DE102015224994A1

DE102015224994A1 - Bipolarplattenstruktur für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102015224994A1
Application number: DE102015224994.8A
Authority: DE
Inventors: Hee Seok Jeong
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-11-24
Also published as: KR101693993B1; CN106169595B; US20160344040A1; US9853300B2; KR20160136588A; CN106169595A

Abstract

Eine Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle enthält eine Katoden-Bipolarplatte mit einem Strömungsfeldabschnitt zur Ausbildung von Katodenkanälen zwischen dem ersten Strömungsfeldabschnitt und einer ersten Gasdiffusionsschicht und einen ersten Stegabschnitt zur Ausbildung von Kühlmittelkanälen. Eine Anoden-Bipolarplatte hat einen zweiten Strömungsfeldabschnitt zur Ausbildung von Anodenkanälen zwischen dem zweiten Strömungsfeldabschnitt und einer zweiten Gasdiffusionsschicht und einen zweiten Stegabschnitt zur Ausbildung von Kühlmittelkanälen. Die Katodenkanäle haben eine verschränkte Kanalstruktur und die Anodenkanäle haben eine parallele Kanalstruktur. Eine Lufteinlassöffnung ist entlang einer der zwei langen Randabschnitte einer Reaktionszone in den Katoden- und Anoden-Bipolarplatten ausgebildet. Eine Luftauslassöffnung ist entlang des anderen der zwei langen Randabschnitte der Reaktionszone ausgebildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle, die zur gleichmäßigen Energieerzeugung in der gesamten Reaktionszone imstande ist, die Grenzstromdichte und Leistungsdichte erhöht und die Leistung sowie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert.
HINTERGRUND
Eine Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) erzeugt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff (oder Luft) als Oxidansgas, die Reaktionsgase.
Die PEMFC hat einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Stromdichte, eine hohe Leistungsdichte, eine kurze Anlaufzeit und eine schnelles Ansprechen bei Lastwechseln im Vergleich zu anderen Typen von Brennstoffzellen. Deshalb wird die PEMFC für verschiedene Anwendung eingesetzt, wie als Energiequelle für emissionsfreie Fahrzeuge, als unabhängige Energieanlage und als Energiequelle für militärische Zwecke.
Im Allgemeinen werden Brennstoffzellen in einer Stapelstruktur angeordnet und zusammengebaut, um das erforderliche Energieniveau erfüllen zu können. Folglich sind auch Brennstoffzellen in einem Fahrzeug als Stapelstruktur eingebaut, in der einige hundert Zellen zur Erfüllung des geforderten hohen Energieniveaus gestapelt sind.
Eine Membran-Elektrodenbaugruppe (MEA) ist in der Mitte jeder Zelleneinheit des Brennstoffzellenstapels positioniert. Die MEA enthält eine Festpolymer-Elektrolytmembran, durch die Wasserstoffkationen (Protonen) wandern, und eine katalytische Elektrode, die durch Aufbringen von Katalysatoren auf zwei Oberflächen der Elektrolytmembran hergestellt wird. Das heißt, die katalytische Elektrode enthält eine Anode (Wasserstoffelektrode) und eine Katode (Luftelektrode).
Außerdem sind eine Gasdiffusionsschicht (GDL), eine Dichtung zur Verhinderung von Gasleckage usw. an der Außenseite der MEA gestapelt, nämlich an Außenabschnitten, wo sich die Anode und die Katode befinden. Eine Bipolarplatte hat Strömungsfelder, durch die Reaktionsgase, Kühlmittel und Wasser, das durch die Reaktion entsteht, strömen und steht mit einer Außenseite der GDL in Verbindung.
Gemäß der oben beschriebenen herkömmlichen Technik findet eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs als Brennstoff in der Anode des Brennstoffzellenstapels statt, bei der Wasserstoffionen und -elektronen entstehen. Die erzeugten Wasserstoffionen und -elektronen wandern durch die Elektrolytmembran bzw. die Bipolarplatte zur Katode.
Somit wird durch den Elektronenfluss elektrische Energie erzeugt, und Wasser und Wärme werden in der Katode durch die elektrochemische Reaktion, an der die Wasserstoffionen und -elektronen von der Anode und der Luftsauerstoff beteiligt sind, erzeugt.
