DE102014006749A1

DE102014006749A1 - Strömungsfeldplatte für einen verbesserten Kühlmittelfluss

Info

Publication number: DE102014006749A1
Application number: DE102014006749.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Farrington; Richard Fellows
Original assignee: Daimler AG; Ford Motor Co
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-05-19
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2014-11-20
Also published as: US9748583B2; US20140342264A1

Abstract

Es werden Bipolarplatten-Anordnungen offenbart, in welchen die Übergangskanäle für den Brennstoff in den Übergangsbereichen auf den aktiven Seiten der Platten versetzt zu den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel angeordnet sind. Diese Bauart ermöglicht einen verringerten Druckabfall des Kühlmittelflusses in den Übergangsbereichen auf der inaktiven Kühlmittelseite der Platten und verbessert so die Durchflussverteilung des Kühlmittels. Die Anordnungen sind für die Verwendung in Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln mit hoher Leistungsdichte geeignet.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Gestaltungen von Strömungsfeldplatten zum Verbessern des Kühlmittelflusses durch Verringern des Druckabfalls in den Kühlmittel-Übergangsbereichen zwischen den Öffnungen und den Strömungsfeldern in Bipolarplatten-Anordnungen für Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Brennstoffzellen wie Feststoff-Polymer-Elektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch Reaktanden, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen kathodischen und anodischen Elektroden. Eine Struktur, welche einen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten umfasst, welcher zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet ist, wird als eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. In einer typischen Brennstoffzelle sind auf jeder Seite der MEA Strömungsfeldplatten vorgesehen, welche zahlreiche Fluidverteilungskanäle für die Reaktanden umfassen, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen, und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen abzuführen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Brennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben wird. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihen zusammengestapelt, um eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Brennstoffzellenstapel können für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen weiter in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.
Zusammen mit Wasser ist Wärme ein bedeutendes Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Im Allgemeinen werden daher Mittel zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels benötigt. Stapel, welche dazu ausgelegt sind, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen (zum Beispiel automobile Stapel) zirkulieren typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch den Stapel, um Wärme rasch und effizient abzuführen. Um dies zu erreichen, sind typischerweise auch Kühlmittel-Strömungsfelder, welche zahlreiche Kühlmittelkanäle umfassen, in die Strömungsfeldplatten der Zellen in den Stapeln integriert. Die Kühlmittel-Strömungsfelder können auf den elektrochemisch inaktiven Oberflächen der Strömungsfeldplatten ausgebildet sein und können so das Kühlmittel gleichmäßig innerhalb der Zellen verteilen, wobei sie das Kühlmittel zuverlässig von den Reaktanden getrennt halten.
Bipolarplatten-Anordnungen, welche eine anodische Strömungsfeldplatte und eine kathodische Strömungsfeldplatte umfassen, welche miteinander verbunden und auf geeignete Weise abgedichtet sind, so dass sie ein abgedichtetes Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den Platten bilden, werden daher üblicherweise im Stand der Technik eingesetzt. Die Platten, welche die Anordnung bilden, können optional metallisch sein und geeignete, gegen Korrosion beständige Beschichtungen aufweisen, und sie werden typischerweise hergestellt, indem die gewünschten Merkmale in Bleche geeigneter metallischer Materialien (zum Beispiel bestimmte Edelstähle) eingeprägt werden. Alternativ können die Platten kohlenstoffhaltig sein und sie werden typischerweise hergestellt, indem Merkmale in Platten eingeformt werden, welche aus geeigneten, formbaren, kohlenstoffhaltigen Materialien (zum Beispiel mit einem Polymer imprägniertem expandierten Graphit) bestehen.
Um sowohl Reaktanden als auch das Kühlmittel den einzelnen Zellen in dem Stapel zuzuführen und von diesen abzuführen, sind im Allgemeinen eine Reihe von Öffnungen an gegenüberliegenden Enden der einzelnen Zellen vorgesehen, so dass sie Sammelleitungen für diese Fluide bilden, wenn die Zellen zusammengestapelt sind. Weitere dann benötigte Gestaltungsmerkmale sind Durchlässe, um das Gros der Fluide auf die verschiedenen Kanäle in den Strömungsfeldkanälen für die Reaktanden und das Kühlmittel in den Platten zu verteilen und von diesen abzuführen. Hierbei werden die Bereiche, welche mit dem Kühlmittel zusammenhängen, als die Übergangsbereiche für das Kühlmittel bezeichnet. Die Übergangsbereiche für das Kühlmittel können ihrerseits zahlreiche Fluid-Verteilungskanäle umfassen, zum Beispiel Übergangskanäle für das Oxidationsmittel und/oder für den Brennstoff.
Zum Zwecke der leichten Herstellbarkeit und aus anderen Gründen verwendet eine übliche Gestaltung eines Stapels einen Stapel von im Allgemeinen rechteckigen, ebenen Brennstoffzellen, deren Strömungsfeldplatten zahlreiche, gerade Strömungsfeldkanäle für die Reaktanden und das Kühlmittel umfassen, welche von einem Ende der Platten zu dem anderen verlaufen. Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, eine Stapelbauart zu verwenden, bei welcher bestimmte Öffnungen an der Seite der Platten und somit nicht in einer Linie mit den Strömungsfeldkanälen angeordnet sind. Solch eine Bauart macht es jedoch erforderlich, das zugehörige Fluid quer zu den Strömungsfeldkanälen zu leiten, um die Öffnung mit den Strömungsfeldkanälen in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel fluidisch zu verbinden. Dies kann erreicht werden, indem in diesen Übergangsbereichen für das Kühlmittel Durchgänge quer zu allen Übergangskanälen für den Reaktanden ausgebildet werden. Die Anwesenheit von solchen Durchgängen kann den Fluss von anderen Fluiden in dem Übergansbereich für das Kühlmittel behindern, was leichter ersichtlich werden wird, wenn die Figuren unten diskutiert werden. Es kann daher eine Abstimmung zwischen dem Durchfluss durch solche Durchgänge und dem Durchfluss durch andere Übergangskanäle erforderlich werden.
Dies kann insbesondere bei Gestaltungen von Stapeln mit hoher Leistungsdichte von Bedeutung sein, welche Kühlmittelöffnungen umfassen, welche an den Seiten der Platten angeordnet sind, und Kühlmitteldurchgänge in dem Übergangsbereich für das Kühlmittel, welche quer zu den Strömungsfeldern verlaufen. Um die höchsten Leistungsdichten zu erreichen, werden Fluidkanäle oft an den Grenzen einer verlässlichen Herstellungsfähigkeit und von Toleranzen ausgebildet. Da es sich um eine Flüssigkeit handelt, ist der Kühlmitteldurchfluss größeren Druckabfällen unterworfen als ein gasförmiger Reaktand, wenn er durch Durchgänge oder Kanäle einer gegebenen Größe strömt. Als Folge davon kann der Druckabfall des Kühlmittels insbesondere in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel bei solchen Stapeln mit hoher Leistungsdichte erheblich sein, und dies besonders in breiteren Zellen, wo längere quer verlaufende Durchgänge für das Kühlmittel vorgesehen werden müssen. Dies kann zu einer ungleichförmigen Verteilung auf und folglich zu einer ungleichförmigen Verteilung des Kühlmittels in den Strömungsfeldkanälen für das Kühlmittel in den aktiven Bereichen der Brennstoffzelle führen. Dies kann wiederum die Gefahr eines Überhitzens (stationäre Temperaturspitzen) und verstärkten Austrocknens in den Zellen an heißen Tagen erhöhen. Des Weiteren kann dies zu der Bildung von nassen Stellen in den Zellen führen, welche es schwierig machen, den Stapel für ein Herunterfahren vorzubereiten, wenn Bedingungen unter dem Gefrierpunkt vorliegen, und es kann es ebenfalls schwierig machen, sich von Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts während des Hochfahrens zu erholen. Des Weiteren macht ein hoher Druckabfall des Kühlmittels die Verwendung einer größeren, leistungsfähigeren Kühlmittelpumpe notwendig.
