DE102014205543A1 - Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle mit einer solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (10) ein Paar von profilierten Platten (11) umfasst und jede Platte (11) eine Kühlmittelseite (11a) und eine Zellseite (11b) aufweist und die beiden Platten (11) derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten (11a) Kanäle (12) zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen. Es ist vorgesehen, dass zumindest eine der Platten (11) auf ihrer Kühlmittelseite (11a) ein Material (14) zur Verringerung eines Kanalvolumens der Kanäle (12) aufweist

Description

• Die Erfindung betrifft Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte ein Paar von profilierten Platten umfasst und jede Platte eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweist und die beiden Platten derart angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen.
• Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (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 (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 Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
• Bipolarplatten sind zumeist aus einem Paar profilierter Platten aufgebaut, die jeweils eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweisen und die beiden Platten derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass sich zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausbilden. Die Platten besitzen in ihrem aktiven Bereich eine Gruppierung aus Nuten oder Kanälen, die auf ihren Zellseiten offene Strömungsfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Zwischen den Platten innerhalb in der Bipolarplatte sind Kühlmittelkanäle geformt und verteilen Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel zur Kühlung desselben.
• Es ist bekannt, die Kanäle im aktiven Bereich der Bipolarplatte ineinander zu verschachteln, um die Kühlmittelmenge zu reduzieren und dadurch die gesamte thermische Masse des Brennstoffzellenstapels zu minimieren. Beispielsweise sind Bipolarplatten mit verschachtelten Platten in US 6974648 B2 und US 7291414 B2 beschrieben. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch der teilweise doppelwandige Aufbau der Kanäle.
• DE 11 2004 001 443 T5 beschreibt eine Bipolarplatte, deren Platten mittels eines leitenden Klebers miteinander verklebt sind.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zur Herstellung einer Brennstoffzelle bereitzustellen, bei welcher die thermische Masse des Kühlmittels beeinflussbar oder zumindest reduziert ist und welche insbesondere ein verbessertes Verhalten bei Kalt- und Froststarts zeigt.
• Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, welche ein Paar von profilierten Platten umfasst, wobei jede Platte eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweist, und die beiden Platten derart angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine der Platten auf ihrer Kühlmittelseite ein Material zur Verringerung des Kanalvolumens der Kanäle aufweist.
• Eine erfindungsgemäß aufgebaute Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass der Querschnitt der Kühlmittelkanäle im Vergleich zu herkömmlichen Bipolarplatten reduziert ist. In herkömmlichen Bipolarplatten steht einem, relativ zu den Reaktandengasen, geringen Kühlmittelvolumenstrom ein, ebenfalls im Vergleich zu den Reaktandengasen, großes Volumen zur Verfügung. Dieses Missverhältnis führt in herkömmlichen Bipolarplatten zu deutlichen Nachteilen bei Froststartverhalten, Systemdynamik und Kühlmittelgleichverteilung. Die Reduktion der Kühlmittelkanalquerschnitte, wie er mit erfindungsgemäßem Aufbau erzielt wird, gleicht diese Nachteile aus. Insbesondere führt er zu einer Erhöhung der Froststabilität der Bipolarplatten und der aus solchen aufgebauten Brennstoffzelle sowie zu einer Herabsetzung der minimal möglichen Temperatur für das Hochfahren einer Brennstoffzelle. Das erfindungsgemäß in die Kanäle der Bipolarplatte eingebrachte Material führt durch Verdrängung von Kühlmittel zu einer Reduktion des Kühlmittelvolumens. Somit erhält man bei der Auslegung der Bipolarplatte einen zusätzlichen Gestaltungsfreiheitsgrad, da sich der Querschnitt der Kühlmittelkanäle nicht mehr durch das Design der äußeren Strömungsfelder ergibt, sondern vielmehr unabhängig davon gezielt ausgelegt werden kann. Ferner lässt sich ein Druckverlust des Kühlmittels während der Auslegung der Bipolarplatte durch die Materialanordnung beeinflussen.