Die Bipolarplatte unterteilt die Zelleneinheiten im Brennstoffzellenstapel und dient gleichzeitig als Strompfad (ein Pfad zum Transport der erzeugten elektrischen Energie) zwischen den Zelleneinheiten. Die in der Bipolarplatte ausgebildeten Strömungsfelder dienen als Pfad zum Leiten der Reaktionsgase zur GDL, für das Kühlmittel und zum Ausleiten von Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion entsteht, durch die GDL nach außen.
Eine derartige Bipolarplatte enthält eine Graphit-Bipolarplatte aus einem Graphitmaterial und eine metallische Bipolarplatte aus einem Metallmaterial wie Edelstahl. Derzeit wird aktiv an einer Studie gearbeitet, die unter den Gesichtspunkten der Bearbeitbarkeit und Massenproduktion prüft, ob die Graphit-Bipolarplatte durch die metallische Bipolarplatte ersetzt werden kann.
Bei gepressten metallischen Bipolarplatten ist es jedoch schwierig, komplexe Formen herzustellen. Dazu wird für eine metallische Bipolarplatte ein dünnes Plattenmaterial verwendet und deshalb können Dicke und Gewicht der Bipolarplatte sowie das Volumen der Zelleneinheit verringert werden.
Nach der Herstellung von Bipolarplatten durch Ausbilden von Relief-/Tiefdruckmustern in einem Metallplattenmaterial durch Formpressen werden im Allgemeinen zwei Bipolarplatten miteinander verbunden. Kühlmittel fließt in einem Kanalraum, der durch den Kontakt der Bipolarplatten definiert wird, und GDL werden auf zwei Seiten der Bipolarplatten aufgebracht, so dass Wasserstoff und Sauerstoff in jeweiligen Kanalräumen zwischen den GDL und den Bipolarplatten zum Transport der Reaktionsgase fließen.
1 ist eine Draufsicht, die eine typische metallische Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle zeigt. Wie in 1 dargestellt hat eine Bipolarplatte 10 im Allgemeinen eine rechteckige Form. Die Bipolarplatte 10 hat eine Reaktionszone 11 mit Strömungsfeldern für Luft, Wasserstoff und Kühlmittel. Gegenüberliegende Endabschnitte der Reaktionszone 11 haben Einlassöffnungen 12, 14, und 16 und Auslassöffnungen 13, 15, und 17, durch die Luft, Wasserstoff und Kühlmittel ein- bzw. austreten.
Angefeuchtete Luft und Wasserstoff werden von einer externen Quelle eines Stapels durch die Luft- und Wasserstoff-Einlassöffnungen 12 und 14 als Reaktionsgase für den Betrieb der Brennstoffzelle zugeführt. In der Brennstoffzelle erzeugtes gasförmiges oder flüssiges Wasser und die zugeführten Reaktionsgase werden durch die Luft- und Wasserstoff-Auslassöffnungen 13 und 15 aus dem Stapel nach außen geleitet.
Das heißt, die Reaktionsgase und das in der Zelle erzeugte Wasser werden durch die Luftauslassöffnung 13 und die Reaktionsgase und das Wasser, das in einer Katode erzeugt wird und dann eine Elektrolytmembran zu einer Anode durchdringt, werden durch die Wasserstoff-Auslassöffnung 15 ausgeleitet.
In jeder Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels werden die Reaktionsgase (die Luft einschließlich des Wasserstoffs als Brenngas und des Sauerstoffs als Oxidansgas) und das Kühlmittel, die durch die Einlassöffnungen 12, 14, und 16 zugeführt werden, zu den Strömungsfeldern (Katoden-/Anoden-/Kühlmittelkanälen) jeder Zelle zur Reaktion und Kühlung verteilt. Dann werden die Reaktionsgase und das Kühlmittel in den Auslassöffnungen 13, 15, und 17 zusammengeführt und aus dem Stapel ausgeleitet wie in 2 dargestellt.
Die 3A und 3B sind Schnittansichten der Brennstoffzelle, die einen Katodenkanal und einen Anodenkanal zeigen, durch die Reaktionsgase strömen, sowie einen Kühlmittelkanal. Das Bezugszeichen 21 kennzeichnet eine MEA mit einer katalytischen Schicht (einer katalytischen Elektrode, d. h. eine Katode und eine Anode).