Der Druckabfall kann zu einem gewissen Grad verringert werden, indem Platz geopfert wird, welcher für den Fluss von Reaktanden in dem Übergangsbereich für das Kühlmittel vorgesehen ist, jedoch kann dies, abhängig von den Gestaltungen der Öffnung und des Übergangs ein nicht hinnehmbares Blockieren des Durchflusses von einem oder beiden Reaktanden zur Folge haben. Alternativ kann die Dicke der einzelnen Brennstoffzellen erhöht werden und zusammen damit die Höhe der Kühlmitteldurchgänge in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel. Jedoch ist dann die Leistungsdichte des Stapels in unerwünschter Weise verringert, und dies geht mit einer möglichen, unerwünschten Zunahme der Masse des Stapels einher.
Die US20120295178 offenbart eine Gestaltung einer Strömungsfeldplatte für einen verbesserten Kühlmittelfluss und zum Verringern des Druckabfalls, welcher mit dem Kühlmittelfluss in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel von solchen Brennstoffzellenstapeln zusammenhängt. Der Druckabfall wird verringert, indem die Höhe der Kühlmitteldurchgänge in dem Übergangsbereich der zugehörigen Strömungsfeldplatte vergrößert wird, so dass sich die Durchgänge über die Ebene der Platte hinaus erstrecken. Durch das Verringern des Druckabfalls wird eine verbesserte Durchflussverteilung des Kühlmittels erreicht. Die Veränderung der Höhe kann bewerkstelligt werden, indem die Durchgänge in benachbarten Zellen in dem Stapel versetzt angeordnet werden. Jedoch werden in diesem Bereich unübliche, nicht planare MEAs verwendet.
Trotz der Fortschritte, welche bislang erzielt wurden, verbleibt ein Bedarf nach immer größerer Leistungsdichte von Brennstoffzellenstapeln und effizienteren Gestaltungen von Strömungsfeldplatten. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Option, um diese Bedürfnisse zu erfüllen, und liefert weitere verwandte Vorteile.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung sorgt für einen verbesserten Kühlmittelfluss und einen verringerten Druckabfall in den Übergangsbereichen einer Bipolarplatten-Anordnung ohne den Fluss der Reaktanden in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel nachteilig zu beeinflussen, wobei das Gesamtvolumen des Stapels beibehalten wird. Dies kann erreicht werden, indem die Übergangskanäle für den Brennstoff zu den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel in den Übergangsbereichen versetzt angeordnet werden. Folglich kann dies erreicht werden, wobei übliche, ebene MEAs verwendet werden.
Speziell weist eine Bipolarplatten-Anordnung gemäß der Erfindung eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und ein inneres Kühlmittel-Strömungsfeld für eine Brennstoffzelle auf. Die Anodenplatte umfasst einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für jeweilige Fluide in Form von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel; ein Brennstoff-Strömungsfeld, welches einen Übergangsbereich und einen aktiven Bereich auf der Anodenseite der Anodenplatte umfasst, wobei der Übergangsbereich eine Mehrzahl von Übergangskanälen für den Brennstoff umfasst, wobei der aktive Bereich eine Mehrzahl von aktiven Brennstoffkanälen umfasst, und wobei die Übergangskanäle für den Brennstoff die aktiven Brennstoffkanäle mit einer Brennstofföffnung fluidisch verbinden; und ein Kühlmittel-Strömungsfeld auf der inneren Kühlmittelseite der Anodenplatte. In gleicher Weise umfasst die Kathodenplatte einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für jeweilige Fluide in Form von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel; ein Oxidationsmittel-Strömungsfeld, welches einen Übergangsbereich und einen aktiven Bereich auf der Kathodenseite der Kathodenplatte umfasst, wobei der Übergangsbereich Übergangskanäle für das Oxidationsmittel umfasst, wobei der aktive Bereich aktive Oxidationsmittelkanäle umfasst, und wobei die Übergangskanäle für das Oxidationsmittel die aktiven Oxidationsmittelkanäle mit einer Oxidationsmittelöffnung fluidisch verbinden; und ein Kühlmittel-Strömungsfeld auf der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte. In der Bipolarplatten-Anordnung ist die innere Kühlmittelseite der Anodenplatte mit der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte derart verbunden, dass die aktiven Brennstoffkanäle mit den aktiven Oxidationsmittelkanälen fluchten und die Übergangskanäle für den Brennstoff zu den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel versetzt angeordnet sind.
Bei einer einfachen Ausführungsform sind die Übergangskanäle für den Brennstoff und die Übergangskanäle für das Oxidationsmittel in dem Übergangsbereich oder den Übergangsbereichen im Wesentlichen gerade und parallel, und die aktiven Brennstoffkanäle und die aktiven Oxidationsmittelkanäle sind in den aktiven Bereichen im Wesentlichen gerade und parallel. Jedoch weisen die Brennstoff- und Oxidationsmittelkanäle notwendigerweise an den Schnittstellen zwischen den Übergangskanälen und den aktiven Kanälen eine Biegung auf und sind daher bei dieser Ausführungsform in diesen kurzen Schnittstellenbereichen zwischen den Übergangsbereichen und dem aktiven Bereich nicht gerade.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Brennstoff-Strömungsfeld Übergangsbereiche an beiden Enden des aktiven Bereichs auf der Anodenseite der Anodenplatte umfassen, und das Oxidationsmittel-Strömungsfeld kann Übergangsbereiche an beiden Enden des aktiven Bereichs auf der Kathodenseite der Kathodenplatte umfassen.
Dünne Bipolarplatten-Anordnungen mit anodischen und kathodischen Platten, welche aus Metall hergestellt sind, können von der Erfindung über eine verbesserte Durchflussverteilung des Kühlmittels in den Übergangsbereichen profitieren. Bipolarplatten-Anordnungen mit anodischen und kathodischen Platten, welche aus Kohlenstoff hergestellt sind, können jedoch auch dahingehend profitieren, dass die verwendete Erfindung es ermöglicht, dünnere Platten zu benutzen.