• Eine Bipolarplatte setzt sich grundsätzlich aus zwei Platten zusammen, welche zumeist unlösbar miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Kleben, Schweißen und/oder durch Verpressen hergestellt sein. Die Platten weisen eine profilgebende Struktur auf, welche auf den einander zugewandten Seiten Kühlmittelkanäle ausbildet und auf den einander abgewandten Seiten der Zellseiten offene Kanäle ausbildet, welche ein Flussfeld für die Reaktionsmedien, oder auch Reaktandengase, bilden. Die Bipolarplatte bildet unter anderem einen Separator zwischen zwei aktiven Zellen. Somit grenzt eine der Platten einer Bipolarplatte an einen Kathodenraum, und wird daher auch als Kathodenplatte bezeichnet, während die mit dieser Kathodenplatte verbundene Platte an einen Anodenraum grenzt, und somit als Anodenplatte bezeichnet wird. Neben der Verbindung, welche durch Kleben und/oder Schweißen hergestellt ist, können die Platten ebenfalls über profilbedingte Stege miteinander verbunden sein, welche gleichzeitig die Kanäle zwischen den Platten voneinander trennen. Erfindungsgemäß ist auf der Kühlmittelseite der Platten, also letztlich zwischen den Platten, ein Material zur Verringerung eines Kanalvolumens eingebracht. Die Verringerung des Kanalvolumens wird dabei maßgeblich durch Verdrängung des Kühlmittels durch das Material verursacht. Ferner steht das Material mit zumindest einer der Platten in Verbindung. Bevorzugt ist das Material daher an die Kathodenplatte und/oder die Anodenplatte angeordnet.
• Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das das Kanalvolumen verringernde Material einen Wärmeleitwert λ von mindestens 1 W/mK auf. Bei Brennstoffzellen bemisst sich der maßgebliche thermische Gesamtwiderstand einer Einzelzelle über die gesamte Zellhöhe, also über die Strecke zwischen der Katalysatorschicht (an der die abzuführende Wärme entsteht) und dem Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen. Der thermische Gesamtwiderstand setzt sich somit aus den einzelnen Wärmeleitwerten (bzw. thermischen Widerständen) der Gasdiffusionsschicht (GDL) und der Anoden- oder Kathodenplatte der Bipolarplatte sowie dem thermischen Kontaktwiderstand zwischen Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte zusammen. Das Verdrängungsmaterial ist nun bevorzugt so gewählt, dass seine Wärmeleitfähigkeit deutlich größer ist als die der Gasdiffusionsschicht (beziehungsweise sein thermischer Widerstand deutlich geringer als der der GDL ist). Somit ändert sich der thermische Gesamtwiderstand nahezu nicht. Dies bringt den Vorteil, dass keine Volumen, Gewicht oder Leistungsnachteile entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit von üblichen Gasdiffusionsschichten liegt im Bereich von 0,1 W/mK. Es hat sich nun gezeigt, dass die Einbringung von Kanalvolumen verringerndem Material in den Bereich zwischen den Platten einer Bipolarplatte besonders vorteilhaft ist, wenn das Material einen Wärmeleitwert Lambda λ von mindestens einer Größenordnung größer als den der verwendeten Gasdiffusionsschicht, also bevorzugt 1 W/mK aufweist.
• Diese Bedingungen sind insbesondere bei den Materialien Ruß, Graphit-Komposit, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrit, Metallschäumen und/oder Polymeren, insbesondere wärmeleitfähigen Polymeren, erfüllt. Somit umfasst nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das, das Kanalvolumen verringernde Material Ruß, Graphit-Komposit, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrit, Metallschaum und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer. Insbesondere bevorzugt ist dabei ein Graphit-Komposit. Vorliegend ist unter Graphit-Komposit jede Mischung aus Kohlenstoff und einem Binder zu verstehen, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mindestens 1 W/mK aufweist. Vorzugsweise sind davon Graphit-Komposite umfasst, welche auch bei der Herstellung von herkömmlichen Elektroden Verwendung finden und somit dem Fachmann zugänglich sind.