Hier ist jeder Abschnitt, in dem die Bipolarplatte 10 mit der GDL 22 in Kontakt steht, ein Stegabschnitt 10a und jeder Abschnitt, in dem eine Bipolarplatte in Kontakt mit einer anderen Bipolarplatte steht, ist ein Kanalabschnitt 10b.
Außerdem sind durch den Kanalabschnitt 10b ausgebildete Strömungsfelder Kanäle, durch die die Reaktionsgase strömen, nämlich ein Katodenkanal (Luftkanal) 11a, durch den Luft (Sauerstoff) strömt, und ein Anodenkanal (Wasserstoffkanal) 11b, durch den Wasserstoff strömt. Ein durch den Stegabschnitt 10a ausgebildetes Strömungsfeld ist ein Kühlmittelkanal 11c, durch den Kühlmittel strömt.
Die Strömungsfelder der Bipolarplatte werden in den Katodenkanal 11a, den Anodenkanal 11b und den Kühlmittelkanal 11c eingeteilt, in denen Luft, Wasserstoff und Kühlmittel parallel zu den Strömungsfeldern der Bipolarplatte strömen. Die durch Bearbeiten eines Metallmaterials mittels einer Presse hergestellte Bipolarplatte verursacht aufgrund der Form der Bipolarplatte selbst Einschränkungen bei Ausführung.
Die Strömungsfelder der metallischen Bipolarplatte sind auf verschiedene Weise ausgebildet, da komplexe Formen schwer zu verwirklichen sind, aber das Strömungsfeldmuster hat die gleiche Form wie eine typische Kanalform.
Das heißt, die Strömungsfelder, durch die die Reaktionsgase strömen, haben Relief- und Tiefdruckmuster auf dem ebenen und dünnen Plattenmetallmaterial, und das Kühlmittel oder andere Gase strömen durch die auf der gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildeten Strömungsfelder.
Außerdem hat die herkömmliche Bipolarplatte im Allgemeinen lange Kanäle, die parallel in der gesamten Reaktionszone angeordnet sind, oder schräge Strömungsfelder.
Die Bipolarplatte hat Vor- und Nachteile bezüglich Leistung, Druckeigenschaften und Ableiteigenschaften in Abhängigkeit von der Ausführung der Strömungsfelder der Bipolarplatte. Allerdings sind die Strömungsfelder mit einem rechteckigen Querschnitt, einem trapezförmigen Querschnitt oder einem ähnlichen Querschnitt gemeinsam in einem der Reaktionszone der Bipolarplatte entsprechenden Abschnitt so ausgebildet, dass die Reaktionsgase zugeführt werden können.
Die Bipolarplatte hat einen Abschnitt, in dem Strömungsfelder ausgebildet sind, und einen anderen Abschnitt, in dem keine Strömungsfelder ausgebildet sind. Der Abschnitt, in dem Strömungsfelder ausgebildet sind, ist ein Strömungsfeldabschnitt (mit den obigen Kanälen) mit den Strömungsfeldern für die Reaktionsgase und der andere Abschnitt, in dem keine Strömungsfelder ausgebildet sind, ist ein Stegabschnitt.
Der Strömungsfeldabschnitt unterscheidet sich typischerweise vom Stegabschnitt der Bipolarplatte. Die Diffusionsmenge des Gases zur GDL variiert aufgrund des unterschiedlichen Durchsatzes zwischen dem Strömungsfeldabschnitt und dem Stegabschnitt. Diese Ungleichmäßigkeit verursacht eine Konzentrationsdifferenz zwischen dem Strömungsfeldabschnitt und dem Stegabschnitt in der MEA, in der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Deshalb kann wegen der Differenz der elektrochemischen Reaktion eine gleichmäßige Energieerzeugung in der gesamten Reaktionszone kaum erwartet werden.
