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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, eine Brennstoffzelle, einen Stapel Brennstoffzellen und eine Vorrichtung zur Ausrichtung von Bipolarplatten zur Bildung eines Stapels für eine Brennstoffzelle.
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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 (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel metallische Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. 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 über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (z. B. Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2 - unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die 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.
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Zur Gewährleistung der korrekten Funktion einer Brennstoffzelle sind Paare von durch eine Membranelektrodeneinheit voneinander getrennten Bipolarplatten so zueinander anzuordnen, dass sich die Flussfelder exakt gegenüberliegen. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Bipolarplatten und die Membranelektrodeneinheit eine selbe rechteckige Form aufweisen.
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Mit Hilfe einer Vorrichtung, die eine Stapelfläche und sich senkrecht zur Stapelfläche erstreckende Ausrichtungsbarren umfasst, lässt sich dann ein Stapel für eine Brennstoffzelle bilden. Dazu werden identisch rechteckig geformte Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten an die Ausrichtungsbarren anstoßend auf der Stapelfläche übereinander gestapelt.
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In
US 2009/0117442A1 ist ein Verfahren zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels beschrieben.
US 2009/0188099A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Vorbereitung einer Bipolarplatteneinheit für einen Brennstoffzellenstapel.
US 2011/0129754A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl elektrochemisch aktiver Brennstoffzellenkassetten, die jeweils mindestens einen Ausrichtungsstreifen zur Aufnahme eines Stabs zur Sicherstellung der Ausrichtung des Stapels umfassen.
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Im Zuge der Verkleinerung und Gewichtsreduzierung werden zunehmend dünnere und flexiblere metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen verwendet. Dies führt zu einer Verschlechterung des Verhältnisses von thermischer Leitfähigkeit zu elektrischer Leitfähigkeit. Elektrische Kurzschlüsse zwischen im Stapel zueinander benachbarten Bipolarplatten haben dadurch stärker schädigende Auswirkungen.
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Sind Elemente zur Ausrichtung an den Bipolarplatten vorhanden, so sind diese besonders anfällig für elektrische Kurzschlüsse, da hier die kleinsten Kriechstrom- und Freiraumdistanzen bestehen.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, die Gefahr von Kurzschlüssen zu verringern. Dazu wird erfindungsgemäß eine Bipolarplatte nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Weiterhin werden eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5 beziehungsweise gemäß Anspruch 9 und ein Stapel gemäß Anspruch 6 beziehungsweise gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen. Schließlich wird noch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 vorgeschlagen.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist aus Metall und umfasst ein Flussfeld sowie paarweise gleichförmige und gleich große Öffnungen. Das Flussfeld ist symmetrisch bezüglich Rotation der Bipolarplatte um 180° um eine Flächennormale der Bipolarplatte. Bei der Rotation werden zudem die paarweise gleichförmigen und gleich großen Öffnungen in ihrer Position vertauscht. An einer ersten Kante der Bipolarplatte ist zumindest ein erstes Ausrichtungselement und zumindest an einer dazu parallelen zweiten Kante der Bipolarplatte ist ein zweites Ausrichtungselement angeordnet. Die Bipolarplatte ist, abgesehen von den Ausrichtungselementen, rechteckig, Die Bipolarplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Positionierung einer identischen weiteren Bipolarplatte, die gegenüber der Bipolarplatte um 180° um die Flächennormale gedreht ist, auf der Bipolarplatte Ausrichtungselemente der identischen Bipolarplatte nicht über den Ausrichtungselementen angeordnet sind.
