DE102015122264A1

DE102015122264A1 - Bipolarplatte für Brennstoffzellen mit optimiertem Design, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102015122264A1
Application number: DE102015122264.7A
Authority: DE
Inventors: Brian Dickson; Andrew Desouza
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Eine Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle umfasst eine erste Halbplatte (50), die eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen (52) und ersten Gräben (54) auf einer Kühlmittelseite (72) aufweist. Die Bipolarplatte (15) umfasst ferner eine zweite Halbplatte (60), die ebenfalls eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen (62) und zweiten Gräben (64) auf einer Kühlmittelseite (72) aufweist. Dabei ist die Kühlmittelseite (72) der ersten Halbplatte (50) und die Kühlmittelseite (72) der zweiten Halbplatte (60) so miteinander über die ersten Anlegeflächen (52) und zweiten Anlegeflächen (62) auf Kontakt verbunden, dass gegenüberliegende erste Gräben (54) und zweite Gräben (64) geschlossene Kühlkanäle (70) für den Durchfluss von Kühlmittel ausbilden. Ferner sind erste Breiten (56) der ersten Anlegeflächen (52) größer als zweite Grabenbreiten (65) der zweiten Gräben (64) und zweite Breiten (66) der zweiten Anlegeflächen (62) sind größer als erste Grabenbreiten (55) der ersten Gräben. Erfindungsgemäß sind erste Breiten (56) der ersten Anlegeflächen (52) kleiner als zweite Breiten (66) der zweiten Anlegeflächen (62). Ferner ist ein Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten (15) beansprucht und ferner ein Fahrzeug mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist.
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 Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen 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 (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Eine Herausforderung ist es, die Gesamthöhe der Bipolarplatte zu minimieren ohne dabei die Stabilität der Bipolarplatte zu verringern. Typische Gesamthöhen für Bipolarplatten liegen dabei im unteren Millimeterbereich. Zu einer weiteren Reduzierung ist dabei ein geeignetes, optimiertes Design der Bipolarplatte notwendig. Bipolarplatten umfassen Grabenstrukturen an den Außenseiten der Platten zum Transport der Betriebsmedien sowie innere Kühlkanalsysteme zur Kühlung, die durch Kühlmittel wie beispielsweise Wasser durchströmt werden und dabei thermische Energie aufnehmen. Aufgebaut sind die Bipolarplatten typischerweise aus zwei gleichartig an der Kühlmittelseite zusammengesetzten Halbplatten, die an der Kühlmittelseite abwechselnd Anlegeflächen sowie Gräben aufweisen. Die Anlegeflächen dienen der Kontaktierung der beiden Platten. Die Gräben bilden den Kühlkanal, sobald die beiden Halbplatten miteinander derart verbunden sind, dass sich Anlegeflächen und Gräben der beiden Halbplatten entsprechend gegenüberstehen, wobei die gegenüberliegenden Anlegeflächen in Kontakt stehen.