Bei der herkömmlichen Bipolarplatte die Reaktionsgase wie Luft und Wasserstoff senkrecht zu der Richtung, in der die Substanzen zur katalytischen Schicht transportiert werden, wo die elektrochemische Reaktion stattfindet. Aus diesem Grund hat die Bipolarplatte den Nachteil, dass die Substanzen zur katalytischen Schicht nur in Abhängigkeit von der Konzentrationsdifferenz und der Partialdruckdifferenz zwischen den Kanäen 11a und 11b und der MEA 21 geleitet werden.
Das heißt, da die Strömungsrichtung der Reaktionsgase senkrecht zur Richtung verläuft, in der die Substanzen zur katalytischen Schicht, in der die elektrochemische Reaktion stattfindet, transportiert werden, werden die Substanzen durch die GDL 22 zur katalytischen Schicht nur durch Diffusion aufgrund der Druckdifferenz am Einlass und Auslass zwischen den Strömungsfeldkanälen 11a und 11b für das Reaktionsgas und der Konzentrationsdifferenz zwischen den Kanälen 11a und 11b und der katalytischen Schicht transportiert.
Dieses Verfahren ist ein passives Transferverfahren, was die Zufuhr der Reaktionsgase zu einem erforderlichen Abschnitt betrifft. Deshalb ist es schwierig, die Substanzen durch die Strömung in der Bipolarplatte zur katalytischen Schicht zu transportieren.
Deshalb sinkt die Grenzstromdichte der Brennstoffzelle und somit kann sich die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtern. Außerdem kann die Leistung der Brennstoffzelle in einem Hochenergieabschnitt nicht verbessert werden, und das als Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion erzeugte Wasser ist schwer auszuleiten, da sich Wasser in GDL schwer entfernen lässt.
Da ferner die für die elektrochemische Reaktion erforderliche Reaktionsgaskonzentration nicht zur katalytischen Schicht im hinteren Endabschnitt (dem Auslassabschnitt) des Strömungsfeldkanals übertragen wird, kann ein Leistungsverlust auftreten.
Die obigen Ausführungen dieses Hintergrund-Abschnitts dienen nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die nicht Bestandteil des hierzulande dem Durchschnittsfachmann bereits bekannten Standes der Technik bilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung ist in dem Bestreben erarbeitet worden, die oben beschriebenen Probleme im Stand der Technik zu lösen.
Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle bereit, die zur gleichmäßigen Energieerzeugung in der gesamten Reaktionszone imstande ist, die Grenzstromdichte und Leistungsdichte erhöht und die Leistung sowie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert.
Bei einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle bereit, die die Fähigkeit der Wasserausleitung aus einer Gasdiffusionsschicht (GDL) und den thermischen Wirkungsgrad durch Vergrößern der Kontaktzone mit dem Kühlmittel verbessern kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält eine Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle eine Katoden-Bipolarplatte mit einem ersten Strömungsfeldabschnitt, der Katodenkanäle zwischen dem ersten Strömungsfeldabschnitt und einer ersten Gasdiffusionsschicht bildet, und einem ersten Stegabschnitt, der Kühlmittelkanäle in einem Zustand bildet, in der der erste Stegabschnitt mit der ersten Gasdiffusionsschicht in Verbindung steht. Eine Anoden-Bipolarplatte hat einen zweiten Strömungsfeldabschnitt, der Anodenkanäle zwischen dem zweiten Strömungsfeldabschnitt und einer zweiten Gasdiffusionsschicht bildet und einen zweiten Stegabschnitt, der Kühlmittelkanäle in einem Zustand bildet, in dem der zweite Stegabschnitt mit der zweiten Gasdiffusionsschicht in Verbindung steht. Die Katodenkanäle haben eine verschränkte Kanalstruktur, und die Anodenkanäle haben eine parallele Kanalstruktur, in denen Strömungsfeder parallel zueinander angeordnet sind. Eine Lufteinlassöffnung ist entlang einer der zwei langen Randabschnitte einer Reaktionszone in der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte ausgebildet, in der der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt sowie der erste und zweite Stegabschnitt ausgebildet sind. Eine Luftauslassöffnung ist entlang des anderen der zwei langen Randabschnittes der Reaktionszone ausgebildet. Die Längsrichtung jedes der Katodenkanäle ist die Breitenrichtung der Reaktionszone.