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass das Kanalvolumen verringernde Material in Form einer Beschichtung vorliegt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass Beschichtungen leicht und insbesondere gleichmäßig auf strukturierte Oberflächen aufzutragen sind. Das Beschichten kann grundsätzlich mittels aller bekannter Beschichtungsverfahren erfolgen. Insbesondere ist die Beschichtung durch Spritzguss, durch chemische Verfahren, aber auch durch Sprühen, Drucken, Rakeln, Walzen, Pinseln, Streichen oder Sputtern bevorzugt. Die Auswahl des Verfahrens richtet sich insbesondere nach dem gewählten Material. Wird beispielsweise ein wärmeleitfähiges Polymer als Beschichtung verwendet, so wird dieses bevorzugt in flüssigem Zustand durch Sprühen, Aufdrucken, mittels Spritzguss oder ähnlichem aufgetragen. Unter Beschichtung wird in vorliegender Erfindung insbesondere die Anordnung einer Schicht aus Kanalvolumen verringerndem Material auf der Kühlmittelseite von zumindest einer der Platten verstanden, wobei die Beschichtung eine Dicke aufweist, welche vorzugsweise mindestens 10% eines Kanaldurchmessers entspricht. Vorzugsweise wird die Beschichtung großflächig auf zumindest einer der Platten angeordnet, dabei kommt es vollflächig zu einem Kontakt zwischen Beschichtung und Platte, sodass das Kühlmittel im Bereich der Beschichtung vorzugsweise keinen direkten Kontakt mit der Platte hat. Grundsätzlich kann die Beschichtung vor und/oder nach dem Zusammensetzen und Verbinden der Platten zur Bipolarplatte aufgebracht werden. Es ist aber bevorzugt, eine Beschichtung von zumindest einer Platte vor dem Zusammensetzen vorzunehmen. Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Materialstärke auf, die über die Kanalfläche nicht homogen ist.
• In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Material eine dichtende und/oder klebende Funktion hat. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein zusätzliches Schweißen zur Verbindung der Platten entfallen kann. Dies kann zusätzlich einen positiven Einfluss auf ein Temperaturprofil der Platte sowie auf das Kalt- bzw. Froststartverhalten der Bipolarplatte bzw. Brennstoffzelle haben, da die thermische Masse der Bipolarplatte reduziert wird. Ferner kann durch diese Ausgestaltung ein Arbeitsschritt eingespart und somit die Produktivität erhöht werden. Insbesondere handelt es sich beim Schweißen um einen Arbeitsschritt, welcher die Flexibilität beim weiteren Aufbau der Zellseite negativ beeinflussen kann.
• In dieser Ausgestaltung sind zur Beschichtung insbesondere Materialien bevorzugt, welche sich in flüssiger oder schmelzflüssiger oder hochviskoser Form auftragen lassen. Je nach Ausgestaltung wird die Flüssigkeit auf die Kühlmittelseite zumindest einer der Platten aufgetragen. Dabei werden sowohl die Bereiche der Struktur, welche später die Kanäle ausbilden, als auch die Bereiche die später die Stege ausbilden, mit Flüssigkeit benetzt. Die klebende und/oder dichtende Funktion wird dann beim Zusammensetzen, insbesondere Zusammenpressen, der Platten in den Bereichen erzielt, in welchen die noch flüssige oder ausgehärtete Beschichtung Kontakt mit der gegenüberliegenden Platte hat. Ist die Beschichtung beim Zusammensetzen der Platten bereits ausgehärtet, hat sie neben der Verdrängung des Kühlmittels insbesondere eine dichtende Funktion. Findet das Zusammensetzen der Platten statt, wenn die Beschichtung noch nicht ausgehärtet ist, kann zu der Kühlmittel verdrängenden und dichtenden Funktion eine verbindende Funktion der beiden Platten miteinander hinzukommen.
• Für die dichtende und/oder verbindende Wirkung der Beschichtung kann es dabei unerheblich sein, ob die Beschichtung auch nach dem Verpressen auf den Stegen besteht, oder aus diesen herausgedrückt ist und in einem, den Stegen nahen Bereich innerhalb der Kanäle verdrängt wurde.
• In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass das Kanalvolumen verringernde Material ein poröses Material, vorzugsweise ein poröses Material mit einer offenen Porenstruktur, umfasst, welches die Kanäle teilweise oder vollständig auskleidet. Der Vorteil in dieser Ausgestaltung liegt insbesondere darin, dass das Kanalvolumen verringernde Material auch nachträglich, also nach einem Zusammensetzen der Platten in die Kanäle eingebracht bzw. aufgebracht werden kann. Ebenfalls bevorzugt ist jedoch auch, dass das poröse Material vor dem Zusammensetzen der Platten auf zumindest eine der Platten aufgebracht wird.
• Bei dem porösen Material handelt es sich vorliegend um einen Stoff, welcher in fester Form eine große Anzahl von Poren aufweist, welche ausgebildet sind, einen Transport von Kühlmittel, insbesondere von Wasser, zu ermöglichen. Es kann sich dabei um Mikro-, Meso- und Makroporen handeln, wobei die Dominanz einer der Poren ebenso bevorzugt ist wie ein gleichmäßiges Vorkommen aller drei Porenarten. Das poröse Material kann in flüssiger Form als Beschichtung auf zumindest eine der Platten aufgebracht werden, wobei sich die poröse Struktur des Materials bei der Aushärtung einstellt. Ein Beispiel sind hier Metallschäume. Alternativ kann das Material in granularer Form in die Kanäle eingebracht werden, wobei die Granalien bevorzugt geringe Durchmesser aufweisen, sodass zwischen den Granalien entstehende Hohlräume bevorzugt maximal zwei Größenordnungen größer sind als ein mittlerer Porendurchmesser des porösen Materials.
