DE102015220689A1

DE102015220689A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015220689A1
Application number: DE102015220689.0A
Authority: DE
Inventors: Ian Stewart
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle umfassend – ein Paar zusammengesetzter Platten, wobei jede Platte eine Zellseite (151, 152) und eine Kühlseite aufweist, und die Kühlseiten einander zugewandt sind – ein innerhalb eines aktiven Bereichs (AA) der Bipolarplatte (15) erstreckendes Kühlmittelflussfeld, das sich durch eine Profilierung der Platten zwischen den Kühlseiten ausbildet, und – zumindest eine auf einer Zellseite (151, 152) zumindest einer der Platten angeordnete elastische Dichtung (160, 161), sowie eine Brennstoffzellenstapel umfassend eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer PEM-Membran (14) sowie einer solchen Bipolarplatte (15). Es ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte (15) einen außerhalb des aktiven Bereichs (AA) verlaufenden Kühlmittelkanal, (162) umfasst, welcher sich zumindest bereichsweise entlang der Dichtung (160, 161) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend ein Paar zusammengesetzter Platten, mit je einer Zellseite und einer Kühlseite, wobei die Kühlseiten einander zugewandt sind und sich durch eine Profilierung zumindest einer der Platten zwischen den Kühlseiten ein innerhalb eines aktiven Bereichs der Bipolarplatte erstreckendes Kühlmittelflussfeld ausbildet, sowie zumindest eine auf einer Zellseite zumindest einer der Platten angeordnete umlaufende Dichtung.
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 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. 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 derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Abwechselnd mit den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Bipolarplatten weisen beidseitig Reaktantenflussfelder auf. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Metallische Bipolarplatten von Brennstoffzellen bestehen gewöhnlicher Weise aus zwei Einzelplatten (Hälften), welche durch Schweißen miteinander verbunden werden.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus der Brennstoffzelle verhindern.
Die Dichtungen können seitens der Membran-Elektroden-Einheiten oder der Bipolarplatten vorgesehen und insbesondere mit diesen Komponenten verbunden sein. Zudem können die Dichtungen auch in Form von Einlegedichtungen ausgeführt werden, ohne auf den Bipolarplatten oder den Membran-Elektroden-Einheiten befestigt worden zu sein.
Die Dichtungen sind zumeist aus Kunststoffen insbesondere aus Elastomeren gefertigt. Diese weisen eine endliche Temperaturbeständigkeit aus. Bei Betriebstemperatur der Brennstoffzelle verlieren die Dichtungen zunehmend ihre elastischen Eigenschaften, ein sogenannter Druckverformungsrest nimmt zu. Der Druck der Dichtung auf die Bipolarplatten nimmt ab und damit auch die Dichtungseigenschaften der Dichtung. Bei bevorzugten Dichtmaterialien liegt dadurch die Lebensdauer der Dichtungen unterhalb der Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Um eine hinreichende Dichtwirkung über die gesamte Lebensdauer der Brennstoffzelle zu gewährleisten werden daher Dichtungen verwendet, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Derartige Dichtungen, wie beispielsweise Silikon, sind jedoch teurer in Bezug auf Materialkosten und zeigen komplexere Anforderungen an die Verarbeitung, was wiederum ihre Produktionskosten erhöht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Insbesondere soll eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden, deren Kosten in Bezug auf die Dichtung bei Erhöhung oder Beibehalten der Brennstoffzellenlebensdauer reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte sowie eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend ein Paar zusammengesetzter, insbesondere profilierter, Platten. Dabei weist jede Platte eine Zellseite und eine Kühlseite auf, wobei die Kühlseiten beider Platten einander zugewandt sind. Ferner umfasst die Bipolarplatte ein innerhalb eines aktiven Bereichs der Bipolarplatte erstreckendes Kühlmittelflussfeld, dass sich durch eine Profilierung zumindest einer der Platten zwischen den Kühlseiten ausbildet. Auf zumindest einer Zellseite zumindest einer der Platten ist eine elastische Dichtung angeordnet. Erfindungsgemäß umfasst die Bipolarplatte ferner einen außerhalb des aktiven Bereichs verlaufenden, insbesondere diskreten, Kühlmittelkanal, der sich zumindest bereichsweise entlang der Dichtung erstreckt. Dadurch wird die Dichtung im Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte aktiv gekühlt.