Probleme des Standes der Technik ergeben sich dadurch, dass bei nicht passgenauer Anbringung der beiden Halbplatten (laterale Verrückung) Anlegeflächen einer Halbplatte in Gräben auf der anderen Halbplatte eindringen können. Dadurch entstehen in den Gräben hohe Spannungen und Drücke, die in der Folge zum Bruch der Bipolarplatte führen können. Daher wurden Kühlkanäle häufig nur auf einer Seite der Halbplatten verwendet, was wiederum den Nachteil hat, dass ein solches Design die Anforderungen an eine geringe Höhe der Bipolarplatte nicht erfüllen kann. In der WO 2005/067086 A2 sind die Anlegeflächen daher in etwa doppelt so breit wie die Kühlkanäle, wobei die Kühlkanäle einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. In der US 2013/0344420 A1 und der DE 11 2006 002 140 T5 sind die Anlegeflächen ebenso etwa doppelt so breit wie die Kühlkanäle und weisen hier ferner einen kreisrunden Querschnitt auf. Nachteilig bei diesen Realisierungen ist, dass bereits bei geringen lateralen Verrückungen der Halbplatten gegeneinander, wie es bei der Herstellung häufig vorkommen kann, sofort Abschnitte der Anlegeflächen über die gegenüberliegenden Gräben ragen und damit den Kühlmittelstrom negativ beeinflussen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte vorzuschlagen, welche eine geringe Gesamthöhe aufweist und dabei dennoch robust ist gegenüber lateralen Verrückungen der Halbplatten gegeneinander. Ferner soll ein Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit optimiertem Design, einen Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine erste Halbplatte, die eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen und ersten Gräben auf einer Kühlmittelseite aufweist. Die Bipolarplatte umfasst ferner eine zweite Halbplatte, die ebenfalls eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen und zweiten Gräben auf einer Kühlmittelseite aufweist. Dabei sind die Kühlmittelseite der ersten Halbplatte und die Kühlmittelseite der zweiten Halbplatte so miteinander über die ersten Anlegeflächen und zweiten Anlegeflächen auf Kontakt verbunden, dass gegenüberliegende erste Gräben und zweite Gräben geschlossene Kühlkanäle für den Durchfluss von Kühlmittel ausbilden. Ferner sind erste Breiten der ersten Anlegeflächen größer als zweite Grabenbreiten der zweiten Gräben und zweite Breiten der zweiten Anlegeflächen sind größer als erste Grabenbreiten der ersten Gräben. Erfindungsgemäß sind erste Breiten der ersten Anlegeflächen kleiner als zweite Breiten der zweiten Anlegeflächen.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Bipolarplatte robuster ist gegenüber geringen lateralen Querverschiebungen der beiden Halbplatten gegeneinander, wie es beim Produktionsprozess häufig auftritt. Bei einer solchen lateralen Verrückungen der Anlegeflächen der ersten Halbplatte gegenüber den zweiten Anlegeflächen der zweiten Halbplatten bleibt weiterhin die gesamte erste Anlegefläche mit den zweiten Anlegeflächen kontaktiert, wobei ferner die Gesamtbreite das Kühlkanals bei solchen Verrückungen unverändert bleibt und durch die erste Grabenbreite definiert ist. Ferner können erste Anlegeflächen nicht in die zweiten Gräben und ebenso zweite Anlegeflächen nicht in erste Gräben bei lateralen Verschiebungen eindringen durch die Auslegung der jeweiligen Breiten der ersten und zweiten Anlegeflächen sowie der ersten und zweiten Grabenbreiten. Daher werden Druckanstiege, Spannungen, erhöhte Strömungswiderstände und damit verbundene Stabilitätsmängel der Bipolarplatte unter lateralen Verrückungen eliminiert oder zumindest deutlich gemindert.
Dabei können die ersten Breiten höchstens 80%, insbesondere höchstens 70%, vorzugsweise höchstens 60% der zweiten Breiten betragen. Diese Größenverhältnisse sind besonders geeignet, sodass sich die oben genannten positiven Effekte vorteilhaft auswirken.
Ferner sind vorzugsweise erste Breiten der ersten Anlegeflächen größer als zweite Grabenbreiten der zweiten Gräben, sodass bei einer Verschiebung der Halbplatten gegeneinander erste Anlegeflächen nicht in die zweiten Gräben eindringen.
Bevorzugt ist eine erste maximale Höhe der ersten Gräben größer als zweite maximale Höhender zweiten Gräben. Dies ermöglicht eine flexiblere an den Bedarf orientierte Nutzung der zur Verfügung stehenden Gesamthöhe der Bipolarplatte. Typischerweise befinden sich auf den von der Kühlmittelseite abgewandten Seite der Halbplatten weitere Grabenstrukturen, nämlich dritte Gräben auf der ersten Halbplatte und vierte Gräben auf der zweiten Halbplatte, die zum Transport der Betriebsmedien benötigt werden. Beispielsweise kann je nach Mengenbedarf der Reaktanden gemäß der Stöchiometrie der zugrunde liegenden chemischen Reaktion die Grabentiefe der dritten Gräben von denen der vierten Gräben voneinander abweichen. Die Dimensionierung der maximalen Höhen dieser dritten und vierten Gräben erfolgt vorteilhaft komplementär zu den maximalen Höhen der ersten und zweiten Gräben, wodurch eine effektivere Nutzung der zur Verfügung stehenden Gesamthöhe erfolgt.