• In weiter bevorzugter Ausgestaltung erstreckt sich das Kanalvolumen verringernde Material nur bereichsweise über die Kühlmittelseite. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Ausgestaltungsform eine Steuerung einer Kondensatbildung während des Betriebs einer Brennstoffzelle. Herkömmliche Ansätze zu einer Reduktion des Kühlmittelvolumens führen zu einer Ungleichverteilung des Kühlmittelvolumenstroms, sodass heiße und kalte Bereiche in der Brennstoffzelle entstehen können. Dies kann wiederum zu Leistungseinbußen und einer Reduktion der Lebensdauer führen. Ebenfalls ergeben sich Nachteile beim Kalt- bzw. Froststart durch langsames Aufheizverhalten, lange Wartezeiten und somit eine Limitierung der minimalen Temperatur, bei der das Brennstoffzellensystem hochgefahren wird. Ferner können sich die Probleme durch die Ungleichverteilung auf die anderen Fluide, nämlich die Reaktanden, verlagern, was gravierende Konsequenzen für den Brennstoffzellenstapel haben kann. Dieser Ungleichverteilung kann dadurch entgegengetreten werden, dass der Kühlmittelstrom in definierten Bereichen weniger stark oder aber stärker als in anderen Bereichen reduziert wird.
• Dies wird wiederum dadurch erreicht, dass das Kanalvolumen verringernde Material nur bereichsweise und/oder bereichsweise in unterschiedlicher Dicke aufgetragen wird.
• Unter bereichsweise kann vorliegend zum einen verstanden werden, dass Bereiche der Kühlmittelseite zumindest einer der Platten definiert werden, welche wiederum sowohl Kanalböden als auch Stege umfassen. Zum anderen kann unter bereichsweise jedoch auch verstanden werden, dass entweder nur Kanalböden oder nur Stege der Kühlmittelseite zumindest einer der Platten beschichtet werden. Ferner ist eine Kombination aus beiden Auslegungen bevorzugt, das heißt, dass nur in definierten Bereichen der Fläche der Kühlmittelseite zumindest eine der Platten entweder Stege oder aber Kanalböden beschichtet werden. Insbesondere bevorzugt ist die gleichmäßige Beschichtung eines zusammenhängenden Bereichs der Kühlmittelseite, wobei vorzugsweise ein Randbereich der Kühlmittelseite und insbesondere im Randbereich angeordnete Kanäle nicht beschichtet werden. Somit wird das Strömungsbild des Kühlmittels und ein daraus resultierender Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Elektrodenbereich durch die Anordnung des Kanalvolumen verringernden Materials beeinflusst.
• Neben einer thermischen Leitung ist eine elektrische Leitung zwischen den Platten einer Bipolarplatte für die Funktionsweise in einer Brennstoffzelle maßgeblich. Sowohl die thermische als auch die elektrische Leitung werden insbesondere über die im Bereich der Stege entstehende, vorzugsweise direkte Verbindung zwischen den Platten erzielt.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich daher das Kanalvolumen verringernde Material nur im Bereich der Kanalböden. Dies stellt vorteilhafterweise sicher, dass sich im Bereich der Stege weder Material noch Hohlräume befinden, welche die thermische und/oder elektrische Leitung zwischen den Platten der Bipolarplatten negativ beeinflussen. Diese Ausgestaltung wird insbesondere dann bevorzugt, wenn es sich bei dem Kanalvolumen verringernden Material um ein poröses Material handelt.
• Die Abwesenheit von Kanalvolumen verringerndem Material im Bereich der Stege kann auf unterschiedliche Weise erzielt werden. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt eine Beschichtung vollflächig, also auch im Bereich der Stege, erfolgen. In einem zweiten Schritt kann die Beschichtung im Bereich der Stege dann wieder entfernt werden. Diese Entfernung kann beispielsweise durch Abtragen, wie zum Beispiel durch Rakeln, der Beschichtung im Bereich der Stege erfolgen. Alternativ kann die Beschichtung aus den Bereichen der Stege entfernt werden, indem die Platten nach dem Aufbringen der Beschichtung miteinander verpresst werden. In Abhängigkeit von der Viskosität der Beschichtung sowie von dem Anpressdruck der Platten aufeinander wird dabei die Beschichtung aus den vorgesehenen Kontaktbereichen, also beispielsweise der Stege, verdrängt und in die Kanäle gedrückt. Handelt es sich bei dem Kanalvolumen verringernden Material um ein poröses Material, so ist in beschriebener Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass das Material erst nach Zusammenbringen der Platten in die Kanäle eingebracht wird.