Durch die erfindungsgemäße Kühlung wird verhindert, dass sich die Dichtung im Betrieb der Brennstoffzelle aufheizt. Insbesondere weist die Dichtung auch im Betrieb der Brennstoffzelle Temperaturen im Bereich der Kühlmitteltemperatur auf. Dies führt dazu, dass ein Druckverformungsrest (DVR oder englisch compression set) der Dichtung beziehungsweise des Dichtungsmaterials im zeitlichen Verlauf nicht so stark ansteigt wie im Betrieb einer Brennstoffzelle mit herkömmlicher Bipolarplatte. Der DVR ist ein Maß dafür, wie sich Elastomere bei lang andauernder, konstanter Druckverformung und anschließender Entspannung verhalten. Wie in 3 verdeutlicht wird, wird insbesondere ein kritischer Wert des DVRs von 30%, der als Dichtigkeitsgrenze angesehen wird, erst nach 20000 h Betriebszeit erreicht und nicht bereits nach unter 1000 h Betriebszeit, wie es bei ungekühlten Dichtungen der Fall ist. Somit wird durch die erfindungsgemäße Dichtungskühlung die Lebensdauer einer elastischen Dichtung auch bei günstigeren Materialien erhöht und an die Lebensdauer der Brennstoffzelle angepasst.
Die Dichtung ist als eine vorzugsweise als Dichtungswulst ausgeführte, elastische Dichtung zu verstehen, die sich in einem definierten Abstand zu einem Rand der Bipolarplatte über die Bipolarplatte erstreckt. Durch ein komprimieren der Dichtung werden im zusammengebauten Zustand Reaktandenräume abgedichtet und verhindert, dass Reaktandengase entweichen. Die Dichtung ist vorzugsweise aus einem Elastomer, insbesondere einem copolymeren Elastomer, bevorzugt aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) gefertigt. Dieses Material ist besonders günstig und dabei gleichzeitig gut verarbeitbar, stabil gegen die Reaktandengase und weist ein unter Brennstoffzellenbedingungen gutes Dichtvermögen auf.
Bipolarplatten setzen sich typischerweise aus zwei gegenüberliegenden Platten zusammen. Die Platten besitzen eine Gruppierung aus Nuten und/oder Kanälen, die zellseitig offene Strömungsfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Elektrode, also Anode oder Kathode, und kühlseitenseitig ein geschlossenes Kanalsystem zur Verteilung von Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel bilden. Als Zellseite ist also die Seite der Platte eines Plattenpaares einer Bipolarplatte zu verstehen, welche im zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel einem Elektrodenraum, also einem Kathoden- oder Anodenraum, zugewandt ist. Im Allgemeinen schließt sich daher an die Zellseite einer Platte eine Gasdiffusionsschicht (GDL) an. Die Kühlseite einer Platte stellt die der Zellseite abgewandte Seite dar. Diese ist in der zusammengesetzten Bipolarplatte mit der Kühlseite einer anderen Platte verbunden und schließt einen Raum ein, welcher über Kühlmittelkanäle verfügt. Die Platten sind ihrerseits aus leitfähigen Materialien gefertigt. Grundsätzlich stehen dafür Graphit oder Metalle zur Verfügung. In vorliegender Erfindung sind die Platten eines Plattenpaares zur Herstellung einer Bipolarplatte vorzugsweise aus Metallen gefertigt.
Die Kühlmittelkanäle ergeben eine Hauptströmungsrichtung, die typischerweise entlang einer Verbindungslinie zwischen den inaktiven Bereichen, beziehungsweise in Erstreckungsrichtung der Bipolarplatte, verläuft. Bei den Kühlmittelkanälen handelt es sich um diskrete Kanäle und/oder um Strömungsfelder, in denen das Kühlmittel zusätzlich zur Hauptströmungsrichtung auch quer zu dieser strömt. Im Falle diskreter Kanäle verlaufen diese im Wesentlichen parallel zu einander und erstrecken sich in Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels.