Die Bipolarplatten-Anordnungen sind insbesondere für die Verwendung in einem Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel geeignet, in welchem Reihenstapel von Membran-Elektroden-Anordnungen durch eine Aufeinanderfolge der Bipolarplatten-Anordnung voneinander getrennt sind. In einem solchen Stapel umfassen die Bipolarplatten-Anordnungen anodische Absätze zwischen den Übergangskanälen für den Brennstoff und kathodische Absätze zwischen den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel, und die Membran-Elektroden-Anordnungen in dem Reihenstapel können zwischen den anodischen und kathodischen Absätzen der Bipolarplatten-Anordnungen auf jeder Seite der Membran-Elektroden-Anordnungen zusammengedrückt sein. Zu diesem Zweck können die anodischen Absätze jeder Bipolarplatten-Anordnung in wünschenswerter Weise mit den kathodischen Absätzen der benachbarten Bipolarplatten-Anordnung in dem Reihenstapel fluchten. Dies kann erreicht werden, indem ein Satz von Bipolarplatten-Anordnungen verwendet wird, wobei der Satz Anordnungen umfasst, welche eine erste Bauart aufweisen und Anordnungen, welche eine zweite Bauart aufweisen, wobei die Bipolarplatten-Anordnungen in dem Satz derart angeordnet sind, dass die Anordnungen der ersten Bauart mit den Anordnungen der zweiten Bauart in dem Reihenstapel alternieren. Bei einer alternativen Ausführungsform können jedoch die Anordnungen der ersten Bauart die gleiche Bauform aufweisen wie die Anordnungen der zweiten Bauart, aber die Anordnungen der zweiten Bauart sind relativ zu den Anordnungen der ersten Bauart um 180° bezüglich der Stapelachse gedreht, wenn sie in den Stapel eingebaut sind.
Die Bipolarplatten-Anordnungen können leicht hergestellt werden, indem übliche Techniken eingesetzt werden, welche dem Fachmann bekannt sind. Nachdem eine geeignete Gestaltung für die Anordnungen bestimmt wurde, werden zunächst die anodischen und kathodischen Platten hergestellt, und dann wird die innere Kühlmittelseite der Anodenplatte mit der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte verbunden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängten Figuren und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a, b, c und d zeigen schematische Draufsichten der Kühlmittelseite einer anodischen Strömungsfeldplatte, der Kühlmittelseite einer kathodischen Strömungsfeldplatte und die Brennstoffseite der anodischen Strömungsfeldplatte beziehungsweise die Oxidationsmittelseite der kathodischen Strömungsfeldplatte eines Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik, welcher seitliche Zuführöffnungen für das Kühlmittel und über Kreuz verlaufende Zuführdurchgänge für das Kühlmittel in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel der Strömungsfeldplatten umfasst. (Diese Figuren sind Nachbildungen der Figuren aus der US2012/0295178 .)
2 zeigt eine schematische, der Länge nach verlaufende Schnittansicht des Übergangsbereichs für das Kühlmittel und der Kühlmitteldurchgänge eines Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik, welcher seitliche Zuführöffnungen für das Kühlmittel und eine Mehrzahl von quer verlaufenden Kühlmitteldurchgängen in dem Übergangsbereich für das Kühlmittel der Strömungsfeldplatten umfasst.
3a, 3b und 3c zeigen mehrere schematische, der Breite nach verlaufende Schnittansichten von einigen Zellen in unterschiedlichen Brennstoffzellenstapeln. 3a zeigt die Ansicht in dem aktiven Bereich der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik. 3b zeigt die Ansicht in dem Übergangsbereich von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik. 3c vergleicht die Ansicht in dem Übergangsbereich von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung.
4a und 4b zeigen schematische Draufsichten der Kathodenseiten einer Bipolarplatten-Anordnung, welche eine erste Bauart aufweist, beziehungsweise einer Bipolarplatten-Anordnung, welche eine zweite Bauart aufweist. Zusammen können diese Bipolarplatten-Anordnungen dazu verwendet werden, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, in welchem die MEAs zwischen den anodischen und kathodischen Absätzen in den Übergangsbereichen zusammengedrückt sind.
Ausführliche Beschreibung
In dieser Beschreibung sollen Worte wie „ein” und „umfasst” in einem offenen Sinn aufgefasst werden, und sie sollen in der Bedeutung von wenigstens ein aber nicht beschränkt auf nur ein verstanden werden.
Vorliegend soll in einem quantitativen Kontext der Ausdruck „etwa” als im Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% liegend aufgefasst werden.
Über die gesamte Beschreibung hinweg bezieht sich „aktive Bereiche” auf die Bereiche in der Brennstoffzelle, wo die elektrochemischen Reaktionen stattfinden. „Übergangsbereiche” bezieht sich auf die Bereiche in der Brennstoffzelle, welche an die aktiven Bereiche angrenzen und in welchen Fluide (ein Reaktand und/oder ein Kühlmittel) fließen, aber wo die elektrochemischen Reaktionen nicht stattfinden. „Aktive Reaktandenkanäle” bezieht sich daher auf die Abschnitte der Fluidkanäle für den Reaktanden in den Strömungsfeldplatten, welche sich in den aktiven Bereichen befinden und welche den aktiven Elektrodenoberflächen in der Brennstoffzelle gegenüberliegen. „Übergangskanäle für einen Reaktanden” bezieht sich auf die Abschnitte der Fluidkanäle für einen Reaktanden in den Strömungsfeldplatten, welche an die aktiven Reaktandenkanäle angrenzen und fluidisch mit diesen verbunden sind. „Übergangskanäle” liegen jedoch den aktiven Elektrodenoberflächen nicht gegenüber.
Der Ausdruck „versetzt angeordnet” wird vorliegend benutzt, um ein Fluchten zwischen unterschiedlichen Sätzen von Kanälen zu beschreiben. Ein gegebener Kanal wird als versetzt angeordnet zu anderen Kanälen aufgefasst, wenn er mit keinem der anderen Kanäle direkt fluchtet. Obwohl es aus manchen Gründen wünschenswert sein kann, braucht ein versetzt angeordneter Kanal jedoch nicht beispielsweise am Mittelpunkt zwischen zwei anderen Kanälen zentriert angeordnet zu sein. Des Weiteren kann ein versetzt angeordneter Kanal mit einem anderen Kanal in einem gewissen Ausmaß überlappen (zum Beispiel wenn er breiter ist als der verfügbare Raum zwischen den anderen Kanälen oder wenn er nicht mittig zwischen den anderen Kanälen angeordnet ist). Für die vorliegenden Zwecke wird ein gegebener Kanal als versetzt zu einem anderen Kanal angeordnet aufgefasst, wenn der Betrag des Überlappens des gegebenen Kanals 50% oder weniger als die Hälfte der Breite des anderen Kanals beträgt.
In der Beschreibung wurde der Ausdruck „im Wesentlichen gerade und parallel” verwendet, um die Kanalgeometrie in bestimmten Ausführungsformen zu beschreiben, in welchen die Kanäle über den Großteil aber nicht über den gesamten in Rede stehenden Bereich gerade und parallel verlaufen. Gewisse Kanäle müssen in notwendiger Weise über kurze Intervalle in jeder Ausführungsform der Erfindung „eine Biegung aufweisen”.