• Es ist bevorzugt, dass die Platten ein metallisches Material umfassen. Beispielsweise werden Platten für Bipolarplatten entweder aus metallischen Materialien oder aber aus graphitischem Kohlenstoff hergestellt. Metallische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie insbesondere günstiger in der Beschaffung und Herstellung sind. Bei der Auslegung von metallischen Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel tritt jedoch das Problem auf, dass ein Freiheitsgrad durch Einstellung der Querschnittsgeometrie für die Kühlmittelkanäle fehlt. Dies ist durch die Herstellung der profilgebenden Struktur der Platten durch die Biegung der Bleche bedingt. Es hat zur Folge, dass meist Kühlmittelkanalgeometrien resultieren, welche einen großen Querschnitt und somit ein großes Volumen aufweisen. Die dadurch auftretenden Effektivitätsverluste von metallischen Platten gegenüber kostenintensiveren Ausweichmaterialien können durch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte zumindest ausgeglichen werden. Über den Kostenfaktor hinaus sind Bipolarplatten aus metallischen Materialien recycelbar.
• In vorliegender Erfindung wird der Begriff metallisches Material sowohl für Legierungen, für reine Metalle als auch für intermetallische Phasen verwendet. Es gilt somit für alle Materialien, die in fester oder flüssiger Form die folgenden charakteristischen metallischen Stoffeigenschaften aufweisen: hohe elektrische Leitfähigkeit, welche mit steigender Temperatur abnimmt; hohe Wärmeleitfähigkeit sowie insbesondere hohe Duktilität. Diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome mit der metallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter freibeweglichen Elektronen sind.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle mit mindestens einer Bipolarplatte in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungsform. Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich insbesondere durch ein im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen verbessertes Kalt- und Froststartverhalten aus. Insbesondere ist eine minimale Temperatur für das Hochfahren der Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen deutlich herabgesetzt. Ferner können für die Bipolarplatten der Brennstoffzelle kostengünstige metallische Materialien eingesetzt werden, ohne in Bezug auf Leistungsparameter oder Lebensdauer nachteilig zu sein.
• 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 Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik,
• 2 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach dem Stand der Technik,
• 3 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
• 4 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung,
• 5 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer dritten Ausgestaltung der Erfindung,
• 6 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer vierten Ausgestaltung der Erfindung,
• 7 eine schematische Querschnittzeichnung eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, und
• 8 eine schematische Querschnittansicht eines bevorzugten Herstellungsverfahrens einer Bipolarplatte in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
• 1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen solchen Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine erste Endplatte 111 sowie eine zweite Endplatte 112. Zwischen den Endplatten 111, 112 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen. Die Bipolarplatten 113 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 114 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 114 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 sind jeweils Dichtungselemente 115 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 111 und 112 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Zugelementen 116, z. B. Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
• In 1 sind von den Bipolarplatten 113 und den Membran-Elektroden-Einheiten 114 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 113 und der Membran-Elektroden-Einheiten 114 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 113 und einer Membran-Elektroden-Einheit 114, wenige mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 114 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