Vorteilhaft sind erste Querschnittsflächen der ersten Gräben größer als zweite Querschnittsflächen der zweiten Gräben. Dies ermöglicht dabei vorteilhaft eine Berücksichtigung der unterschiedlichen Dimensionierungen der dritten und vierten Gräben für die Versorgung mit den jeweils benötigten Betriebsmedien. Ferner wird die Hauptlast für den Kühlmittelstrom von den ersten Gräben geleistet. Diese Dimensionierungen sind flexibel anpassbar an die entsprechenden benötigten Versorgungmengen beziehungsweise Ausgestaltungen der Gräben für die Betriebsmittel zum Beispiel gemäß den stöchiometrischen Verhältnissen der zugrunde liegenden chemischen Reaktion und eignen sich somit zur Verringerung der Gesamthöhe der Bipolarplatte.
Erste Querschnittsprofile im Übergang zwischen den ersten Gräben und benachbarten ersten Anlegeflächen und/oder zweite Querschnittsprofile im Übergang zwischen zweiten Gräben und benachbarten zweiten Anlegeflächen sind bevorzugt glatt und sprungfrei. Dies hat zum Vorteil, dass bei idealer Positionierung der Halbplatten, aber auch insbesondere bei produktionsbedingter Verrückung der Halbplatten gegeneinander sich keine scharfen Kanten ausbilden. Insbesondere werden dadurch Strömungswiderstände reduziert, die zu einer nachteiligen Reduzierung der Kühlmittelversorgung führen können.
Bevorzugt steigen die ersten Querschnittsprofile und/oder die zweiten Querschnittsprofile Richtung Mitte der Gräben zunächst flach an, dann steiler und zur Mitte der Gräben wieder flacher. Diese Geometrie der Querschnittsprofile ist für den Transport des Kühlmittels besonders geeignet.
Eine Gesamthöhe der Bipolarplatte kann höchstens 1,5 mm, insbesondere höchstens 1,2 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm messen. Diese Wertebereiche werden bevorzugt angestrebt und durch die oben beschriebenen Optimierungen erreichbar gemacht.
Die Bipolarplatte kann ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoff-basiertes Material umfassen oder aus einem solchen bestehen. Beispielsweise kann hierbei Graphit verwendet werden oder ein Kompositmaterial aus Graphit und einem Kunststoff.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßen Bipolarplatten umfasst.
Dabei kann bevorzugt die erste Halbplatte der Bipolarplatte einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandt sein und die zweite Halbplatte einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnungen. Dies führt dazu, dass die erste Halbplatte aufgrund der geringeren Breite der ersten Anlegeflächen dritte Gräben auf ihrer Außenseite ausbildet, die eine geringere Breite besitzen. Entsprechend können vierte Gräben auf der Außenseite der zweiten Halbplatte mit größerer Breite ausgebildet werden. Diese Komposition eignet sich besonders für die Betriebsmedien Wasserstoff H₂ und Luft als Sauerstoffträger, wobei Wasserstoff durch die dritten Gräben und Luft durch die vierten Gräben geführt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte, und
4 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 kann ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet sein, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten.
Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst.
Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Halbplatten, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Halbplatten, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 Dichtungen angedeutet.
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 und zwar im aktiven Bereich AA. Die Bipolarplatte 15 weist eine erste Halbplatte 50 und eine zweite Halbplatte 60 auf, die miteinander auf der jeweiligen Kühlmittelseite 72 auf Kontakt verbunden sind. Die erste Halbplatte 50 weist eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen 52 und erste Gräben 54 auf deren Kühlmittelseite 72 auf. Die zweite Halbplatte 60 weist ebenfalls eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen 62 und zweite Gräben 64 auf deren Kühlmittelseite 72 auf. Als Anlegeflächen 52 beziehungsweise 62 sind dabei die Abschnitte der jeweiligen Kühlmittelseite 72 der jeweiligen Halblatten 50, 60 definiert, die flach beziehungsweise krümmungsfrei sind und zusammen eine Ebene auf der Kühlmittelseite 72 definieren. Der Kontakt der beiden Halbplatten 50, 60 wird derart hergestellt, dass sich die ersten Gräben 54 und die zweiten Gräben 64 gegenüberstehen und somit einen geschlossenen Kühlkanal 70 für den Durchfluss von Kühlmittel ausbilden. Auf Kontakt sind dabei die jeweiligen Anlegeflächen 52, 62 der jeweiligen Halbplatten 50, 60.