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Dies hat den Vorteil, dass durch abwechselndes Stapeln von zueinander um 180° gedrehten Bipolarplatten, wobei 360° dem Vollkreis entspricht, eine Brennstoffzelle gebildet werden kann, bei der die Kriechstrom- und Freiraumdistanzen zwischen den Ausrichtungselementen vergrößert und damit das Kurzschlussrisiko verringert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform hat das erste Ausrichtungselement eine erste Breite und einen ersten Abstand zu einer nächstliegenden ersten Ecke. Das zweite Ausrichtungselement kann dann eine zweite Breite und einen zweiten Abstand zu einer nächstliegenden zweiten Ecke haben, die mit der ersten Ecke über eine zur ersten Kante senkrechten, dritten Kante verbunden ist. Eine Summe der ersten Breite, der zweiten Breite, des ersten Abstands und des zweiten Abstands kann dann kleiner als eine Länge der ersten Kante sein.
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Die erste Breite kann gleich der zweiten Breite sein und der erste Abstand kann gleich dem zweiten Abstand sein.
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An der dritten Kante der Bipolarplatte kann ein drittes und ein viertes Ausrichtungselement und an einer dazu parallelen vierten Kante der Bipolarplatte ein fünftes und ein sechstes Ausrichtungselement angeordnet sein. Das dritte Ausrichtungselement kann näher an der ersten Ecke und das vierte Ausrichtungselement kann näher an der zweiten Ecke angeordnet sein. Das dritte Ausrichtungselement kann eine dritte Breite und einen dritten Abstand zur ersten Ecke haben. Das vierte Ausrichtungselement kann die dritte Breite und einen vierten Abstand zur zweiten Ecke haben. Das fünfte Ausrichtungselement kann die dritte Breite und den dritten Abstand zu einer dritten Ecke haben, die mit der ersten Ecke über die erste Kante verbunden ist. Das sechste Ausrichtungselement kann die dritte Breite und den vierten Abstand zu einer vierten Ecke haben, die mit der zweiten Ecke über die zweite Kante verbunden ist. Dabei kann der vierte Abstand größer als eine weitere Summe der dritten Breite und des dritten Abstand sein.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst zwei erfindungsgemäße Bipolarplatten, wobei zwischen den Bipolarplatten zumindest eine Membranelektrodeneinheit angeordnet ist. Die Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten zueinander um 180° um die Flächennormale rotiert sind, sodass die Ausrichtungselemente der Bipolarplatten nicht übereinander angeordnet sind.
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Es ist auch möglich, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zwei Bipolarplatten umfasst, zwischen denen zumindest eine Membranelektrodeneinheit angeordnet ist, wobei beide Bipolarplatten aus Metall sind und je ein Flussfeld sowie gleichförmige und gleich große Öffnungen umfassen. Dabei ist an einer ersten Kante jeder der Bipolarplatten zumindest ein erstes Ausrichtungselement angeordnet, wobei die Bipolarplatten, abgesehen von den ersten Ausrichtungselementen, gleichförmig und gleich groß sind. Diese erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtungselemente der Bipolarplatten nicht übereinander angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Brennstoffzelle hat jedes der ersten Ausrichtungselemente einen individuellen ersten Abstand zu einer ersten Ecke. Dasjenige Ausrichtungselement, das mit einem kleineren Abstand zur ersten Ecke angeordnet ist, kann dann eine Breite aufweisen, die kleiner ist als eine Differenz zwischen dem kleineren und einem größeren Abstand.
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In einem erfindungsgemäßen Stapel aus Brennstoffzellen können bei Bipolarplatten, die im Stapel benachbart sind, zumindest die ersten Ausrichtungselemente der Bipolarplatten nicht übereinander angeordnet sein.
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Im erfindungsgemäßen Stapel aus Brennstoffzellen ist zwischen im Stapel benachbarten Brennstoffzellen jeweils zumindest eine weitere Membranelektrodeneinheit angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausrichtung von Bipolarplatten in einem Stapel zur Bildung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle unter Verwendung erfindungsgemäßer Bipolarplatten geeignet. Die Vorrichtung umfasst eine Stapelfläche und sich in der Stapelrichtung erstreckende Ausrichtungsbarren. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtungsbarren in einer zur Stapelrichtung parallelen und der Stapelfläche zugewandten Seitenfläche eine sich entlang der Stapelrichtung erstreckende Vertiefung aufweisen. Dabei ist eine Differenz der Summe zur Länge der ersten Kante gleich einer Differenz der weiteren Summe zum vierten Abstand. Eine Vertiefungsbreite der Vertiefungen ist gleich der Differenz.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 in Aufsicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 ein Detail der 1 aus einer anderen Perspektive,
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Stapels erfindungsgemäßer Bipolarplatten in dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- 4 ein Detail der 3.