Der, vorzugsweise diskrete, Kanal, der zur Kühlung der Dichtung vorgesehen ist, ist bevorzugt ein zusätzlicher Kanal, der sich zumindest bereichsweise entlang der Dichtung erstreckt, also dieser im Wesentlichen nachfolgt. Bevorzugt verläuft der Kanal im Wesentlichen parallel und insbesondere deckungsgleich zur Dichtung und ist durch die Platte, auf der die Dichtung angeordnet ist, von der Dichtung getrennt. Der Kanal ist durchgängig oder unterbrochen. Vorzugsweise sind ein Durchmesser und eine Form des Querschnitts des Kanals an die Dichtungsgröße und das Dichtungsmaterial angepasst um eine optimierte und gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten.
Vorliegend wird eine Bipolarplatte in drei Bereiche unterteilt, umfassend zwei inaktive Bereiche mit je einem Verteilerbereich und einen aktiven Bereich. Ein erster Verteilerbereich dient dabei der Zuleitung von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte, ein zweiter Verteilerbereich der Ableitung der Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich. Bevorzugt sind beide inaktiven Bereiche gleich ausgeführt, insbesondere durch Spiegelsymmetrie, vorzugsweise Rotationssymmetrie ineinander überführbar. In den inaktiven Bereichen sind wiederum die Betriebsmittelversorgungsöffnungen, also Anodengasversorgungsöffnung, Kühlmittelversorgungsöffnung und Kathodengasversorgungsöffnung, angeordnet. Beispielsweise können die Versorgungsöffnungen im Wesentlichen entlang einer Seitenkante, insbesondere einer kurzen Seitenkante der Bipolarplatte, nebeneinander angeordnet sein. Üblicherweise sind die Betriebsmittelversorgungsöffnungen anhand ihrer Ausbildung, insbesondere ihrer Größenverhältnisse klassifizierbar.
Der aktive Bereich, welcher zwischen den beiden Verteilerbereichen angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels dieser Bereich einer Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit gegenüberliegt. Das heißt im aktiven Bereich finden die chemischen Reaktionen statt, welche Grundlage für die Energieerzeugung in einer Brennstoffzelle ist.
Bei den Betriebsmedien handelt es sich vorliegend um Fluide, also flüssig oder gasförmig vorliegende Stoffe, welche durch die jeweiligen Betriebsmittelversorgungsöffnungen über geeignete Zuführungen auf die Platte geführt werden. Dabei handelt es sich um zwei Reaktandenfluide, insbesondere ein Kathodenbetriebsmittel (Oxidationsmittel) und ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff) sowie ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser. Bevorzugt wird Sauerstoff als Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff verwendet.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zumindest eine Dichtung eine den aktiven Bereich umlaufende Dichtung und der Kühlmittelkanal erstreckt sich entlang gegenüber liegender Bereiche des aktiven Bereichs, insbesondere über den gesamten Verlauf der umlaufenden Dichtung optional erstreckt sich der Kanal entlang einer um den inaktiven Bereich der Bipolarplatte verlaufenden Dichtung. Damit wird die gesamte Dichtung gekühlt. Es entstehen keine Temperaturgradienten über die Länge der Dichtung. Somit werden die Stabilität und die Lebensdauer der Dichtung erhöht.
Ferner ist bevorzugt, dass der Kühlmittelkanal in Bezug auf eine Plattennormale unterhalb oder benachbart eines dem Flussfeld abgewandten Rands der Dichtung verläuft. Dies führt zu einer gleichmäßigen Kühlung der Dichtung über deren Länge und verhindert lokale Temperaturmaxima und -minima in Erstreckungsrichtung.
Alternativ oder zusätzlich entspricht eine Breite des Kühlmittelkanals dem 1- bis 2-Fachen einer Breite der Dichtung. Dies stellt eine gleichmäßige Kühlung der Dichtung insbesondere quer zur Erstreckungsrichtung sicher.
Mit Vorteil ist der Kühlmittelkanal über eine fluidführende Verbindung mit der Kühlmittelversorgungsöffnung, insbesondere der zuführenden Kühlmitteleinlassöffnung, und/oder mit dem Kühlmittelflussfeld verbunden. Insbesondere die Anbindung durch mehrere fluidführende Verbindungen stellt eine gleichmäßige Versorgung des die Dichtung kühlenden Kühlmittelkanals und somit einen geringen Druckverlust und eine konstante Temperatur des Kühlmittels im Kanal sicher. Die Verbindung mit der zuführenden Kühlmitteleinlassöffnung stellt sicher, dass die Dichtung auf die Eingangstemperatur des Kühlmittels gekühlt wird und nicht durch bereits erwärmtes Kühlmittel eine höhere Temperatur annimmt.