Die in 4 dargestellte positionsgenaue Gegenüberstellung der ersten Gräben 54 und zweiten Gräben 64 ist in der Praxis nicht immer realisierbar, daher kann in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Querverschiebung (laterale Verrückung) der ersten Halbplatte 50 gegenüber der zweiten Halbplatte 60 oder umgekehrt vorliegen in der Art, dass erste Gräben 54 und zweite Gräben 64 sich nicht idealerweise gegenüberstehen sondern zueinander versetzt sind. Erste Breiten 56 der ersten Anlegeflächen 52 sind größer als zweite Grabenbreiten 65, was ein Eindringenden der ersten Anlegeflächen 52 in die zweiten Gräben 64 vermeidet, wenn laterale Verrückungen der Halbplatten 50, 60 vorliegen. Ferner sind zweite Breiten 66 der zweiten Anlegeflächen 62 ebenfalls größer als erste Grabenbreiten 55 der ersten Gräben 54, um auch ein Eindringen der zweiten Anlegeflächen 62 in die ersten Gräben 54 zu vermeiden. Hierbei sind die Grabenbreiten 55, 65 als Abstände zwischen zwei benachbarten Anlegeflächen 52, 62 definiert.
Erfindungsgemäß sind nun erste Breiten 56 der ersten Anlegeflächen 52 kleiner als zweite Breiten 66 der zweiten Anlegeflächen 62. Das hat zur Folge, dass die beiden Halbplatten 50, 60 nicht symmetrisch aufgebaut sind bezüglich der Kühlmittelseite 72. Insbesondere resultiert daraus, dass sich erste Gräben 54 von zweiten Gräben 64 in ihren räumlichen Dimensionen unterscheiden. Beispielhaft in 4 weist die erste Breite 56 der ersten Anlegefläche 52 etwa 60 % der zweiten Breite 66 der zweiten Anlegefläche 62 auf. Bevorzugte Ausführungsformen weisen für die ersten Breiten höchstens 80%, insbesondere höchstens 70%, vorzugsweise höchstens 60% der zweiten Breite auf. Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf diese bevorzugten Breitenverhältnisse beschränkt. Bei lateralen Verrückungen der Halbplatten 50, 60 gegeneinander führt das vorteilhaft dazu, dass weiterhin die gesamte erste Anlegefläche 52 mit den zweiten Anlegeflächen 62 kontaktiert, wobei ferner die Gesamtbreite des Kühlkanals 70 bei solchen Verrückungen unverändert bleibt und im Wesentlichen durch eine erste Grabenbreite 55 definiert ist. Daher werden Druckanstiege, Spannungen, erhöhte Strömungswiderstände und damit verbundene Stabilitätsmängel der Bipolarplatte 15 unter lateralen Verrückungen eliminiert oder zumindest deutlich gemindert.