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1 zeigt in Aufsicht eine metallische Bipolarplatte 200 auf einer Stapelfläche eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Die Bipolarplatte 200 ist im Wesentlichen rechteckig. Die Bipolarplatte 200 umfasst ein rechteckiges Flussfeld 400. Das Flussfeld 400 ist mittig der Bipolarplatte 200 angeordnet und bezüglich Rotationen um 180° um eine Flächennormale der Bipolarplatte 200 symmetrisch. Zwischen einer ersten Kante 210 der Bipolarplatte 200 und dem Flussfeld 400 sind Öffnungen 201, 202, 203 angeordnet. Zwischen einer zur ersten Kante parallelen zweiten Kante 220 der Bipolarplatte 200 und dem Flussfeld sind weitere Öffnungen 201', 202', 203' angeordnet. Die erste und die zweite Kante 210, 220 sind kürzere Kanten der Bipolarplatte. Die weiteren Öffnungen 201', 202', 203' sind zu einer der Öffnungen 201, 202, 203 in Form und Größe gleich. Die weiteren Öffnungen 201', 202', 203' sind so angeordnet, dass bei Rotation um 180° um die Flächennormale form- und größengleiche Öffnungen die Position vertauschen. Senkrecht zur ersten und zweiten Kante 210, 220 verlaufen eine dritte und eine vierte Kante 230, 240, die länger als die erste und die zweite Kante 210, 220 sind. Abgesehen von Ausrichtungselementen 211, 222, 233, 234, 245, 246, die an den Kanten 210, 220, 230, 240 beispielhaft als Vorsprünge bzw. Anhängsel ausgebildet sind, ist die Bipolarplatte 200 bezüglich Rotationen um 180° um die Flächennormale symmetrisch.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Ausrichtungselemente 211, 222, 233, 234, 245, 246 alle gleich breit und springen gleich weit vor. An der ersten und der zweiten Kante 210, 220 ist je ein Ausrichtungselement 211, 222 angeordnet. An der dritten und der vierten Kante 230, 240 sind je zwei Ausrichtungselemente 233, 234 und 245, 246 angeordnet.
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Zu einer ersten Ecke 21 der Bipolarplatte 200 hat das erste Ausrichtungselement 211, das an der ersten Kante 210 angeordnet ist, einen ersten Abstand. Zu einer zweiten Ecke 22 der Bipolarplatte 200 hat das zweite Ausrichtungselement 222, das an der zweiten Kante 220 angeordnet ist, einen zweiten Abstand, der im Ausführungsbeispiel gleich dem ersten Abstand ist. Dabei ist die erste Ecke 21 mit der zweiten Ecke 22 über die dritte Kante 230 verbunden.
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Zu einer dritten Ecke 23 der Bipolarplatte 200 hat das erste Ausrichtungselement 211 einen weiteren Abstand, der sich als Differenz einer Länge der ersten Kante 210 und einer Summe aus der Breite des ersten Ausrichtungselements 211 und dem ersten Abstand ergibt. Zu einer vierten Ecke 24 der Bipolarplatte 200 hat das zweite Ausrichtungselement 222 den weiteren Abstand. Dabei sind die dritte Ecke 23 und die vierte Ecke 24 über die vierte Kante 240 miteinander verbunden.
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Der erste Abstand und die Breite der Ausrichtungselemente 211, 222 sind dabei so gewählt, dass die Summe aus der Breite und dem ersten Abstand um eine erste Differenz geringer als die halbe Länge der ersten Kante ist.