Eine Gestaltung eines PEMFC-Stapels, welcher für automobile Zwecke geeignet ist, umfasst typischerweise einen Reihenstapel von im Allgemeinen rechteckigen, ebenen PEM-Brennstoffzellen. Der verwendete Brennstoff ist üblicherweise reiner Wasserstoff, wobei andere Brennstoffe in Betracht gezogen werden können. Luft wird üblicherweise als das Oxidationsmittel zugeführt. Die einzelnen PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) eines Polymer-Membran-Elektrolyten und zwei, üblicherweise auf Edelmetall basierende Katalysatorschichten auf jeder Seite des Membranelektrolyten, welche als die Anode beziehungsweise die Kathode dienen. Gasdiffusionslagen sind üblicherweise angrenzend an die Katalysatorschichten in der MEA für verschiedene Zwecke vorgesehen, zum Beispiel um die Reaktionsgase gleichförmig auf die Elektroden zu verteilen und Nebenprodukt-Fluide von diesen abzuführen, um eine elektrische Verbindung mit den Elektroden bereitzustellen, und um eine mechanische Abstützung bereitzustellen. Diese Gasdiffusionslagen sind technisch gestaltete, poröse und elektrisch leitfähige Strukturen und umfassen typischerweise Kohlefasern, Bindemittel und Materialien, welche die Benetzungseigenschaften der Lagen einstellen. Strömungsfeldplatten werden dann angrenzend an die anodischen und kathodischen Gasdiffusionslagen vorgesehen, um das Gros der Fluide auf die Gasdiffusionslagen zu verteilen und von diesen abzuführen, um eine mechanische Abstützung bereitzustellen, und um eine Sammelleitungsstruktur für die Fluide bereitzustellen, welche der Zelle zugeführt und von dieser abgeführt werden, und auch um eine Struktur bereitzustellen, welche das Zirkulieren eines flüssigen Kühlmittels zu den Brennstoffzellen erlaubt. Andere spezielle Schichten oder Zwischenschichten können ebenfalls in der Struktur für verschiedene Zwecke vorgesehen sein (beispielsweise zwischen der Elektrode und der Gasdiffusionslage oder zwischen der Gasdiffusionslage und der Strömungsfeldplatte).
1a, b, c und d zeigen schematische Draufsichten auf Strömungsfeldplatten gemäß dem Stand der Technik, welche für einen PEMFC-Stapel automobilen Maßstabs mit einer hohen Leistungsdichte geeignet sind. Es gibt zwei Arten von beteiligten Platten, eine für die Anodenseite der Zelle und eine für die Kathodenseite. 1a und 1c zeigen Ansichten der sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen einer anodischen Strömungsfeldplatte 100 und 1b und 1d zeigen Ansichten der sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen einer kathodischen Strömungsfeldplatte 101. (Beachte: 1a, b, c und d wurden nach der US2012/295178 nachgebildet.) Beide Strömungsfeldplatten weisen Öffnungen auf, welche an gegenüberliegenden Enden angeordnet sind und welche als einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für die verschiedenen Fluide dienen, welche den Zellen zugeführt und von diesen abgeführt werden. Des Weiteren werden um die verschiedenen Öffnungen Dichtungen verwendet, so dass eine Mehrzahl von Öffnungen miteinander fluchten und miteinander dichtsitzend verbunden sind, wenn die Mehrzahl dieser Zellen in Reihe zusammengestapelt wird, so dass die Öffnungen Sammelleitungen für die verschiedenen Fluide innerhalb des Stapels bilden. In den 1a, b, c und d sind die verschiedenen gezeigten Öffnungen: ein Brennstoffeinlass 102, ein Brennstoffauslass 103, ein Oxidationsmitteleinlass 104, ein Oxidationsmittelauslass 105, zwei Kühlmitteleinlässe 106 und zwei Kühlmittelauslässe 107. (Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit wurden in diesen Figuren die beteiligten Dichtungsstrukturen weggelassen.)
1c und 1d zeigen die Hauptoberflächen der anodischen Strömungsfeldplatte 100 und der kathodischen Strömungsfeldplatte 101, welche der elektrochemisch aktiven Anode beziehungsweise Kathode in der MEA zugewandet sind. In jede dieser Platten wurden Strömungsfelder für Reaktanden eingeformt, welche eine Mehrzahl von im Wesentlichen geraden Strömungsfeldkanälen umfassen, welche sich von einem Ende der Platte zu dem anderen erstrecken. 1c zeigt zahlreiche Strömungsfeldkanäle 108 für den Brennstoff, welche dem aktiven Bereich einer Anode gegenüberliegen, wenn sie in eine Brennstoffzelle eingebaut sind. 1d zeigt zahlreiche Strömungsfeldkanäle 109 für das Oxidationsmittel, welche dem aktiven Bereich einer Kathode gegenüberliegen, wenn sie in eine Brennstoffzelle eingebaut sind. Zwischen den Strömungsfeldkanälen für die Reaktanden in diesen Platten und den unterschiedlichen Öffnungen in den Platten sind Übergangsbereiche für das Kühlmittel vorgesehen. In diesen Übergangsbereichen für das Kühlmittel sind verschiedene Strukturen vorgesehen, um die verschiedenen Öffnungen mit ihren entsprechenden Strömungsfeldkanälen fluidisch zu verbinden. In 1c sind die Übergangsbereiche für das Kühlmittel mit 110 bezeichnet. Wie gezeigt, erstrecken sich an jedem Ende der Strömungsfeldplatte 100 lineare Strömungsfeldkanäle 108 in die Übergangsbereiche 110 für das Kühlmittel. Diese Abschnitte der Kanäle sind als Übergangskanäle 111a, 111b für den Brennstoff bezeichnet. (In den tatsächlichen Zellen sind üblicherweise andere Verteilungsstrukturen in den Übergangsbereichen 110 für das Kühlmittel zwischen den Übergangskanälen 111a, 111b für den Brennstoff und zwischen den Brennstoffeinlässen beziehungsweise Brennstoffauslässen 102, 103 ausgebildet. Jedoch sind diese aus Gründen der Klarheit in 1c nicht gezeigt.) Die zugehörige Brennstoffzelle wird am Brennstoffeinlass 102 mit Brennstoff beaufschlagt, und dieser wird durch einlassseitige Rückströmöffnungen 130a für den Brennstoff den angrenzenden Übergangskanälen 111a für den Brennstoff zugeführt, dann durch die Brennstoff-Strömungsfeldkanäle 108 geleitet und so den Kanälen 108 zugeleitet, welche an die elektrochemisch aktive Anode angrenzen, und etwaiger verbleibender Brennstoff und Nebenprodukte der Reaktion werden von den Übergangskanälen 111b für den Brennstoff aus durch eine auslassseitige Rückströmöffnung 130b für den Brennstoff der angrenzenden auslassseitigen Öffnung 103 für den Brennstoff zugeführt.