• 2 zeigt einen Ausschnitt einer herkömmlichen Bipolarplatte 113 in einer schematischen Querschnittansicht im aktiven Bereich. Die Brennstoffzelle 100 umfasst zwei profilierte Platten 11, welche jeweils eine Kühlmittelseite 11a und eine Zellseite 11b aufweisen. Die Platten verfügen in dargestellter Ausgestaltung über ein Wellenprofil und sind bevorzugt aus einem metallischen Material gefertigt. Zur Bildung der Bipolarplatte 113 sind die Platten 11 derart zusammengesetzt, dass die Kühlmittelseiten 11a der beiden Platten 11 einander zugewandt sind. Dabei bilden die Platten 11 Kanäle 12 aus, welche durch Stege 16 voneinander getrennt sind. Die Kanäle 12 sind ausgebildet um im Betrieb als Brennstoffzelle Kühlmittel 13 vorzuhalten und/oder zu transportieren. Zumindest im Bereich der Stege 16 kommt es zu einem Kontakt der Platten 11.
• Auf den Zellseiten 11b entsteht durch die Struktur der Platten 11 jeweils ein Kanalsystem, auch Flussfeld genannt, welches in den Bereichen der Stege 16 einen Transport von Reaktandengasen 15 und Produktwasser zwischen Elektrode und Bipolarplatte 113 ermöglichen kann. Unter anderem in Abhängigkeit von den geführten Reaktandengasen 15 bildet sich auf der Zellseite ein Anodenraum oder ein Kathodenraum aus. Je nach dem, ob die Zellseite 11b der Platte 11 an einen Anodenraum oder einen Kathodenraum angrenzt, wird die Platte 11 als Anoden- oder Kathodenplatte bezeichnet. Der Kanalquerschnitt der Kühlmittelkanäle 12 und somit die Menge an geführtem Kühlmittel 13 ist in der gezeigten herkömmlichen Bipolarplatte 113 maßgeblich durch die Struktur der auf den Zellseiten 11b ausgebildeten offenen Kanäle (Anoden- beziehungsweise Kathodenkanäle) bedingt.
• 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, wobei die gleichen Bezugszeichen für übereinstimmende Elemente verwendet werden. Der wesentliche Unterschied besteht in einem Kanalvolumen verringernden Material 14, welches in die Kanalböden der Kühlmittelseite 11a einer der Platten 11 angeordnet ist. In der in 3 gezeigten Ausgestaltung ist das Kanalvolumen verringernde Material 14 ausschließlich in den Kanalböden der Kanäle angeordnet. Das Kanalvolumen verringernde Material 14 kann sowohl auf der Kühlmittelseite 11a der Kathoden- als auch der Anodenplatte 11 angeordnet sein. Bei dem in 3 gezeigten Kanalvolumen verringernden Material 14 handelt es sich um ein nicht poröses, als Beschichtung aufgebrachtes Material, welches einen Teil von bevorzugt mindestens 10% des Kanalvolumens ausfüllt.
• Das Kanalvolumen verringernde Material 14 reduziert in Abhängigkeit von der Dicke, in der es auf die Kühlmittelseite 11a aufgetragen wird, den Querschnitt des Kanals 12 und somit das transportierte Kühlmittelvolumen. Je nach Wärmeleitwert des Kanalvolumen verringernden Materials 14 beeinflusst die Wahl der Platte, auf die das Kanalvolumen verringernde Material 14 selektiv aufgebracht wird, das Strömungsbild und damit das Kühlverhalten an den Platten.
• In alternativer Ausgestaltung kann das das Kanalvolumen verringernde Material 14, wie in 4 gezeigt, auf den Kühlmittelseiten 11a beider Platten 11 aufgebracht sein. Dadurch wird bei gleichzeitigem Einhalten der Symmetrie der Kanäle 12 eine weitere Reduzierung des Kanalquerschnitts und infolge dessen eine weitere Kühlmittelvolumenreduktion erreicht.
• Die in den 3 und 4 dargestellten Beschichtungen von Kanalvolumen verringerndem Material 14 sind durch Auftragen des Materials in flüssiger Form beispielsweise durch Spritzguss, Siebdruck oder Ähnliches herstellbar. Das Material wird dabei stets nur in einem definierten Bereich innerhalb der Kanalböden der betreffenden Kühlmittelseite 11a vor einem Zusammensetzen der Platten 11 aufgebracht. Die in 4 gezeigte Ausgestaltung kann alternativ auch in zwei Schritten nach dem Zusammensetzen der Platten 11 hergestellt werden. Die beiden Schritte umfassen dann ein Einbringen des Materials in die Kanäle in flüssiger Form und, nach Härten eines Teils des Materials, ein Entfernen des überschüssigen Materials, beispielsweise durch Ausgießen.