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Zur ersten Ecke 21 der Bipolarplatte 200 hat das dritte Ausrichtungselement 233, das an der dritten Kante 230 näher an der ersten Ecke 21 angeordnet ist, einen dritten Abstand. Zur zweiten Ecke 22 der Bipolarplatte 200 hat das vierte Ausrichtungselement 234, das an der dritten Kante 230 näher an der zweiten Ecke 22 angeordnet ist, einen vierten Abstand, der größer als der dritte Abstand ist.
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Zur dritten Ecke 23 der Bipolarplatte 200 hat das fünfte Ausrichtungselement 245, das an der vierten Kante 240 näher an der dritten Ecke 23 angeordnet ist, den dritten Abstand. Zur vierten Ecke 24 der Bipolarplatte 200 hat das sechste Ausrichtungselement 246, das an der vierten Kante 240 näher an der vierten Ecke 24 angeordnet ist, den vierten Abstand.
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Der dritte Abstand und der vierte Abstand sind dabei so gewählt, dass die Summe aus der Breite und dem dritten Abstand um eine zweite Differenz geringer als der vierte Abstand ist. Weiterhin ist die Summe aus der zweifachen Breite, dem dritten und vierten Abstand geringer als die Länge der dritten Kante.
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Wird nun eine identische Bipolarplatte um 180° um die Flächennormale gedreht und auf die Bipolarplatte 200 gestapelt, so liegt das Ausrichtungselement an der ersten Kante der identischen Bipolarplatte nicht über dem Ausrichtungselement 222 an der zweiten Kante 220 der Bipolarplatte 200. Weiterhin liegt das Ausrichtungselement an der zweiten Kante der identischen Bipolarplatte nicht über dem Ausrichtungselement 211 an der ersten Kante 210 der Bipolarplatte 200. Ebenso liegen die Ausrichtungselemente an der dritten Kante der identischen Bipolarplatte nicht über den Ausrichtungselementen 245, 246 an der vierten Kante 240 der Bipolarplatte 200. Schließlich liegen auch nicht die Ausrichtungselemente an der vierten Kante der identischen Bipolarplatte über den Ausrichtungselementen 233, 234 an der dritten Kante 230 der Bipolarplatte 200.
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Die Kriechstrom- und Freiraumdistanz zwischen den Bipolarplatten sind vergrößert und das Kurzschlussrisiko verringert.
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Zur Ausrichtung der Bipolarplatte 200 und der identischen Bipolarplatte senkrecht zu den kürzeren Kanten weist die Vorrichtung 300 Ausrichtungsbarren 310, 320, 330 auf. Eine Seitenfläche der Ausrichtungsbarren 310, 320, 330, die der Stapelfläche zugewandt ist, weist je zwei Teilflächen auf, die durch eine senkrecht zur Stapelfläche verlaufende Vertiefung voneinander getrennt sind. Der Ausrichtungsbarren 310 hat dabei eine Vertiefung, deren Vertiefungsbreite der ersten Differenz entspricht. Die Ausrichtungsbarren 320, 330 haben je eine Vertiefung, deren Vertiefungsbreite der zweiten Differenz entspricht. Die Ausrichtungsbarren 310, 320, 330 sind bezüglich der Stapelfläche so angeordnet, dass sich die Bipolarplatte 200 an jeweils einer der Teilflächen der Ausrichtungsbarren 310, 320, 330 ausrichten lässt und sich die identische, aber um 180° gedrehte Bipolarplatte an der jeweils anderen der Teilflächen der Ausrichtungsbarren 310, 320, 330 ausrichten lässt.