Sowohl die ersten Gräben 54 als auch die zweiten Gräben 64 weisen in der Mitte des Grabens jeweils ihre maximalen Höhen 57, 67 auf. Die erste maximale Höhe 57 ist in dieser Ausführungsform dabei größer als die zweite maximale Höhe 67. Ferner sind dabei auch erste Querschnittsflächen 53 der ersten Gräben 54 größer als zweite Querschnittsflächen 63 der zweiten Gräben 64. Die zweiten Gräben 64 tragen somit zum Kühlmittelstrom bei, wobei die Hauptlast des Kühlmittelstroms entsprechend der Querschnittsflächen hauptsächlich von den ersten Gräben 54 getragen wird. Die Erfindung ermöglicht hierbei eine variable Anpassung dieser Größenverhältnisse, was beispielsweise genutzt werden kann, um den stöchiometrischen Verhältnissen der zugrunde liegenden chemischen Reaktion Rechnung zu tragen. Im Übergang zwischen den ersten Gräben 54 und den benachbarten ersten Anlegeflächen sind erste Querschnittsprofile 58 glatt. Insbesondere weisen die ersten Querschnittsprofile 58 somit keine Kanten auf und sind ferner sprungfrei, was vorteilhaft für den Kühlmitteltransport insbesondere bei lateralen Verrückungen ist, da sich keine nachteiligen Kanten ausbilden, die den Transport des Kühlmittels negativ beeinträchtigen können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese bevorzugte Ausführungsform beschränkt, beispielsweise können die ersten Querschnittsprofile 58 als Halbkreise ausgebildet sein, sodass sich eine Kante am Übergang zur ersten Anlegefläche 52 ausbildet, oder rechteckig sein, sodass sich auch Sprünge im ersten Querschnittsprofil 58 befinden können. In ähnlicher Weise können die Ausführungsformen für zweite Querschnittsprofile 68 im Übergang von den zweiten Gräben 64 und den benachbarten zweiten Anlegeflächen 62 sein. Bevorzugt zeigen die Querschnittsprofile 58, 68 in Richtung Mitte der Gräben 54, 64 einen zunächst flachen Anstieg, dann einen steilen Anstieg und ferner einen flachen Anstieg zur Mitte hin.
Die erste Halbplatte 50 und die zweite Halbplatte 60 weisen auf ihren von der Kühlmittelseite 72 abgewandten Seiten jeweils eine Vielzahl von dritten Gräben 59 und vierten Gräben 69 auf, welche die Reaktantenkanäle 153 (siehe 3) zum Transport der Betriebsmedien ausbilden. Dabei ist die Querschnittsfläche der dritten Gräben 59 auf der ersten Halbplatte 50 kleiner als die Querschnittsfläche der vierten Gräben 69 auf der zweiten Halbplatte 60. Damit sind die Dimensionierungen der dritten Gräben 59 und vierten Gräben 69 gerade komplementär zu den ersten Gräben 54 und zweiten Gräben 64, was zu einer optimierten Nutzung der Gesamthöhe 80 der Bipolarplatte 15 führt. Durch geeignete Wahl der Dimensionierungen der ersten und zweiten Gräben 54, 64 werden daher die Dimensionierungen der dritten und vierten Gräben 59, 69 mitbestimmt. Letztere sind wichtig, um eine effiziente Umsetzung der Betriebsmedien entsprechend der Stöchiometrie der zugrunde liegenden chemischen Reaktion zu gewährleisten. Die in 4 dargestellten Verhältnisse eignen sich beispielhaft für den Transport von Wasserstoff H₂ in den dritten Gräben 59 als Brennstoff und in den breiteren vierten Gräben 69 von Luft als Oxidationsmittel. Demnach ist die erste Halbplatte 50 der Bipolarplatte 15 einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und die zweite Halbplatte 60 einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 zugewandt.