• 5 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 in einer weiteren Ausgestaltung. Hierbei ist das Kanalvolumen verringernde Material 14 ebenfalls als Beschichtung ausgeführt. und die Beschichtung wurde vor dem Zusammenbringen der Platten 11, zumindest innerhalb des aktiven Bereichs der Bipolarplatte 10, vollflächig auf die Kühlmittelseite 11a einer der Platten aufgebracht. Das heißt, zunächst sind sowohl die Bereiche der Kanäle 12, als auch die der Stege 16 mit Kanalvolumen verringerndem Material 14 beschichtet. Es kann dabei ein Material gewählt werden, welches während des Auftragens flüssig oder zumindest viskos ist. Noch vor einem Aushärten des Materials werden die Platten kühlmittelseitig aufeinandergepresst, sodass das Kanalvolumen verringernde Material 14 aus dem Bereich der Stege 16 herausgedrückt wird. Dadurch ist das Kanalvolumen verringernde Material 14, im Unterschied zu den in der 3 gezeigten Ausführungsform, nicht nur im Kanalboden einer der Platten, sondern auch in einem stegnahen Bereich der anderen Platte angeordnet. Je nach Eigenschaft des verwendeten Materials 14 wird in diesem Bereich zwischen den Platten 11 eine dichtende und/oder klebende Verbindung ausgebildet. Im Bereich der Stege 16 stehen die Platten 11 ebenso wie in weiteren gezeigten Ausführungsformen miteinander in Kontakt.
• Letzteres ist ebenfalls in einer weiteren, in 6 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung gewährleistet. Das Kanalvolumen verringernde Material 14 wird wie bei 5 erläutert in flüssigem oder zumindest viskosem Zustand auf die Kühlmittelseite 11a einer der Platten 11 aufgebracht. Im Unterschied zu 5 wird das Material jedoch vor dem Zusammensetzen der Platten 11 vor oder nach dem Aushärten des Materials im Bereich der Stege abgetragen. Ein geeignetes Verfahren zum Abtragen des Kanalvolumen verringernden Materials 14 ist zum Beispiel Rakeln. Das Material 14 kann in der fertiggestellten Bipolarplatte 10 neben der Kanalvolumen verringernden Funktion eine dichtende Funktion zeigen.
• Alternativ oder zusätzlich zu einer Auftragung als Beschichtung kann das Kanalvolumen verringernde Material 14 als poröses Material vorliegen. In 7 ist dazu eine mögliche Ausgestaltung gezeigt, in der das porös vorliegende, Kanalvolumen verringernde Material 14 im dargestellten Bereich den gesamten Kanal 12 auskleidet. Das Kühlmittelvolumen wird in dieser Ausgestaltungsform durch Anzahl und Größe der Poren 17 des Materials 14 definiert. Das Kanalvolumen verringernde Material 14 kann hierzu beispielsweise durch ein Einsprühen eines Schaums in die Kanäle 12 einer zusammengesetzten Bipolarplatte erfolgen. Alternativ kann poröses, Kanalvolumen verringerndes Material 14 in granularer Form in die Kanäle 12 eingebracht werden.
• Eine weitere Alternative zum Einbringen eines porösen, Kanalvolumen verringernden Materials 14 in die Kanäle 12 einer Bipolarplatte 10 bietet das in 8 skizzierte Verfahren. Des vorzugsweise poröse, Kanalvolumen verringernde Material 14 kann in zumindest viskoser Form auf die Kühlmittelseite 11a einer oder beider Platten 11 der Bipolarplatte 10 aufgebracht werden. Dabei werden die Kanäle 12 vollständig oder teilweise mit dem Material 14 gefüllt. Gleichzeitig werden die Stege zwischen den Kanälen nicht mit Kanalvolumen verringerndem Material 14 beschichtet. Anschließend werden die Platten 11 übereinandergesetzt und gegebenenfalls verpresst. In dieser Ausführungsform kann das Kanalvolumen verringernde Material 14 zum Zeitpunkt des Zusammensetzens der Platten 11 vorzugsweise vollständig ausgehärtet sein, da somit das Material 14 in dem durch das Aufbringen definierten Bereich verbleibt.
• In der in 8 gezeigten Ausgestaltung sind im Unterschied zu den anderen Darstellungen die Platten 11 der Bipolarplatte 10 nicht gleich ausgeführt. Insbesondere ist die Struktur auf der Zellseite 11b und der Kühlmittelseite 11a nicht symmetrisch. Eine der Platten zeigt kühlmittelseitig ein Profil, in dem die Stege 16 breiter sind als die Kanalböden, während die andere Platte 11 ein umgekehrtes Bild zeigt. Die infolge des Zusammensetzens derartiger Platten 11 entstehenden Kühlmittelkanäle 12 sind ebenfalls nicht symmetrisch. Somit kann es bei einem im Zuge der 8 beschriebenen Verfahren zum Anordnen des Kanalvolumen verringernden Materials 14 zu einem Kontakt zwischen Kanalvolumen verringerndem Material 14 und gegenüberliegender Platte 11 kommen, falls das Kanalvolumen verringernde Material 14 auf der Kühlmittelseite 11a derjenigen Platte 11 angeordnet wurde, der die größeren, insbesondere breiteren Kanalböden aufweist. In diesem Fall kann das Kanalvolumen verringernde Material 14 je nach Materialtyp zusätzlich zu einer Kühlmittel verdrängenden eine dichtende und/oder verklebende Funktion erfüllen.
• In allen beschrieben Ausführungsformen wird als Kanalvolumen verringerndes Material 14 vorzugsweise ein Material mit Wärmeleitwerten λ von mindestens 1 W/mk verwendet. Derartige Materialien sind insbesondere Ruß, Graphit-Komposit, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrit, Metallschaum und/oder wärmeleitfähige Polymere.
• Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
• Bezugszeichenliste