Ferner ist bevorzugt, dass die Dichtung insbesondere innerhalb oder um den inaktiven Bereich und/oder zumindest eine Versorgungsöffnung verläuft und der Kühlmittelkanal sich in diesem Bereich entlang der Dichtung erstreckt. Mit anderen Worten, nicht nur die zum aktiven Bereich benachbarten Dichtungen werden gekühlt, sondern zusätzlich die innerhalb des Verteilerbereichs oder umlaufend um diesen. Andernfalls wären die dortigen Dichtungen Lebensdauer bestimmend für die Brennstoffzelle oder müssten teuer und/oder aufwendig mit resistenteren Dichtungen wie Silikondichtungen ausgestattet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit mit einer Polymerelektrolyt(PEM)-Membran sowie einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Die Kühlung von elastischen Dichtungen ist aufgrund der Betriebsparameter insbesondere bei der Verwendung von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen von Bedeutung.
In der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist die gekühlte Dichtung bevorzugt zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten oder zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Bipolarplatte angeordnet. Mit Vorteil sind mehrere Membranen und erfindungsgemäße Bipolarplatten alternierend zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt und in einem Brennstoffzellensystem angeordnet.
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 eine Draufsicht auf eine Membran,
2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung und
3 eine graphische Auftragung des Druckverformungsrests einer Dichtung in Abhängigkeit von der Betriebszeit der Dichtung in einer Brennstoffzelle bei zwei Temperaturen.
Zur Verdeutlichung des internen Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels 10 zeigen die 1 und 2 jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Einheit 14 und Bipolarplatte 15 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-Einheit 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-Einheit 14 bzw. 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle in Brennstoffzellenstapel ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 bzw. 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also den Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 bzw. 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 bzw. 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 bzw. 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 bzw. 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 bzw. 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 1 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membranelektrodeneinheit 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 2 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbar Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, 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 Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 2 Dichtungen 160, 161 angedeutet. Sie unterteilen sich in der gezeigten Ausführungsform in eine um die gesamte Bipolarplatte umlaufende Dichtung 160 und ein oder mehrere Dichtungen im inaktiven Bereich, die insbesondere umlaufend um die Versorgungsöffnungen 151–159 angeordnet sind.
Die Dichtungen 160, 161 sind als elastische Dichtungen 160, 161 ausgeführt, die als Dichtungswulst auf einer Zellseite angeordnet sind. Sie sind elastisch und umfassen beispielsweise Elastomere, insbesondere ein copolymeres Elastomer, wie EPDM.
Erfindungsgemäß ist entlang der Dichtung 160, 161 ein diskreter Kühlmittelkanal 162 angeordnet, der sich zwischen den Kühlseiten der Plattenhälften aus der Profilierung zumindest einer der Plattenhälften, ausbildet. Der Kühlmittelkanal 162 erstreckt sich zumindest bereichsweise entlang der Dichtung 160, 161 und folgt dieser nach. Dabei können Dichtung 160, 161 und Kühlmittelkanal 162 in Deckung zu einander angeordnet sein, teilweise überlappen oder unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, wobei bevorzugt ist, dass ein größtmöglicher Beriech gebildet ist, in dem Dichtung 160, 161 und Kühlmittelkanal 162 in Deckung sind.
Der Kühlmittelkanal 162 kann durch fluidführende Verbindungen 163 mit dem Kühlmittelflussfeld innerhalb des aktiven Bereichs und/oder mit einer Kühlmittelversorgungsöffnung, insbesondere der Kühlmitteleinlassöffnung 158 verbunden.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Kühlmittelkanals 162 führt zu einer Kühlung der Dichtung 160, 161. Die Effektivität der Kühlung wird dabei durch die genaue Anordnung des Kühlmittelkanals 162 in Bezug auf den Verlauf der Dichtung 160, 161 sowie durch die Form und Größe des Querschnitts des Kühlmittelkanals beeinflusst. Eine optimale Kühlung wird erreicht, wenn beispielsweise der Kühlmittelkanal 162 der Dichtung 160, 161 über den gesamten Verlauf folgt und mit dieser in Deckung ist. Ebenfalls positiv wirkt sich aus, wenn die Dichtung 160, 161 über die gesamte Breite gleichmäßig gekühlt wird. Dies wird erreicht, wenn der Kühlmittelkanal 162 mittig zur Dichtung 160, 161 angeordnet ist und/oder eine im Wesentlichen gleiche Breite aufweist wie diese.