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Durch abwechselndes Stapeln von Bipolarplatten mit um 180° gedrehten Bipolarplatten lässt sich so eine Brennstoffzelle bilden, bei der die Kriechstrom- und Freiraumdistanz zwischen Bipolarplatten mit übereinander angeordneten Ausrichtungselementen verdoppelt und somit das Kurzschlussrisiko verringert sind. Dabei ist zwischen den Bipolarplatten jeweils eine rechteckige Membranelektrodeneinheit angeordnet. Weiterhin kann jeweils zwischen Membranelektrodeneinheit (MEA) und Bipolarplatte ein Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
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Dies ist beispielhaft in den 3 und 4 gezeigt. Im dargestellten Beispiel sind insgesamt vier Bipolarplatten übereinander gestapelt. Dabei ist jede zweite Bipolarplatte um 180° um die Flächennormale gedreht.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Ausrichtungselemente Vorsprünge. Ebenso gut könnten Ausschnitte in der Bipolarplatte zur Verringerung des Kurzschlussrisikos dienen. Die Ausschnitte gegeneinander gedrehter Bipolarplatten überlappen dann in dem Bereich der Vertiefung der Ausrichtungsbarren, und die Bipolarplatten werden mittels nicht ausgeschnittener Bereiche der Kanten an den Teilflächen der Ausrichtungsbarren ausgerichtet. Die zur Ausrichtung verwendeten nicht ausgeschnittenen Bereiche grenzen dabei an die Ausschnitte, deren Breite mindestens der Summe einer Breite der jeweils anderen Teilfläche und der Breite der Vertiefung entspricht, sodass jede ausgerichtete Bipolarplatte nur an genau eine Teilfläche jedes Ausrichtungsbarrens stößt bzw. grenzt.
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Im Falle von Ausschnitten in den Bipolarplatten haben die MEA die gleiche Größe wie die Bipolarplatten, sie weisen jedoch keine Ausschnitte auf. Im Falle von Vorsprüngen an den Bipolarplatten haben die MEA die eine größere Größe als die Bipolarplatten. Ihre Breite und ihre Länge sind dann um die Höhen, um die die Vorsprünge von der Bipolarplatte vorspringen, größer als die Bipolarplatte, abgesehen von den Vorsprüngen. Springen alle Vorsprünge gleich weit vor, so ist die MEA also um die zweifache Vorsprungshöhe breiter und um die zweifache Vorsprungshöhe länger als die Bipolarplatte, abgesehen von den Vorsprüngen.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle umfasst dies zwei Bipolarplatten, zwischen denen zumindest eine Membranelektrodeneinheit angeordnet ist. Beide Bipolarplatten sind aus Metall und umfassen je ein Flussfeld sowie gleichförmige und gleich große Öffnungen. Dabei ist an einer ersten Kante jeder der Bipolarplatten zumindest ein erstes Ausrichtungselement angeordnet. Die Bipolarplatten des Ausführungsbeispiels sind, abgesehen von den ersten Ausrichtungselementen, gleichförmig und gleich groß. Die Ausrichtungselemente der Bipolarplatten des Ausführungsbeispiels sind nicht übereinander angeordnet.
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Dieses Ausführungsbeispiel kann so weitergebildet werden, dass jedes der ersten Ausrichtungselemente einen individuellen ersten Abstand zu einer ersten Ecke hat und dasjenige Ausrichtungselement, das mit einem kleineren Abstand zur ersten Ecke angeordnet ist, eine Breite aufweist, die kleiner ist als eine Differenz, um zwischen dem kleineren und einem größeren Abstand.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stapels aus Brennstoffzellen gemäß den nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können bei Bipolarplatten, die im Stapel benachbart sind, die ersten Ausrichtungselemente der Bipolarplatten nicht übereinander angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 200
- Bipolarplatte
- 201, 201', 202, 202',203, 203'
- Öffnungen
- 300
- Vorrichtung zur Ausrichtung
- 400
- Flussfeld
- 210, 220, 230, 240
- Kanten
- 21, 22, 23, 24
- Ecken
- 211
- erstes Ausrichtungselement
- 222
- zweites Ausrichtungselement
- 233
- drittes Ausrichtungselement
- 234
- viertes Ausrichtungselement
- 245
- fünftes Ausrichtungselement
- 246
- sechstes Ausrichtungselement
- 310, 320, 330
- Ausrichtungsbarren