Eine Wasserstoff-Einlassöffnung kann entlang einer der zwei kurzen Randabschnitte der Reaktionszone in der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte ausgebildet sein, und eine Wasserstoff-Auslassöffnung kann entlang der anderen der zwei kurzen Randabschnitte ausgebildet sein.
Die Längsrichtung jedes der Katodenkanäle kann sich mit der Längsrichtung jedes der Anodenkanäle schneiden.
Die Längsrichtung jedes der Anodenkanäle kann die Längsrichtung der Reaktionszone sein, so dass die Längsrichtung jedes der Katodenkanäle senkrecht zur Längsrichtung jedes der Anodenkanäle verläuft.
Wenn Oberflächen des ersten und des zweiten Stegabschnitts jeweils mit der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht zweier benachbarter Brennstoffzellen in Verbindung stehen, werden Kühlmittelkanäle in gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Stegabschnitte in Zickzackform ausgebildet, so dass sich Längspfade und Querpfade der Kühlmittelkanäle abwechselnd wiederholen.
Der erste Stegabschnitt kann eine Zickzackform haben, in dem sich ein Längs- und ein Querabschnitt abwechselnd wiederholen.
Mindestens ein Abschnitt des ersten Stegabschnitts kann eine geschlossene Form haben, um eine Mehrzahl umschlossener Strömungsfeldabschnitte zu bilden, die den gesamten Umfang jedes umschlossenen Strömungsfeldabschnitts in dem Zustand umschließen, in dem der erste Stegabschnitt mit der ersten Gasdiffusionsschicht in Verbindung steht.
Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen können in Eckabschnitten der Reaktionszone ausgebildet sein.
Eine Lufteinlassöffnung kann entlang eines mittleren Abschnitts zwischen der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Längsrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatten ausgebildet sein. Luftauslassöffnungen können an zwei langen Randabschnitten der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Längsrichtung der jeweiligen Bipolarplatten ausgebildet sein. Reaktionszonen, in denen der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt und der erste und zweite Stegabschnitt ausgebildet sind, können jeweils zwischen einer der Luftauslassöffnungen und der Lufteinlassöffnung und zwischen der anderen der Luftauslassöffnungen und der Lufteinlassöffnung im mittleren Abschnitt ausgebildet sein.
Eine Lufteinlassöffnung kann entlang einer der zwei langen Randabschnitte der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Längsrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatte ausgebildet sein. Eine Luftauslassöffnung kann entlang der anderen der langen Randabschnitte in Längsrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatte ausgebildet sein. Eine Wasserstoff-Einlassöffnung kann an einer der zwei kurzen Randabschnitte der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Breitenrichten der Katoden- und Anoden-Bipolarplatte ausgebildet sein. Eine Wasserstoff-Auslassöffnung kann am anderen kurzen Randabschnitt in Breitenrichten der Katoden- und Anoden-Bipolarplatte ausgebildet sein. Eine Reaktionszone, in der der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt ausgebildet sind, kann von den Lufteinlass- und -auslassöffnungen und den Wasserstoff-Einlass- und -Auslassöffnungen umgeben sein.
Jede der Katoden-Bipolarplatten und der Anoden-Bipolarplatten kann eine metallische Bipolarplatte sein, bei der der erste und zweite Stegabschnitt sowie der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt durch Pressen hergestellt werden.
Andere Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt sind, nachstehend ausführlich beschrieben und schränken somit die vorliegende Offenbarung nicht ein.
1 ist eine Draufsicht einer herkömmlichen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der herkömmlichen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel und die Richtung einer Fluidströmung.
3A und 3B sind Schnittansichten einer Zelle, die einen Katodenkanal und einen Anodenkanal zeigen, durch die Reaktionsgase strömen, und einen Kühlmittelkanal im herkömmlichen Brennstoffzellenstapel.
4 ist eine Draufsicht einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts.
5A bis 5C sind Draufsichten, die jeweils Katodenkanäle, Anodenkanäle und Kühlmittelkanäle in der Bipolarplatte gemäß der Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts zeigen.
6A bis 6D sind Draufsichten einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldstruktur derselben gemäß einer anderen Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts.
7A bis 7D sind Draufsichten einer Bipolarplatte für Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldstruktur derselben gemäß einer anderen Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts.
