DE102014206336A1 - Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle umfassend ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten (32, 34), wobei jede der zwei Platten (32, 34) im Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen (24) aufweist, wobei Vertiefungen der Ausnehmungen (24) beider Platten (32, 34) einen Kühlmittelströmungsbereich (36) bildend voneinander wegweisend angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen (24) ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung (X) vor einem Flussfeld (20) angeordneten Verteilerstruktur (18) der Bipolarplatte (10) ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender Kühlmittelströmungsbereich (36) vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte (10).The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell comprising a structure of two mutually connected plates (32, 34), wherein each of the two plates (32, 34) in cross section each having a periodic structure with recesses (24), wherein depressions the recesses (24) of both plates (32, 34) forming a coolant flow region (36) are facing away from each other. It is provided that the recesses (24) are formed exclusively in a distributor structure (18) of the bipolar plate (10) arranged in front of a flow field (20) in the main flow direction (X) and in that the recesses (24) of the two plates (32, 34 ) partially overlap so as to provide a longitudinal and transverse flow allowing coolant flow area (36). The invention further relates to a fuel cell with such a bipolar plate (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, a fuel cell and a motor vehicle.
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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 – 2H+ + 2e–). Über 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 des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2H+ + O2– → H2O). Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt u. a. aufgrund der gegenüber von Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane-electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode disposed on both sides of the membrane (anode and cathode). During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 - 2H + + 2e - ). Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen takes place with absorption of the electrons (½O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported through the membrane to form water (2H + + O 2- → H 2 O). The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency. The cathode reaction is, inter alia, due to the lower compared to hydrogen diffusion rate of oxygen, the rate-limiting element of the fuel cell reaction.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen und Kühlkanäle zur Abführung von Wärme aufweist. Bipolarplatten bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane-electrode arrangements whose electrical powers add up. Between two membrane electrode assemblies of a fuel cell stack, a respective bipolar plate is arranged, which has channels for supplying the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and cooling channels for dissipating heat. Bipolar plates are made of an electrically conductive material to make the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply of the membrane-electrode assemblies, the cooling and the electrical connection.
Bipolarplatten haben verschiedene Bereiche, die in einer Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Dies sind zunächst die Hauptkanäle oder Fluidports, über welche die Reaktanden und/oder das Kühlmittel zugeführt werden. Dann schließt sich ein Einströmbereich an, der zu einer Verteilstruktur überleitet. Die Verteilstruktur verteilt die Fluide, die dann einem Flussfeld zugeführt werden, wo die chemischen Reaktionen stattfinden.Bipolar plates have different regions arranged one behind the other in a main flow direction. These are first the main channels or fluid ports, via which the reactants and / or the coolant are supplied. This is followed by an inflow region, which leads to a distribution structure. The distribution structure distributes the fluids, which are then fed to a flow field where the chemical reactions take place.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Druckverlust einer Bipolarplatte zu verringern.The invention is based on the object to reduce the pressure loss of a bipolar plate.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1, Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 beziehungsweise ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a bipolar plate according to claim 1, a fuel cell according to claim 8 or a motor vehicle according to
Die erfindungsgemäße, für den Einsatz in Brennstoffzellen ausgelegte Bipolarplatte umfasst ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten. Dabei weist jede der zwei Platten im Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen auf, wobei Vertiefungen der Ausnehmungen beider Platten einen Kühlmittelströmungsbereich bildend voneinander wegweisend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung vor und/oder nach einem Flussfeld angeordneten Verteilerstruktur der Bipolarplatte ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen der beiden Platten sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender Kühlmittelströmungsbereich vorgesehen ist. Die Verteilerstruktur, die stromabwärts des Flussfeldes auch als Sammler bezeichnet werden kann, ist vorzugsweise direkt an oder neben dem Flussfeld angeordnet.The bipolar plate according to the invention, designed for use in fuel cells, comprises a structure of two plates arranged with one another. In this case, each of the two plates has a periodic structure with recesses in cross-section, recesses of the recesses of both plates forming a coolant flow area forming away from one another, characterized in that the recesses exclusively in a arranged in the main flow direction before and / or after a flow field distribution structure the bipolar plate are formed and that the recesses of the two plates partially overlap, so that a longitudinal and transverse flow permitting coolant flow area is provided. The distributor structure, which may also be referred to as a collector downstream of the flow field, is preferably arranged directly on or next to the flow field.
