezogen auf eine Gesamtfläche des Strömungsbereichs zu erzielen, können die Strömungselemente 34, 36 wie gezeigt im Wesentlichen die Form eines Parallelogramms aufweisen. Das Parallelogramm weist dabei abgerundete Ecken auf, um eine Umströmung zu optimieren. Die Strömungselemente 34, 36 sind somit als Stegbereiche ausgebildet, bei denen die Innenwinkel diagonal gegenüberliegender Ecken gleich sind und ein Eckenpaar Innenwinkel zwischen 0 Grad und 90 Grad aufweist. Auf Seite der Polarplatte 10 und der Kontaktbereiche 51 können die Strömungselemente 34, 36 an ihren Enden entlang ihres umströmten Umfangs umlaufende Rundungen aufweisen (nicht dargestellt).
Die ersten Strömungselemente 34 sind in Reihen 52 erster Strömungselemente 34 und die zweiten Strömungselemente 36 in Reihen 54 zweiter Strömungselemente 36 angeordnet, welche sich rechtwinkelig zu der Hauptströmungsrichtung 38 erstrecken. Die in jeweils einer Reihe 52, 54 angeordneten ersten und zweiten Strömungselemente 34, 36 weisen jeweils gleiche Formen und konstante Abstände zueinander auf. Somit wird die Reaktantenströmung im gesamten Strömungsbereich gleichermaßen beeinflusst. In der Hauptströmungsrichtung 38 aufeinanderfolgende Reihen 52, 54 sind zueinander derart angeordnet, dass ein Zwischenraum zweier benachbarter Strömungselemente 34 oder 36 einer Reihe 52 oder 54, auf Höhe der Mitte der Strömungselemente 36 stromabwärts folgender Reihen 54 oder 52 liegt. Zudem wechselt das Eckenpaar mit Innenwinkeln zwischen 0 Grad und 90 Grad von Reihe 52 oder 54 zu Reihe 54 oder 52.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 60 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Brennstoffzelle 60 umfasst mehrere Polarplatten 10. Die Polarplatten 10 sind abwechselnd mit Membran-Elektroden-Einheiten 62 der Brennstoffzelle 60 gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 62 umfassen eine nicht im Detail ersichtliche Membran. An der Membran anliegend können die Membran-Elektroden-Einheiten 62 zudem (nicht ersichtliche) Gasdiffusionslagen aufweisen.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 62 und den Polarplatten 10 sind Dichtungen 64 angeordnet, welche Bereiche zwischen den Polarplatten 10 und den Membran-Elektroden-Einheiten 62 umlaufend begrenzen und dichten. Die gestapelte Anordnung der Polarplatten 10 und der Membran-Elektroden-Einheiten 62 kann auch als Brennstoffzellenstapel 66 bezeichnet werden. Ferner kann die Brennstoffzelle 60 Endplatten 68 aufweisen, zwischen welchen der Brennstoffzellenstapel 66 mittels Zugelementen 70, z. B. Zugstangen, verpresst werden kann.
In 4 sind von den Polarplatten 10 und den Membran-Elektroden-Einheiten 62 lediglich die Schmalseiten 72 sichtbar. Die Flachseiten der Polarplatten 10, welche den oder die Strömungsbereiche 12 aufweisen und die Flachseiten der Gasdiffusionslagen liegen aneinander an. Die im Brennstoffzellenstapel 66 (in einer Stapelrichtung) äußersten Polarplatten 10 werden als Monopolarplatten bezeichnet. Die Monopolarplatten weisen nur auf einer ihrer Flachseiten den Strömungsbereich 12 auf. Sie werden somit nur mit einem Reaktanten beaufschlagt. Die zwischen den Monopolarplatten angeordneten Bipolarplatten weisen hingegen auf beiden Flachseiten den Strömungsbereich 12 auf, wobei einer der Strömungsbereiche 12 mit dem Anodengas und der Strömungsbereich 12 der gegenüberliegenden Flachseite mit dem Kathodengas beaufschlagt wird.
Beim Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die wechselnde Umlenkung der Reaktanten eine Reaktantenströmung in unterschiedliche Richtungen, so dass die Bildung von strömungstechnischen Totzonen reduziert und ein Reaktanten- und Flüssigkeitstransport begünstigt wird. Der optimierte Wassertransport verhindert eine Ansammlung von Wasser in Totzonen, welche einen Transport der Reaktanten zur Membran-Elektroden-Einheit 62 an dieser Stelle erschweren würde.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte, inhomogene Strömungsverteilung (vergleiche 1 und 2) im aktiven Bereich der Brennstoffzelle 60 kann durch die offene Struktur des erfindungsgemäßen Strömungsbereichs 12 in Verbindung mit der Form und der Anordnung der Strömungselemente 34 und 36 besser ausgeglichen werden. Durch die Entstehung von Scherströmungen beim Aufeinandertreffen zweier zuvor noch getrennter Einzelströmungen werden der Reaktanten- und Wassertransport in den aktiven Bereichen der Brennstoffzelle 60 verbessert und so die Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle 60 homogenisiert.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Polarplatte 10 kann innerhalb eines Elektrolyseurs gegeben sein.
Bezugszeichenliste