In gleicher Weise wie in 1c sind die Übergangsbereiche für das Kühlmittel in der Kathodenplatte 110 mit 112 bezeichnet. Lineare Strömungsfeldkanäle 109 erstrecken sich in die Übergangsbereiche 112 für das Kühlmittel auf jeder Seite der Strömungsfeldplatte 110. Diese Abschnitte der Kanäle sind als Übergangskanäle 113a, 113b für das Oxidationsmittel bezeichnet. Das Oxidationsmittel wird dementsprechend der zugehörigen Brennstoffzelle an der einlassseitigen Öffnung 104 für das Oxidationsmittel zugeführt, wird durch eine einlassseitige Rückströmöffnung 140a für das Oxidationsmittel den benachbarten Übergangskanälen 113a für das Oxidationsmittel zugeführt, wird durch die Strömungsfeldkanäle 109 für das Oxidationsmittel geleitet und so der elektrochemisch aktiven Kathode zugeführt, welche an die Kanäle 109 angrenzt, und etwaiges verbleibendes Oxidationsmittel und Nebenprodukte der Reaktion werden von den Übergangskanälen 113b für das Oxidationsmittel aus durch eine auslassseitige Rückströmöffnung 140b für das Oxidationsmittel der benachbarten auslassseitigen Öffnung 105 für das Oxidationsmittel zugeführt.
Wie es typischerweise im Stand der Technik gemacht wird, werden die anderen Seiten der Strömungsfeldplatten 100 und 101 zusammenwirkend genutzt, um Kühlmittel-Strömungsfelder für die Zellen in dem Stapel zu schaffen. Speziell wirkt bei einer gegebenen Zelle in dem Stapel die Hauptoberfläche auf der Kühlmittelseite ihrer anodischen Strömungsfeldplatte 100 (welche in 1a gezeigt ist) mit der Hauptoberfläche der Kühlmittelseite der kathodischen Strömungsfeldplatte 101 (welche in 1b gezeigt ist) einer angrenzenden Zelle in dem Stapel zusammen, um so ein Kühlmittel-Strömungsfeld zu schaffen. Typischerweise sind Paare von anodischen Strömungsfeldplatten 100 und kathodischen Strömungefeldplatten 101 miteinander verbunden, um Strömungsfeldplatten-Anordnungen zu schaffen, bevor der Rest des Brennstoffzellenstapels zusammengebaut wird.
Die Ansicht in 1a der anodischen Strömungsfeldplatte 100 entspricht der von 1c, außer dass sie um 180° um eine Längsachse der Platte gedreht ist. Lineare Strömungsfeldkanäle 114 für das Kühlmittel sind hier zu sehen, und diese erstrecken sich in die Übergangsbereiche 110 für das Kühlmittel an jedem Ende der Strömungsfeldplatte 100. Diese Abschnitte der Kanäle sind als Übergangskanäle 115a, 115b für das Kühlmittel bezeichnet.
In gleicher Weise entspricht die Ansicht der kathodischen Strömungsfeldplatte 101 in 1b der von 1d, außer dass diese um 180° um die Längsachse der Platte gedreht ist. Lineare Strömungsfeldkanäle 118 für das Kühlmittel sind hier zu sehen, und diese erstrecken sich in die Übergangsbereiche 112 für das Kühlmittel an jedem Ende der Strömungsfeldplatte 110. Diese Bereiche der Kanäle sind als Übergangskanäle 117a, 117b für das Kühlmittel bezeichnet.
In benachbarten Zellen in dem Stapel passen die beiden in 1a und 1b gezeigten Oberflächen zusammen und wirken zusammen, um ein Kühlmittel-Strömungsfeld zu bilden, welches auf geeignete Weise gegenüber dem Rest der Zelle und gegenüber der umgebenden Umwelt abgedichtet ist. Das Kühlmittel wird an der Schnittstelle dieser benachbarten Zellen an Einlassöffnungen 106 für das Kühlmittel zugeführt und muss den angrenzenden Übergangskanälen 115a, 117a für das Kühlmittel zugeführt werden, wird dann durch die Strömungsfeldkanäle 114, 118 für das Kühlmittel geleitet und anschließend von den Übergangskanälen 115b, 117b für das Kühlmittel an dem anderen Ende der Zellen aus zu den angrenzenden Auslassöffnungen 107 für das Kühlmittel geleitet.
Wie aus den 1a, b, c und d ersichtlich ist, haben die Strömungsfeldplatten 100, 101 eine Gestaltung mit seitlicher Zuführung für alle Fluide in Form des Brennstoffs, des Oxidationsmittels und des Kühlmittels. Das heißt, dass die Öffnungen 102, 103 für den Brennstoff, die Öffnungen 104, 105 für das Oxidationsmittel und die Öffnungen 104, 105 für das Kühlmittel an den Seiten von einander gegenüberliegenden Enden der Platten 100, 101 angeordnet sind und daher nicht mit den linearen Strömungsfeldern 108, 109, 114, 118 fluchten. Wie gezeigt ist ein breiter Pfad in den Übergangsbereichen 110 für das Kühlmittel für den Brennstoff verfügbar, welcher von der einlassseitigen Rückströmöffnung 130a für den Brennstoff zu den Übergangskanälen 111a für den Brennstoff am einlassseitigen Ende geleitet wird, und welcher von den Übergangskanälen 111b für den Brennstoff zu der auslassseitigen Rückströmöffnung 130b für den Brennstoff an dem auslassseitigen Ende der Platte 110 geleitet wird. Jedoch sind keine solchen vergleichbar breiten Pfade verfügbar, um die Kühlmittelöffnungen 106, 107 mit den Übergangskanälen 115a, 115b für das Kühlmittel an jedem Ende der Platte 100 fluidisch zu verbinden. Vielmehr sind Kühlmitteldurchgänge 119a, 119b (in der anodischen Strömungsfeldplatte 100) und 120a, 120b (in der kathodischen Strömungsfeldplatte 101) vorgesehen, um eine fluidische Verbindung zwischen den Kühlmittelöffnungen 106, 107 und den Übergangskanälen 115a, 115b, 117a, 117b für das Kühlmittel herzustellen.
Die Kühlmitteldurchgänge 119a, 119b, 120a und 120b sind erforderlich, um einen Pfad vernünftiger Größe für das Fluid in Form des Kühlmittels bereitzustellen, welches quer zu den Strömungsfeldkanälen 114, 118 strömt, so dass das Kühlmittel einigermaßen gut auf alle Kanäle und von diesen verteilt wird. Jedoch behindert die Anwesenheit der Kühlmitteldurchgänge die Übergangskanäle 111, 113 für den Brennstoff und das Oxidationsmittel und umgekehrt, wie dies im Hinblick auf 2 besser veranschaulicht wird.