Die Gesamthöhe 80 der Bipolarplatte 15 kann durch erwähnte Optimierungen nur wenige Millimeter, höchstens 1,5 mm, insbesondere höchstens 1,2 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm messen. Als Material der Bipolarplatte 15 kommt bevorzugt elektrisch leitfähiges Kohlenstoffbasiertes Material zum Einsatz. Ein besonders bevorzugtes Material stellt ein Kompositwerkstoff aus Graphit und einem Kunststoff (zum Beispiel ein Epoxidpolymer) dar.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
141: Anodenseite
142: Kathodenseite
143: katalytische Elektrode/Anode
144: Versorgungsöffnung/Anodeneinlassöffnung
145: Versorgungsöffnung/Anodenauslassöffnung
146: Versorgungsöffnung/Kathodeneinlassöffnung
147: Versorgungsöffnung/Kathodenauslassöffnung
148: Versorgungsöffnung/Kühlmitteleinlassöffnung
149: Versorgungsöffnung/Kühlmittelauslassöffnung
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
151: Anodenseite
152: Kathodenseite
153: Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)
154: Versorgungsöffnung/Anodeneinlassöffnung
155: Versorgungsöffnung/Anodenauslassöffnung
156: Versorgungsöffnung/Kathodeneinlassöffnung
157: Versorgungsöffnung/Kathodenauslassöffnung
158: Versorgungsöffnung/Kühlmitteleinlassöffnung
159: Versorgungsöffnung/Kühlmittelauslassöffnung
16: Endplatte/Medienversorgungsplatte/stromabwärtige Platte
17: Hauptversorgungskanal/Kathodeneinlasskanal
18: Hauptversorgungskanal/Kathodenauslasskanal
19: Betriebsmedium/Kathodenbetriebsmedium/Luft
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
50: erste Halbplatte
52: erste Anlegefläche
53: erste Querschnittsfläche der ersten Gräben
54: erste Gräben
55: erste Grabenbreite
56: erste Breite der ersten Anlegeflächen
57: erste maximale Höhe
58: erstes Querschnittsprofil
59: dritte Gräben
60: zweite Halbplatte
62: zweite Anlegefläche
63: zweite Querschnittsfläche der zweiten Gräben
64: zweite Gräben
65: zweite Grabenbreite
66: zweite Breite der zweiten Anlegeflächen
67: zweite maximale Höhe
68: zweites Querschnittsprofil
69: vierte Gräben
70: Kühlkanal
72: Kühlmittelseite
80: Gesamthöhe
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)

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

WO 2005/067086 A2 [0006]
US 2013/0344420 A1 [0006]
DE 112006002140 T5 [0006]

Claims

Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle umfassend: – eine erste Halbplatte (50) umfassend: – eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen (52) und ersten Gräben (54) auf einer Kühlmittelseite (72); – eine zweite Halbplatte (60) umfassend: – eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen (62) und zweiten Gräben (64) auf einer Kühlmittelseite (72), wobei die Kühlmittelseite (72) der ersten Halbplatte (50) und die Kühlmittelseite (72) der zweiten Halbplatte (60) so miteinander über die ersten Anlegeflächen (52) und zweiten Anlegeflächen (62) auf Kontakt verbunden sind, sodass gegenüberliegende erste Gräben (54) und zweite Gräben (64) geschlossene Kühlkanäle (70) für den Durchfluss von Kühlmittel ausbilden; und erste Breiten (56) der ersten Anlegeflächen (52) sind größer als zweite Grabenbreiten (65) der zweiten Gräben (64) und zweite Breiten (66) der zweiten Anlegeflächen (62) sind größer als erste Grabenbreiten (55) der ersten Gräben (54), dadurch gekennzeichnet, dass erste Breiten (56) der ersten Anlegeflächen (52) kleiner sind als zweite Breiten (66) der zweiten Anlegeflächen (62).
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Breiten (56) der ersten Anlegeflächen (52) höchstens 80%, insbesondere höchstens 70%, vorzugsweise höchstens 60% der zweiten Breiten (66) der zweiten Anlegeflächen (62) betragen.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste maximale Höhen (57) der ersten Gräben (54) größer sind als zweite maximale Höhen (67) der zweiten Gräben (64).
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Querschnittsflächen (53) der ersten Gräben (54) größer sind als zweite Querschnittsflächen (63) der zweiten Gräben (64).
Bipolarplatte (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Querschnittsprofile (58) im Übergang zwischen den ersten Gräben (54) und benachbarten ersten Anlegeflächen (52) und/oder zweite Querschnittsprofile (68) im Übergang zwischen zweiten Gräben (64) und benachbarten zweiten Anlegeflächen (62) glatt und sprungfrei sind.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthöhe (80) der Bipolarplatte (15) höchstens 1,5 mm, insbesondere höchstens 1,2 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm misst.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoff-basiertes Material umfasst oder aus einem solchen besteht.
Brennstoffzellenstapel (10), umfassend einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) nach einem der Ansprüche 1–7.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbplatte (50) der Bipolarplatte (15) einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnungen (14) zugewandt ist und die zweite Halbplatte (60) einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnungen (14) zugewandt ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100), das einen Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 aufweist.