Im Verteilbereich beziehungsweise in der Verteilerstruktur wird der Druckverlust durch die Verbesserung der hydraulischen Durchmesser der Strömungsquerschnitte deutlich reduziert. Das Längen- und Breitenverhältnis der ausgebildeten Kanalquerschnitte kann nun zum idealen Verhältnis von 1:1 tendieren. Die Gleichverteilung im Flussfeld wird signifikant verbessert, da nun das Flussfeld und nicht der Verteilbereich den größten Anteil am Druckverlust verursacht. Die Erfindung gewährleistet zudem eine Abstützung bzw. Einspannung der Membran-Elektroden-Anordnung mit der Bipolarplatte auch im Verteilbereich.In the distribution area or in the distribution structure, the pressure loss by improving the hydraulic diameter of the Flow cross sections significantly reduced. The length and width ratio of the formed channel cross sections can now tend to the ideal ratio of 1: 1. The uniform distribution in the flow field is significantly improved, since now the flow field and not the distribution area causes the largest part of the pressure loss. The invention also ensures a support or clamping of the membrane-electrode assembly with the bipolar plate in the distribution area.
Erfindungsgemäß werden somit Platten für den Aufbau der Bipolarplatte verwendet, die keine kanalartigen, durchgehenden Vertiefungen wie im Stand der Technik aufweisen, sondern sich teilweise überschneidende, periodische Strukturen mit Ausnehmungen. Dabei wird unter dem Begriff Ausnehmung eine Auswölbung oder Verprägung einer ansonsten ebenen Platte verstanden, die eine durchgehende umlaufende Kontur bezüglich des ebenen Untergrunds der Platte aufweist. Die Ausnehmungen erlauben neben der längs gerichteten Hauptströmung auch eine quer oder senkrecht dazu verlaufende Quer- oder Nebenströmung, was die Strömungseigenschaften weiter verbessert. Durch die Quer- und Längsströmung entsteht ein verbundenes Strömungsvolumen, wobei die Ausnehmungen oder Verprägungen den Druckverlust steuern beziehungsweise einstellen.According to the invention plates are thus used for the construction of the bipolar plate, which have no channel-like, continuous recesses as in the prior art, but partially overlapping, periodic structures with recesses. The term recess is understood to mean a bulge or embossing of an otherwise flat plate which has a continuous circumferential contour with respect to the flat background of the plate. The recesses allow in addition to the longitudinal main flow and a transverse or perpendicular thereto extending transverse or secondary flow, which further improves the flow characteristics. By the transverse and longitudinal flow creates a connected flow volume, wherein the recesses or stampings control or adjust the pressure loss.
Die Ausnehmungen sind vorzugsweise verrundete Kreuz- oder Rautenstrukturen. Verrundete oder abgerundete Kreuz- oder Rautenstrukturen eignen sich besonders zur Erzeugung der aufeinander abgestimmten Längs- und Querströmung des Kühlmittels. Der Druckverlust des Kühlmittels und der Reaktanden in Längs- und Querrichtung kann durch die Länge, Breite sowie die Überschneidung der Ausnehmungen beziehungsweise Verprägungen beeinflusst werden. Der Austrag von Wasser, kritisch für einen Froststart, wird durch die verrundeten Strukturen begünstigt. Je stärker die Strukturen beziehungsweise Ausnehmungen verrundet oder ausgerundet sind, desto größere Kanalquerschnitte werden gebildet. Die Verrundung besteht darin, spitze Ecken zu verrunden und/oder gerade Seitenbereiche der Strukturen konkav, also nach Innen in die Struktur hinein, auszubilden. Auch eine ovale Form oder Ellipse ist geeignet, wobei eine ovale beziehungsweise runde Form eine maximal verrundete Struktur oder Kontur darstellt. Schließlich können derartige Formen zu einer Ausnehmung oder Struktur kombiniert werden. Dies kann zum Beispiel durch zwei rechtwinklig angeordnete und sich durchdringende Ellipsenformen realisiert sein.The recesses are preferably rounded cross or rhombic structures. Rounded or rounded cross or rhombic structures are particularly suitable for generating the coordinated longitudinal and transverse flow of the coolant. The pressure loss of the coolant and the reactants in the longitudinal and transverse directions can be influenced by the length, width and the intersection of the recesses or stampings. The discharge of water, critical for a frost start, is favored by the rounded structures. The more strongly the structures or recesses are rounded or rounded, the larger channel cross sections are formed. The rounding consists of rounding sharp corners and / or forming straight side regions of the structures concave, that is, inwards into the structure. Also, an oval shape or ellipse is suitable, wherein an oval or round shape represents a maximum rounded structure or contour. Finally, such shapes can be combined into a recess or structure. This can be realized for example by two orthogonal and penetrating ellipse shapes.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen der beiden Platten sich in Randbereichen und/oder in Eckbereichen der Ausnehmungen überschneiden. Dazu können die Ausnehmungen auf beiden Platten identisch ausgeführt sein. Die Ausnehmungen der beiden Platten können um eine halbe Ausnehmung, zum Beispiel eine halbe Breite oder Länge, versetzt angeordnet sein. Ein geringerer Versatz ist ebenso möglich, der dann unsymmetrisch ist.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the recesses of the two plates overlap in edge regions and / or in corner regions of the recesses. For this purpose, the recesses can be made identical on both plates. The recesses of the two plates can be arranged offset by half a recess, for example, a half width or length. A smaller offset is also possible, which is then unbalanced.