2 zeigt eine schematische, der Länge nach verlaufende Schnittansicht von den Übergangsbereichen 110, 112 für das Kühlmittel nahe einem Ende von einigen Zellen in dem Brennstoffzellenstapel. Jedoch verwendet anders als in 1 diese Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik eine Mehrzahl von quer verlaufenden Kühlmitteldurchgängen. In 2 stellt die Vertikale die Stapelrichtung dar und die Horizontale die Richtung der linearen Strömungsfeldkanäle 108, 109, 114, 118. Die rechte Seite von 2 befindet sich nahe einem Ende des Stapels (der tatsächliche Rand des Stapels ist in 2 nicht gezeigt). Jede Zelle umfasst eine MEA 1, einen Übergangskanal 111 für den Brennstoff, und einen Übergangskanal 113 für das Oxidationsmittel. Anodische Strömungsfeldplatten 100 sind mit kathodischen Strömungsfeldplatten 101 verbunden, um Strömungsfeldplatten-Anordnungen zu bilden, und eine Mehrzahl von geschlossenen Kühlmitteldurchgängen 119/120 sind innerhalb dieser Strömungsfeldplatten-Anordnungen ausgebildet. (Beachte: Der Kühlmitteldurchgang 119 der anodischen Strömungsfeldplatte 100 passt mit dem Kühlmitteldurchgang der kathodischen Strömungsfeldplatte 101 zusammen, um die geschlossenen Durchgänge zu schaffen, welche in 1 gezeigt sind. Die innere Höhe des geschaffenen geschlossenen Durchgangs wird so durch die Summe der Tiefen des Durchgangs, welcher in der Platte 100 ausgebildet ist, plus der Tiefe des Durchgangs bestimmt, welcher in der Platte 101 ausgebildet ist.)
Wie aus 2 ersichtlich ist, dient die gesamte Höhe in vertikaler Richtung, welche der Größe der geschlossenen Kühlmitteldurchgänge 119/120 gewidmet ist, dazu, den Durchfluss von Reaktanden in den Übergangskanälen 111 für den Brennstoff und den Übergangskanälen 113 für das Oxidationsmittel zu beschränken und umgekehrt. Daher muss, wenn man versucht, einen Brennstoffzellenstapel mit höchster Leistungsdichte (und folglich geringster Größe) zu schaffen, ein Ausgleich zwischen dem Durchflussvermögen des Reaktanden und dem Durchflussvermögen des Kühlmittels in den Übergangsbereichen für das Kühlmittel gemacht werden. In der Praxis kann eine Mehrzahl von Kühlmitteldurchgängen 119/120 eingesetzt werden, um einen zufriedenstellenden Durchfluss des Kühlmittels quer zu den verschiedenen linearen Strömungsfeldern zu erhalten, ohne in nicht hinnehmbarer Weise den Durchfluss der Reaktanden in den Überganskanälen 111, 113 zu behindern.
In den Strömungsfeldplatten gemäß dem Stand der Technik, welche in 1 und 2 gezeigt sind, sind die Oberflächen der Platten im Allgemeinen durchgängig eben, und wie teilweise in 2 gezeigt ist, sind in den einzelnen Zellen die MEAs 1 ebenso im Allgemeinen über die gesamten Zellen eben.
3a und 3b zeigen repräsentative, schematische, der Breite nach verlaufende Schnittansichten von einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik in dem aktiven Bereich beziehungsweise in dem Übergangsbereich (zwei Sätze von Zellkomponenten in dem Stapel sind gezeigt). Indem die gleichen Bezugszeichen von den 1a bis d verwendet werden, um Komponenten zu identifizieren, zeigt die Ansicht in 3a MEAs 1, anodische Strömungsfeldplatten 100 und kathodische Strömungsfeldplatten 101. Aktive Strömungsfeldkanäle 108 für den Brennstoff liegen der Anodenseite der MEAs 1 gegenüber und aktive Strömungsfeldkanäle 109 für das Oxidationsmittel liegen der Kathodenseite der MEAs 1 gegenüber. Strömungsfeldkanäle 114 und 118 für das Kühlmittel sind zusammengepasst, um Kühlmittel-Strömungsfelder zwischen Paaren der Platten 100 und 101 auszubilden.
Wie aus 3a ersichtlich ist, gibt es keine Möglichkeit für einen quer verlaufenden Strom des Kühlmittels in diesem aktiven Bereich (das heißt ein Kreuzstrom zwischen benachbarten Kühlmittelkanälen), da die Böden 108a der aktiven Strömungsfeldkanäle für den Brennstoff an den Böden 109a der aktiven Strömungsfeldkanäle für das Oxidationsmittel anliegen.
Um dennoch für zumindest einen mäßigen quer verlaufenden Strom des Kühlmittels in dem Übergangsbereich zu sorgen, werden entweder einer der oder beide Übergangskanäle für den Brennstoff oder das Oxidationsmittel flacher ausgebildet, wie dies in der Ansicht von 3b gezeigt ist. In 3b sind sowohl die Strömungsfeld-Übergangskanäle 111 für den Brennstoff als auch die Strömungsfeld-Übergangskanäle 113 für das Oxidationsmittel flacher als die Kanäle, welche in 3a gezeigt sind. Daher existieren Zwischenräume 120 zwischen den Böden 111c der Strömungsfeld-Übergangskanäle für den Brennstoff und den Böden 113c der Strömungsfeld-Übergangskanäle für das Oxidationsmittel. Und daher ermöglichen die Zwischenräume 120 einen bescheidenen, beschränkten quer verlaufenden Strom des Kühlmittels, welcher allgemein durch den Pfeil angegeben ist. Bevorzugt wird jedoch ein gewünschter quer verlaufender Strom des Kühlmittels erhalten, ohne den Durchfluss in den Kanälen für den Brennstoff und das Oxidationsmittel in diesem Bereich einzuschränken.
3c zeigt eine schematische Schnittansicht in dem Übergangsbereich eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung. Wie vorher erscheinen MEAs 1 in 3c. Jedoch werden zwei unterschiedlich gestaltete Bipolarplatten-Anordnungen verwendet. In der ersten Bauart ist eine anodische Strömungsfeldplatte 200 mit einer kathodischen Strömungsfeldplatte 201 kombiniert. In der zweiten Bauart ist eine anodische Strömungsfeldplatte 300 mit einer kathodischen Strömungsfeldplatte 301 kombiniert.
Sowohl die erste als auch die zweite Bauart enthalten Strömungsfeld-Übergangskanäle 211 beziehungsweise 311 für den Brennstoff und Strömungsfeld-Übergangskanäle 213 beziehungsweise 313 für das Oxidationsmittel. Hierbei sind jedoch die Kanäle in jeder Strömungsfeldplatte versetzt zu den Kanälen in ihrer Partnerplatte in den Bipolarplatten-Anordnungen angeordnet. Beispielsweise sind die Strömungsfeld-Übergangskanäle 211 für den Brennstoff versetzt zu den Strömungsfeld-Übergangskanälen 213 für das Oxidationsmittel angeordnet, und sie sitzen zwischen letzteren. Wie in 3c beschrieben, sind die Strömungsfeld-Übergangskanäle für den Brennstoff in jedem Satz der Bipolarplatten-Anordnungen derart versetzt angeordnet, dass sie zentral zwischen den Strömungsfeld-Übergangskanälen für das Oxidationsmittel ihrer Partner-Kathodenplatten angeordnet sind. Wie ebenfalls gezeigt, gibt es dennoch eine gewisse Überlappung zwischen diesen Kanälen in den Bereichen um die Kanalwände. Beispielsweise überlappen Kanalwände 211c der Strömungsfeld-Übergangskanäle 211 für den Brennstoff mit Kanalwänden 213c der Strömungsfeld-Übergangskanäle 213 für das Oxidationsmittel. In anderen Ausführungsformen können jedoch die Kanäle nicht zentral versetzt angeordnet sein, und es kann dort ein größeres oder kleineres Überlappen der Kanäle vorkommen.