10: Polarplatte
12: Strömungsbereich
14: Medienzufuhrbereich
16: aktiver Bereich
18: Medieneinlass
20: Medienauslass
22: Medienabfuhrbereich
24: Kanäle
26: Längsachse
28: poröse Struktur
30: strömungstechnischer Kurzschluss
32: gewünschte Durchströmung
34: erstes Strömungselement
36: zweites Strömungselement
38: Hauptströmungsrichtung
40: Einlass
42: Auslass
44: erste Seite
45: erste Richtung
46: zweite Seite
47: zweite Richtung
48: Vektor des ersten Strömungselements
50: Vektor des zweiten Strömungselements
51: Kontaktbereich
52: Reihe erster Strömungselemente
54: Reihe zweiter Strömungselemente
60: Brennstoffzelle
62: Membran-Elektroden-Einheit
64: Dichtungen
66: Brennstoffzellenstapel
68: Endplatten
70: Zugelementen
72: Schmalseiten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007048184 B3 [0013]
DE 102007007704 A1 [0014]

Claims

Polarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (60), wobei die Polarplatte (10) wenigstens einseitig einen Strömungsbereich (14) mit einer Mehrzahl an Strömungselementen (34, 36) ausbildet, welche dazu ausgebildet sind, von einem Reaktanten umströmt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes Strömungselement (34) dazu ausgebildet ist, den umströmenden Reaktanten in eine erste Seite (44) umzulenken und wenigstens ein stromab angeordnetes, zweites Strömungselement (36) dazu ausgebildet ist, den umströmenden Reaktanten in eine zweite, der ersten Seite (44) gegenüberliegende Seite (46) umzulenken.
Polarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vektor (48), welcher von einem stromauf gelegenen Ende zu einem stromab gelegenen Ende des wenigstens einen ersten Strömungselements (34) verläuft, zu der ersten Seite (44) weist, und ein Vektor (50), welcher von einem stromauf gelegenen Ende zu einem stromab gelegenen Ende des wenigstens einen zweiten Strömungselements (36) verläuft, zu der zweiten Seite (46) weist.
Polarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stromab gelegene Ende des wenigstens einen ersten Strömungselements (34) und/oder des wenigstens einen zweiten Strömungselements (36) jeweils eine sich verjüngende Form aufweist.
Polarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umströmte Oberfläche des wenigstens einen ersten Strömungselements (34) und/oder des wenigstens einen zweiten Strömungselements (36) keine Einbuchtungen aufweist.
Polarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine erste Strömungselement (34) und/oder das wenigstens eine zweite Strömungselement (36) in einer Draufsicht auf die Polarplatte (10) und/oder in einer Schnittfläche durch die Strömungselemente (34, 36), welche parallel zur Polarplatte (10) verläuft, im Wesentlichen die Form eines Vierecks, insbesondere im Wesentlichen die Form eines Parallelogramms aufweisen.
Polarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Strömungselemente (34) und/oder die zweiten Strömungselemente (36) jeweils in Reihen (52, 54) angeordnet sind, welche sich insbesondere im Wesentlichen rechtwinkelig zu einer Hauptströmungsrichtung (38) erstrecken.
Polarplatte (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in jeweils einer Reihe (52, 54) angeordneten ersten Strömungselemente (34) und/oder zweiten Strömungselemente (36) die gleiche Form aufweisen.
Polarplatte (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in jeweils einer Reihe (52, 54) angeordneten ersten Strömungselemente (34) und/oder zweiten Strömungselemente (36) einer Reihe (52, 54) einen konstanten Abstand zueinander aufweisen.
Polarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsbereich (12) in einem aktiven Bereich (16) der Polarplatte (10) vorgesehen ist.
Brennstoffzelle (60) umfassend wenigstens eine Polarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.