8A bis 8D sind Draufsichten, die verschiedene Beispiel zeigen, bei denen die Positionen der Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen in der Bipolarplatte gemäß des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts verändert sind.
Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstäblich sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung der verschiedenen Merkmale zeigen, die für die Grundlagen der Erfindung beispielhaft sind. Die hierin offenbarten spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung die z. B. bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen umfassen, werden zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort bestimmt.
In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts ausführlich erläutert, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und nachstehend beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass sich die vorliegende Beschreibung der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen abdecken, die von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erfasst werden.
Da die herkömmliche Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle wie oben beschrieben die Substanzen nur durch Diffusion der Reaktionsgase zur katalytischen Schicht transportiert, ist eine gleichmäßige Energieerzeugung in der gesamten Reaktionszone aufgrund der ungleichmäßigen Gaskonzentration zwischen dem Strömungsfeldabschnitt und dem Stegabschnitt schwierig, die Grenzstromdichte ist niedrig und die Fähigkeit der Wasserausleitung aus der GDL sowie die Leistung im Hochenergieabschnitt können kaum verbessert werden.
Da die Bipolarplatte der vorliegenden Offenbarung dagegen eine verschränkte Kanalstruktur hat, können die obigen Nachteile überwunden werden. Außerdem kann der Raum zur gleichmäßigen Verteilung der Reaktionsgase und des Kühlmittels aus den Einlassöffnungen durch die neue Kanalstruktur minimiert werden und zur Verbesserung des Brennstoffzellenwirkungsgrades und der Leistungsdichte beitragen.
4 ist eine Draufsicht einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts. Wie die Zeichnung zeigt, kann eine Bipolarplatte 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine metallische Bipolarplatte sein, die durch Formpressen (Stanzen) in eine rechteckige Form gebracht wird. Die Bipolarplatte (eine später zu beschreibende Katoden-Bipolarplatte und eine Anoden-Bipolarplatte) 10 enthält eine Lufteinlassöffnung 12, die sich in Längsrichtung der Bipolarplatte 10 entlang einem mittleren Abschnitt derselben erstreckt, um Katodenkanälen in einer zugehörigen Reaktionszone 11 Luft zuzuführen. Eine Luftauslassöffnung 13 erstreckt sich in Längsrichtung der Bipolarplatte 10 entlang jedes der beiden langen Randabschnitte derselben und leitet die die Katodenkanäle passierende Luft aus.
Die Lufteinlassöffnung 12 und die Luftauslassöffnung 13 bilden miteinander kommunizierende Luftpfade, die ein Lufteinlass und ein Luftauslass sind, durch die Luft in einem Zustand, in dem der Brennstoffzellenstapel durch Stapeln von Zellen mit der Bipolarplatte 10 zusammengebaut ist, zu jeder Bipolarplatte 10 geführt bzw. daraus ausgeleitet wird.
Außerdem sind Wasserstoff-Einlass- und -Auslassöffnungen 14 und 15 und Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen 16 und 17 in beiden kurzen Randabschnitten der Bipolarplatte 10 ausgebildet. Die Wasserstoff- Einlassöffnungen 14 und die Kühlmittel-Einlassöffnungen 16 sind in einem der kurzen Randabschnitte ausgebildet, um den Anodenkanälen und Kühlmittelkanälen in den jeweiligen Reaktionszonen 11 Wasserstoff und Kühlmittel zuzuführen. Die Wasserstoff-Auslassöffnungen 15 und die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 sind im anderen der kurzen Randabschnitte ausgebildet, um den die jeweiligen Anodenkanäle und Kühlmittelkanäle passierenden Wasserstoff und das Kühlmittel auszuleiten.
Die Wasserstoff-Einlassöffnung 14 und die Wasserstoff-Auslassöffnung 15 erstrecken sich in Breitenrichtung jeder Reaktionszone 11 entlang jedem kurzen Randabschnitt. In diesem Fall befinden sich die Kühlmittel-Einlassöffnung 16 und die Kühlmittel-Auslassöffnung 17 in Eckabschnitten am Umfang jeder Reaktionszone 11.