Im Wesentlichen sorgt die erfindungsgemäße Herangehensweise für größere Möglichkeiten zum Erreichen eines quer verlaufenden Kühlmittelstroms mit einer geringeren erforderlichen Beschränkung in den Kanälen für die Reaktanden. Wie in 3c gezeigt, sind nun größere, kontinuierliche „Zwischenräume” 220, 320 zwischen den Platten der ersten beziehungsweise der zweiten Bauart ausgebildet. Des Weiteren sorgt die Nutzung von geeigneten ersten und zweiten Bauarten der Bipolarplatten-Anordnungen für eine Gestaltung, bei welcher die MEAs dennoch zwischen den Absätzen der Anode und den Absätzen der Kathode in den Übergangsbereichen zusammengedrückt werden können (wie dies zum Beispiel durch die MEA 1 beispielhaft dargestellt ist, welche zwischen dem Absatz 200d der Anode und dem Absatz 301d der Kathode in 3c zusammengedrückt ist).
Der Versatz oder das Sitzen zwischen den Kanälen, die Tiefe der Strömungsfeld-Übergangskanäle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel und andere Dimensionen der Kanäle können angepasst werden, um bestimmte Eigenschaften zu Lasten von anderen zu verbessern, wie für den Fachmann ersichtlich sein wird. Die geeignete Abstimmung wird von individuellen Umständen abhängen und kann vom Durchschnittsfachmann erwartet werden.
Der aktive Bereich eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung kann im Wesentlichen identisch zu dem eines Stapels gemäß dem Stand der Technik hergestellt werden (zum Beispiel denselben Querschnitt aufweisen, welcher in 3a gezeigt ist). 4a und 4b zeigen schematische Draufsichten auf die gesamten Kathodenseiten der Bipolarplatten-Anordnungen, welche in 3c erscheinen. Dem Leser zugewandt sind die kathodischen Strömungsfeldplatten 201 und 301 in den 4a beziehungsweise 4b. Die Strömungsfeld-Übergangskanäle 213 für das Oxidationsmittel und die aktiven Strömungsfeld-Kanäle 109 für das Oxidationsmittel sind auf der kathodischen Strömungsfeldplatte 201 zu sehen. Die Strömungsfeld-Übergangskanäle 313 für das Oxidationsmittel und die aktiven Strömungsfeldkanäle 109 für das Oxidationsmittel sind auf der kathodischen Strömungsfeldplatte 301 zu sehen. Wie gezeigt sind diese Kanäle durchweg im Wesentlichen gerade und parallel, außer dort wo sie notwendigerweise eine Biegung an den Schnittstellen 3 zwischen den Übergangsbereichen und den aktiven Bereichen auf den Platten aufweisen.
Um das relative Fluchten der Oxidationsmittelkanäle bezogen auf die Brennstoffkanäle zu veranschaulichen, sind Konturen der Brennstoffkanäle, welche auf den gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten-Anordnungen vorhanden sind, in den 4a und 4b in gestrichelten Linien gezeigt. Das heißt die Strömungsfeld-Übergangskanäle 211 für den Brennstoff und die aktiven Strömungsfeldkanäle 108 für den Brennstoff auf der anodischen Strömungsfeldplatte sind in gestrichelten Linien gezeigt. In gleicher Weise sind die Strömungsfeld-Übergangskanäle 311 für den Brennstoff und die aktiven Strömungsfeldkanäle 108 für den Brennstoff auf der anodischen Strömungsfeldplatte in gestrichelten Linien gezeigt. Zusammen können diese Bipolarplatten-Anordnungen verwendet werden, um einen Brennstoffzellenstapel mit einer verbesserten Durchflussverteilung in den Übergangsbereichen zu schaffen. Dies kann erreicht werden, während ein angemessener Durchfluss der Reaktanden beibehalten wird und während dennoch die MEAs zwischen den anodischen und kathodischen Absätzen in den Übergangsbereichen zusammengepresst werden. Obwohl zwei unterschiedliche Bauarten der Bipolarplatten-Anordnungen erforderlich sind, um einen solchen Stapel herzustellen, ist es aus den 4a und 4b ersichtlich, dass die Anordnungen ansonsten dieselbe Bauform aufweisen können. Die Anordnungen in diesen beiden Figuren haben die gleiche Bauform, aber die Anordnung in 4b ist relativ zu der Anordnung in 4a um 180° um eine Senkrechte zu der Seite gedreht (das heißt um die Achse des Brennstoffzellenstapels).
Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht die Erfindung, sollte jedoch nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufgefasst werden.
Beispiel
Analysen wurden durchgeführt, um den erwarteten Druckabfall des Kühlmittels in einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit dem erwarteten Druckabfall in einer beispielhaften Brennstoffzelle gemäß der Erfindung zu vergleichen. Es wurde angenommen, dass die herkömmliche Brennstoffzelle eine Gestaltung aufweist, welche der in den 2, 3a und 3b gezeigten ähnlich ist, und dass diese für die Verwendung in einer automobilen Anwendung mit hoher Leistungsdichte vorgesehen ist. Es wurde angenommen, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle der herkömmlichen Brennstoffzelle ähnlich ist, außer dass die Übergangskanäle für den Brennstoff versetzt zu den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel angeordnet sind, wie dies in den 3c und 4 gezeigt ist.
Im Betrieb wurden Reaktandenströme und Kühlmittelströme angenommen, wie sie für solche automobilen Anwendungen mit hoher Leistungsdichte typisch sind. Verfahren der numerischen Strömungsmechanik wurden dann verwendet, um die erwarteten Druckabfälle des Kühlmittels in den Übergangsbereichen und aktiven Bereichen in den beiden Bauformen der Brennstoffzellen zu bestimmen.
In beiden Brennstoffzellen wurde ein Druckabfall des Kühlmittels von etwa 44 mB in dem aktiven Bereich bestimmt. In der herkömmlichen Brennstoffzelle betrug der Druckabfall in jedem. Übergangsbereich an jedem Ende der Zelle etwa 93 mB (was impliziert, dass der gesamte Druckverlust in der herkömmlichen Brennstoffzelle etwa 230 mB betrug). In der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle betrug der Druckverlust in jedem Übergangsbereich an jedem Ende der Zelle etwa 51 mB (was impliziert, dass der gesamte Druckverlust in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle etwa 145 mB betrug).
Der Druckabfall des Kühlmittels in den Übergangsbereichen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle war daher etwa um 45% geringer als der in den Übergangsbereichen der herkömmlichen Brennstoffzelle, so dass dadurch eine wesentlich verbesserte Kühlmittelverteilung auf die Kanäle in dem aktiven Bereich erreicht wird. Des Weiteren war der gesamte Druckverlust des Kühlmittels in dem aktiven Bereich, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle etwa um 37% geringer als der des Kühlmittels in der herkömmlichen Zelle, so dass dadurch der erforderliche, von der Kühlmittelpumpe aufzubringende Druck reduziert ist, welche in dem zugehörigen automobilen Brennstoffzellensystem erforderlich ist. Dies ermöglicht wiederum die Benutzung einer Kühlmittelpumpe, welche kleiner und günstiger ist, und welche weniger Leistung benötigt.
Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.
Während bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Obwohl beispielsweise die vorstehende Beschreibung hauptsächlich auf Ausführungsformen gerichtet war, welche kohlenstoffhaltige Strömungsfeld-Einsätze für ein Oxidationsmittel umfassten, kann es aus anderen Gründen wünschenswert sein, Ausführungsformen in Betracht zu ziehen, welche kohlenstoffhaltige Strömungsfeld-Einsätze für einen Brennstoff umfassen. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20120295178 [0009]
US 2012/0295178 [0019]
US 2012/295178 [0029]

Claims

Bipolarplatten-Anordnung, welche ein inneres Kühlmittel-Strömungsfeld aufweist, für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatten-Anordnung umfasst: eine Anodenplatte, welche umfasst: einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für jeweilige Fluide in Form eines Brennstoffs, eines Oxidationsmittels und eines Kühlmittels; ein Brennstoff-Strömungsfeld, welches einen Übergangsbereich und einen aktiven Bereich auf der Anodenseite der Anodenplatte umfasst, wobei der Übergangsbereich eine Mehrzahl von Übergangskanälen für den Brennstoff umfasst, wobei der aktive Bereich eine Mehrzahl von aktiven Brennstoffkanälen umfasst, und wobei die Übergangskanäle für den Brennstoff die aktiven Brennstoffkanäle mit einer Brennstofföffnung fluidisch verbinden; und ein Kühlmittel-Strömungsfeld auf der inneren Kühlmittelseite der Anodenplatte; eine Kathodenplatte, welche umfasst: einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für jeweilige Fluide in Form eines Brennstoffs, eines Oxidationsmittels und eines Kühlmittels; ein Oxidationsmittel-Strömungsfeld, welches einen Übergangsbereich und einen aktiven Bereich auf der Kathodenseite der Kathodenplatte umfasst, wobei der Übergangsbereich Übergangskanäle für das Oxidationsmittel umfasst, wobei der aktive Bereich aktive Oxidationsmittelkanäle umfasst, und wobei die Übergangskanäle für das Oxidationsmittel die aktiven Oxidationsmittelkanäle mit einer Oxidationsmittelöffnung fluidisch koppeln; und ein Kühlmittel-Strömungsfeld auf der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte; wobei die innere Kühlmittelseite der Anodenplatte mit der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte verbunden ist; und dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Brennstoffkanäle mit den aktiven Oxidationsmittelkanälen fluchten und die Übergangskanäle für den Brennstoff versetzt zu den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel angeordnet sind.
Bipolarplatten-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Übergangskanäle für den Brennstoff und die Übergangskanäle für das Oxidationsmittel in den Übergangsbereichen im Wesentlichen gerade und parallel sind, und wobei die aktiven Brennstoffkanäle und die aktiven Oxidationsmittelkanäle in den aktiven Bereichen im Wesentlichen gerade und parallel sind.
Bipolarplatten-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Brennstoff-Strömungsfeld Übergangsbereiche an beiden Enden des aktiven Bereichs auf der Anodenseite der Anodenplatte umfasst, und wobei das Oxidationsmittel-Strömungsfeld Übergangsbereiche an beiden Enden des aktiven Bereichs der Kathodenseite der Kathodenplatte umfasst.
Bipolarplatten-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Anodenplatte und die Kathodenplatte aus Metall hergestellt sind.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, welcher einen Reihenstapel von Membran-Elektroden-Anordnungen umfasst, welche durch eine Abfolge von den Bipolarplatten-Anordnungen nach Anspruch 1 voneinander getrennt sind.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei die Bipolarplatten Anordnungen anodische Absätze zwischen den Übergangskanälen für den Brennstoff und kathodische Absätze zwischen den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel umfassen, und wobei die Membran-Elektroden-Anordnungen in dem Reihenstapel zwischen den anodischen Absätzen und den kathodischen Absätzen der Bipolarplatten-Anordnungen auf jeder Seite der Membran-Elektroden-Anordnungen in den Übergangsbereichen zusammengedrückt sind.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei die anodischen Absätze jeder Bipolarplatten-Anordnung mit den kathodischen Absätzen der angrenzenden Bipolarplatten-Anordnung in dem Reihenstapel fluchten.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei die Bipolarplatten-Anordnungen Anordnungen umfassen, welche eine erste Bauart aufweisen und Anordnungen, welche eine zweite Bauart aufweisen, und wobei die Bipolarplatten-Anordnungen derart angeordnet sind, dass die Anordnungen der ersten Bauart mit den Anordnungen der zweiten Bauart in dem Reihenstapel alternieren.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei die Anordnungen der ersten Bauart in ihrer Bauform von den Anordnungen der zweiten Bauart verschieden sind.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei die Anordnungen der ersten Bauart die gleiche Bauform aufweisen wie die Anordnungen der zweiten Bauart, und wobei die Anordnungen der zweiten Bauart relativ zu den Anordnungen der ersten Bauart um 180 Grad um die Stapelachse gedreht sind.
Verfahren zum Verbessern des Kühlmittelflusses in einer Bipolarplatten-Anordnung, welche ein inneres Kühlmittel-Strömungsfeld aufweist, für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatten-Anordnung umfasst: eine Anodenplatte, welche umfasst: einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für jeweilige Fluide in Form eines Brennstoffs, eines Oxidationsmittels und eines Kühlmittels; ein Brennstoff-Strömungsfeld, welches einen Übergangsbereich und einen aktiven Bereich auf der Anodenseite der Anodenplatte umfasst, wobei der Übergangsbereich eine Mehrzahl von Übergangskanälen für den Brennstoff umfasst, wobei der aktive Bereich eine Mehrzahl von aktiven Brennstoffkanälen umfasst, und wobei die Übergangskanäle für den Brennstoff die aktiven Brennstoffkanäle mit einer Brennstofföffnung fluidisch verbinden; und ein Kühlmittel-Strömungsfeld auf der inneren Kühlmittelseite der Anodenplatte; eine Kathodenplatte, welche umfasst: einlassseitige und auslassseitige Öffnungen für jeweilige Fluide in Form eines Brennstoffs, eines Oxidationsmittels und eines Kühlmittels; ein Oxidationsmittel-Strömungsfeld, welches einen Übergangsbereich und einen aktiven Bereich auf der Kathodenseite der Kathodenplatte umfasst, wobei der Übergangsbereich Übergangskanäle für das Oxidationsmittel umfasst, wobei der aktive Bereich aktive Oxidationsmittelkanäle umfasst, und wobei die Übergangskanäle für das Oxidationsmittel die aktiven Oxidationsmittelkanäle mit einer Oxidationsmittelöffnung fluidisch koppeln; und ein Kühlmittel-Strömungsfeld auf der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Herstellen der Anodenplatte und der Kathodenplatte derart, dass die aktiven Brennstoffkanäle mit den aktiven Oxidationsmittelkanälen fluchten und dass die Übergangskanäle für den Brennstoff versetzt zu den Übergangskanälen für das Oxidationsmittel angeordnet sind; und Verbinden der inneren Kühlmittelseite der Anodenplatte mit der inneren Kühlmittelseite der Kathodenplatte.