Die Ausnehmungen können eine Höhe zwischen der Hälfte der Höhe und der gesamten Höhe des Gefüges aufweisen. Dies optimiert den Strömungsverlauf und minimiert den Druckverlust, da die Höhe des Kanals maximiert ist. Bei dieser Betrachtung können die Wandstärken oder Dicken der Bleche der Platten beziehungsweise der Platten unberücksichtigt sein. Anders ausgedrückt kann eine Ausnehmung die Hälfte der Höhe oder die vollständige Höhe des gesamten Strömungsvolumens haben. Die vollständige Höhe wird im Bereich sich überschneidender Ausnehmungen erzielt, während die Hälfte der Höhe im Bereich einzelner Ausnehmungen vorliegt.The recesses may have a height between half the height and the total height of the structure. This optimizes flow and minimizes pressure loss as the height of the channel is maximized. In this consideration, the wall thicknesses or thicknesses of the plates of the plates or the plates can be disregarded. In other words, a recess may have half the height or the full height of the total flow volume. The full height is achieved in the area of overlapping recesses, while half of the height is in the area of individual recesses.
Für die Herstellung der Platten ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Ausnehmungen in die Platten geprägt sind. Alternativ kann auch ein Tiefziehverfahren verwendet werden. Das Verfügen der beiden Platten zu einer Bipolarplatte erfolgt vorzugsweise durch Verschweißung der beiden Platten. Vorzugsweise erfolgt dies in Form durchgehender Schweißnähte, wodurch eine Abdichtung der durch die Ausnehmungen ausgebildeten Kühlmittelkanäle erhalten wird. Ein besonders geeignetes Schweißverfahren stellt das Laserschweißen dar.For the production of the plates is advantageously provided that the recesses are embossed in the plates. Alternatively, a deep drawing process can also be used. The provision of the two plates to a bipolar plate is preferably carried out by welding the two plates. This is preferably done in the form of continuous welds, whereby a seal of the coolant channels formed by the recesses is obtained. A particularly suitable welding process is the laser welding.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen sich entlang der Hauptströmungsrichtung und entlang einer Querströmungsrichtung teilweise überschneiden. Die Überschneidung in zwei vorzugsweise zueinander senkrechten Richtungen optimiert gleichzeitig die Längs- und Querströmung.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the recesses partially overlap along the main flow direction and along a transverse flow direction. The intersection in two preferably mutually perpendicular directions simultaneously optimizes the longitudinal and transverse flow.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von zuvor beschriebenen Bipolarplatten und einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen, wobei die Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Anordnungen abwechselnd aufeinander gestapelt sind. Es gelten die zuvor beschriebenen Vorteile und Modifikationen.The invention further relates to a fuel cell comprising a stack of a plurality of previously described bipolar plates and a plurality of membrane-electrode assemblies, wherein the bipolar plates and the membrane-electrode assemblies are alternately stacked on each other. The advantages and modifications described above apply.
In dieser Anordnung liegen die Membranelektrodeneinheiten auf den Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen fungieren somit – neben ihrer Funktion zur Kühlmittelkanalbildung – als Abstandshalter zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Bipolarplatte, wodurch Räume für die Betriebsmittelversorgung in Form von Betriebsmittelflussfeldern ausgebildet werden.In this arrangement, the membrane electrode units rest on the recesses. The recesses thus act - in addition to their function for coolant channel formation - as spacers between the membrane-electrode assembly and the bipolar plate, whereby spaces for the resource supply are designed in the form of Betriebsmittelflussfeldern.