10

Bipolarplatte

11

Platte

11a

Kühlmittelseite

11b

Zellseite

12

Kühlmittelkanal

13

Kühlmittel

14

Kanalvolumen verringerndes Material

15

Reaktandengas

16

Steg

17

Poren

100

Brennstoffzelle

111

erste Endplatte

112

zweite Endplatte

113

Bipolarplatte (Stand der Technik)

114

Membran-Elektroden-Einheit

115

Dichtungselement

116

Spannelement

• 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 6974648 B2 [0005]
• US 7291414 B2 [0005]
• DE 112004001443 T5 [0006]

Claims (10)

1. Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (10) ein Paar von profilierten Platten (11) umfasst und jede Platte (11) eine Kühlmittelseite (11a) und eine Zellseite (11b) aufweist und die beiden Platten (11) derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten (11a) Kanäle (12) zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Platten (11) auf ihrer Kühlmittelseite (11a) ein Material (14) zur Verringerung eines Kanalvolumens der Kanäle (12) aufweist.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) einen Wärmeleitwert λ_B von mindestens 1 W/mK aufweist.
3. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) Ruß, Graphit-Komposit, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrit, Metallschaum und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer umfasst.
4. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) eine Beschichtung ist.
5. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) eine dichtende und/oder klebende Funktion hat.
6. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) ein poröses Material ist, das die Kanäle (12) teilweise oder vollständig ausfüllt.
7. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kanalvolumen verringernde Material (14) nur bereichsweise, über die Kühlmittelseite (11a) erstreckt.
8. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kanalvolumen verringernde Material (14) nur im Bereich der Kanalböden erstreckt.
9. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (11) ein metallisches Material umfassen.
10. Brennstoffzelle mit mindestens einer Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

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