Ähnlich wie die Lufteinlass- und -auslassöffnungen 12 und 13 bilden die Wasserstoff-Einlassöffnung 14 und die Wasserstoff-Auslassöffnung 15 miteinander kommunizierende Wasserstoffpfade, die ein Wasserstoffeinlass und ein Wasserstoffauslass sind, durch die Wasserstoff in dem Zustand, in dem die Bipolarplatten 10 des Brennstoffzellenstapels gestapelt sind, jeder Bipolarplatte 10 zugeführt bzw. daraus ausgeleitet wird.
Außerdem bilden die Kühlmittel-Einlassöffnung 16 und die Kühlmittel-Auslassöffnung 17 miteinander kommunizierende Kühlmittelpfade, die ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittel-Auslassöffnung sind, durch die Kühlmittel in dem Zustand, in dem die Bipolarplatten 10 des Brennstoffzellenstapels gestapelt sind, zu jeder Bipolarplatte 10 geführt bzw. daraus ausgeleitet wird.
Dementsprechend ist bei der Bipolarplatte 10 der vorliegenden Offenbarung der Abstand zwischen der Lufteinlassöffnung 12 und jeder der Luftauslassöffnungen 13 kürzer als der Abstand zwischen der Wasserstoff-Einlassöffnung 14 und der Wasserstoff Auslassöffnung 15, wie in 4 dargestellt ist. Deshalb ist jeder der Katodenkanäle, die die Luft vom mittleren Abschnitt der Bipolarplatte 10 zum langen Randabschnitt der Bipolarplatte 10 transportieren, kürzer als jeder der Anodenkanäle, die den Wasserstoff von einem der kurzen Randabschnitte zum anderen bewegen.
Da sich außerdem die Lufteinlassöffnung 12 im mittleren Abschnitt der Bipolarplatte 10 befindet, wird die durch die Lufteinlassöffnung 12 im mittleren Abschnitt eintretende Luft in beide Richtungen geteilt und strömt dann durch die Katodenkanäle in der zugehörigen Reaktionszone 11 zu den Luftauslassöffnungen 13, die jeweils in den beiden kurzen Randabschnitten der Bipolarplatte 10 ausgebildet sind.
Somit ist die Reaktionszone 11, in der eine elektrochemische Reaktion der Brennstoffzellen stattfindet, in zwei Zonen bezüglich der Lufteinlassöffnung 12 im mittleren Abschnitt der Bipolarplatte 10 geteilt.
Da sich die die Einlass- und Auslassöffnungen 12, 13, 14, und 15 in den Randabschnitten der Reaktionszone 11 befinden, strömen die Luft und der Wasserstoff in zueinander senkrechten Richtungen. Das Kühlmittel strömt dabei in verschiedenen Richtungen, etwa in Längs- und Querrichtung.
Außerdem enthält die Bipolarplatte 10 der vorliegenden Offenbarung zwei Typen von Bipolarplatten 10, um die Katodenkanäle als Luft-Strömungsfelder, die Anodenkanäle als Wasserstoff-Strömungsfelder und die Kühlmittelkanäle als Kühlmittel-Strömungsfelder im Brennstoffzellenstapel auszubilden. Das heißt, die Bipolarplatte 10 enthält eine Katoden-Bipolarplatte, die die Katodenkanäle und die Kühlmittelkanäle bildet, und eine Anoden-Bipolarplatte, die die Anodenkanäle und die Kühlmittelkanäle bildet.
Die Katoden-Bipolarplatte hat die gleiche Konfiguration wie die Anoden-Bipolarplatte bezüglich der Positionen und Formen der Lufteinlass- und -auslassöffnungen 12 und 13, der Wasserstoff-Einlass- und -Auslassöffnungen 14 und 15 und der Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen 16 und 17.
Beim Ausführungsbeispiel hat jedoch die Katoden-Bipolarplatte eine verschränkte Kanalstruktur und die Anoden-Bipolarplatte eine parallele Kanalstruktur, bei der die Anodenkanäle parallel zueinander angeordnet sind.
Die 5A bis 5C sind Draufsichten des Abschnitts ”A” in 4, die die Katodenkanäle, die Anodenkanäle bzw. die Kühlmittelkanäle in der Bipolarplatte gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen.