In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Durchleitung des Anoden- und/oder des Kathodenbetriebsmittelstroms parallel zu dem Kühlmittelfluss innerhalb der durch die Ausnehmungen ausgebildeten Kanäle. Anders ausgedrückt verlaufen die Hauptströmungsrichtungen oder die Längsströmungen parallel oder im Wesentlichen parallel. Dieses kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom erfolgen. Vorzugsweise werden sämtliche der drei Ströme, Anoden- und Kathodenbetriebsmittelströme sowie der Kühlmittelstrom parallel im Gleichstrom geleitet. In a preferred embodiment, the passage of the anode and / or the Kathodenbetriebsmittelstoms parallel to the flow of coolant within the channels formed by the recesses. In other words, the main flow directions or the longitudinal flows are parallel or substantially parallel. This can be done in cocurrent or countercurrent. Preferably, all of the three streams, anode and cathode resource streams, and the coolant stream are conducted in parallel cocurrent.
Die Brennstoffzelle kann für mobile oder stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere dient sie der Stromversorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Fahrzeugs. Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Fahrzeug, das eine zuvor beschriebene Brennstoffzelle aufweist. Es gelten die zuvor beschriebenen Vorteile und Modifikationen.The fuel cell can be used for mobile or stationary applications. In particular, it serves to supply power to an electric motor for driving a vehicle. Thus, another aspect of the invention relates to a vehicle having a fuel cell as described above. The advantages and modifications described above apply.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Wie in
In
Wie in
Das Gefüge der ersten Platte
Auch die Strömungsvolumen oder -kanäle für die Reaktanden haben eine Höhe, welche der Hälfte der Gesamthöhe H entspricht. Diese Strömungsbereiche sind an den Außenseiten der beiden Platten
In
In den
In
Jede Membran-Elektroden-Anordnung kann eine Polymerelektrolytmembran umfassen, die sandwichartig zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode geschichtet ist. Die Polymerelektrolytmembran kann ein an sich leitfähiges Polymer sein, beispielsweise das unter der Handelsbezeichnung Nafion bekannte Polymer, oder ein Polymer, das durch Dotierung mit einem Elektrolyten seine Protonenleitfähigkeit erhält. Ein Beispiel für die letztgenannte Ausführung stellt mit Phosphorsäure dotiertes Polybenzimidazol (PBI) dar. Die Elektroden umfassen üblicherweise ein auf Partikeln geträgertes katalytisch aktives Edelmetall. Außen an die Elektroden schließt jeweils eine Diffusionsschicht an, welche ein poröses, gasdurchlässiges und elektrisch leitfähiges Medium ist. Die katalytischen Schichten der Elektroden können entweder direkt auf die Polymerelektrolytmembran aufgebracht sein oder auf die Gasdiffusionsschicht.Each membrane-electrode assembly may comprise a polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, namely an anode and a cathode. The polymer electrolyte membrane may be a per se conductive polymer, for example the polymer known under the trade name Nafion, or a polymer which obtains its proton conductivity by doping with an electrolyte. An example of the latter embodiment is phosphoric acid doped polybenzimidazole (PBI). The electrodes typically comprise a particulate supported catalytically active noble metal. Externally to the electrodes each includes a diffusion layer, which is a porous, gas-permeable and electrically conductive medium. The catalytic layers of the electrodes may either be applied directly to the polymer electrolyte membrane or to the gas diffusion layer.
Die Platte
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Bipolarplattebipolar
- 1212
- AnodenhauptgaskanalAnode main gas passage
- 1414
- KathodenhauptgaskanalCathode main gas passage
- 1616
- KühlmittelhauptgaskanalCoolant main gas passage
- 1818
- Verteilerstrukturdistribution structure
- 2020
- Flussfeldflow field
- 2222
- Einströmbereichinflow
- 2424
- Ausnehmungrecess
- 24a24a
- Ausnehmung erste PlatteRecess first plate
- 24b24b
- Ausnehmung zweite PlatteRecess second plate
- 2626
- periodische Strukturperiodic structure
- 2828
- Überschneidungsbereichoverlapping area
- 3030
- Stützbereichsupport area
- 3232
- erste Plattefirst plate
- 3434
- zweite Plattesecond plate
- 3636
- KühlmittelströmungsbereichCoolant flow area
- 3838
- KühlmittelverlaufCoolant course
- hH
- Höhe AusnehmungHeight recess
- HH
- Gesamthöhetotal height
- XX
- HauptströmungsrichtungMain flow direction
- YY
- QuerströmungsrichtungCross-flow direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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