Eine effektive Kühlung der Dichtung 160, 161 verlängert deren Lebensdauer und somit die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Als ein Maß dafür, wie sich das Elastomer bei lang andauernder, konstanter Druckverformung und anschließender Entspannung verhält ist der Druckverformungsrest (DVR) eine wesentliche Eigenschaft der Dichtung, die die Lebensdauer beschreibt. Ein Druckverformungsrest von über 30% wird als kritisch angesehen, da ab diesem Zeitpunkt die Dichteigenschaften derart nachlassen, dass die Dichtung als undicht angesehen wird. Der Verlauf des DVR in Abhängigkeit von der Zeit beschreibt einen typischen Arrhenius-Verlauf. Dabei ist die Steigung der resultierenden Kurve mit zunehmender Temperatur steiler.
3 zeigt den DVR einer Elastomeren Dichtung in Abhängigkeit von der Betriebsdauer einer Brennstoffzelle bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Die durchgezogene Linie zeigt die Daten einer bei durchschnittlich 50°C betriebenen Dichtung, während die Einzelmesspunkte Daten einer bei 62°C betriebenen Dichtung zeigen.
Es wird deutlich, dass bereits eine Kühlung um 12°C eine Erhöhung der Lebensdauer um das 20-Fache bewirkt, wenn man von einem kritischen DVR von 30% ausgeht.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
14: Membran-Elektroden-Einheit (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
160: umlaufende Dichtung
161: Dichtung (inaktiver Bereich)
162: Kühlmittelkanal
163: fluidführende Verbindung
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)
S: Stapelrichtung

Claims

Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle umfassend – ein Paar zusammengesetzter Platten, wobei jede Platte eine Zellseite (151, 152) und eine Kühlseite aufweist, und die Kühlseiten einander zugewandt sind – ein innerhalb eines aktiven Bereichs (AA) der Bipolarplatte (15) erstreckendes Kühlmittelflussfeld, das sich durch eine Profilierung der Platten zwischen den Kühlseiten ausbildet, und – zumindest eine auf einer Zellseite (151, 152) zumindest einer der Platten angeordnete elastische Dichtung (160, 161), dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) einen außerhalb des aktiven Bereichs (AA) verlaufenden Kühlmittelkanal, (162) umfasst, welcher sich zumindest bereichsweise entlang der Dichtung (160, 161) erstreckt.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Dichtung (160) den aktiven Bereich (AA) umlaufende Dichtung umfasst und sich der Kühlmittelkanal (162) entlang gegenüberliegender Bereich des aktiven Bereichs (AA), insbesondere über den gesamten Verlauf der umlaufenden Dichtung (160) erstreckt.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) ferner einen inaktiven Bereich (IA) mit Versorgungsöffnungen (151–159) und einen aktiven Bereich (AA) aufweist und die Dichtung (161) ferner in dem inaktiven Bereich (IA), insbesondere um zumindest eine Versorgungsöffnung (151–159), verläuft und der Kühlmittelkanal (162) sich in diesem Bereich entlang der Dichtung (161) erstreckt.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (162) in Bezug auf eine Plattennormale unterhalb oder benachbart eines dem Flussfeld abgewandten Rands der Dichtung (160, 161) verläuft.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite des Kühlmittelkanals (162) dem 1 bis 2-Fachen einer Breite der Dichtung (160, 161) entspricht.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte ferner eine Kühlmitteleinlassöffnung (158) aufweist und der Kühlmittelkanal (162) über eine fluidführende Verbindung (163) direkt mit der Kühlmitteleinlassöffnung (158) verbunden ist.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (162) einen variierenden Querschnitt aufweist.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (160, 161) ein Elastomer, insbesondere copolymeres Elastomer, bevorzugt Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) umfasst oder aus diesem besteht.
Brennstoffzelle umfassend eine Membran-Elektroden-Einheit (14) mit einer PEM-Membran sowie eine Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (160, 161) zwischen der Membran-Elektroden-Einheit (14) und der Bipolarplatte (15) angeordnet ist.