Wie in 5A dargestellt enthält die Katoden-Bipolarplatte mit der verschränkten Kanalstruktur einen Strömungsfeldabschnitt, der mit Relief- und Tiefdruckmustern versehen ist und Strömungsfelder bildet, und einen Stegabschnitt, der mit einer GDL in Verbindung steht. Der Strömungsfeldabschnitt im Brennstoffzellenstapel bildet Luft-Strömungsfelder, d. h. die Katodenkanäle, so dass Luft als Oxidansgas zwischen dem Strömungsfeldabschnitt und der GDL strömt.
Bei einer bestimmten Ausführungsform hat der Stegabschnitt einen Zickzackpfad, bei dem sich ein Längs- und Querabschnitt abwechselnd ständig wiederholen. Wenn die Katoden-Bipolarplatte mit der Anoden-Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel in einem Zustand in Verbindung gebracht wird, in dem eine Oberfläche des Stegabschnitts mit der GDL in Verbindung steht, werden die Kühlmittelkanäle in einer anderen Oberfläche des Stegabschnitts der Katoden-Bipolarplatte ausgebildet.
Wie in 5B dargestellt enthält die Anoden-Bipolarplatte mit der parallelen Kanalstruktur außerdem einen Strömungsfeldabschnitt, der mit Relief- und Tiefdruckmustern versehen ist und Strömungsfelder bildet, und einen mit der GDL in Verbindung stehenden Stegabschnitt. In diesem Fall erstrecken sich der Strömungsfeldabschnitt und der Stegabschnitt parallel zueinander.
Der Strömungsfeldabschnitt der Anoden-Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel bildet Wasserstoff-Strömungsfelder, d. h. die Anodenkanäle, so dass Wasserstoff als Brenngas zwischen dem Strömungsfeldabschnitt und der GDL strömt. Wenn die Katoden-Bipolarplatte mit der Anoden-Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel in einem Zustand in Verbindung gebracht wird, in dem eine Oberfläche des Stegabschnitts mit der GDL in Verbindung steht, werden die Kühlmittelkanäle in der anderen Oberfläche des Stegabschnitts der Anoden-Bipolarplatte ausgebildet.
Dementsprechend haben die Kühlmittelkanäle im Brennstoffzellenstapel eine multidirektionale Strömungsfeldstruktur, bei der sich Strömungsfelder in Längsrichtung mit Strömungsfeldern in Querrichtung schneiden, wie in 5C dargestellt ist.
Außerdem sind in dem Zustand, in dem die Katoden-Bipolarplatte mit der Anoden-Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel in Verbindung steht, die Katodenkanäle als die Luft-Strömungsfelder in einer Oberfläche des Strömungsfeldabschnitts der Katoden-Bipolarplatte und die Anodenkanäle als die Wasserstoff-Strömungsfelder in einer Oberfläche des Strömungsfeldabschnitts der Anoden-Bipolarplatte ausgebildet. Hier stehen andere Oberflächen der Strömungsfeldabschnitte der beiden Bipolarplatten miteinander in Verbindung.
Außerdem hat die Katoden-Bipolarplatte mit der verschränkten Kanalstruktur wie oben beschrieben einen Einlass und einen Auslass, die voneinander getrennt sind, und Luft als Reaktionsgas strömt quer durch die GDL zwischen den Kanälen (Strömungsfeldabschnitt).
Wenn die Katoden-Bipolarplatte mit der Anoden-Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel in Verbindung steht, erstreckt sich der Strömungsfeldabschnitt der Katoden-Bipolarplatte senkrecht zum Strömungsfeldabschnitt der Anoden-Bipolarplatte. Demnach verlaufen die Längsrichtung jedes Katodenkanals (die Längsrichtung jeder Bipolarplatte und Reaktionszone) und die Längsrichtung jedes Anodenkanals (die Längsrichtung jeder Bipolarplatte und Reaktionszone), die durch die Strömungsfeldabschnitte der jeweiligen Bipolarplatten gebildet werden, senkrecht zueinander. Die Strömungsrichtungen von Luft und Wasserstoff zwischen der GDL und der MEA verlaufen ebenfalls senkrecht zueinander.
Da sich die Stegabschnitte der beiden Bipolarplatten senkrecht zueinander erstrecken, wenn die Katoden-Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel mit der Anoden-Bipolarplatte in Verbindung steht, strömt das Kühlmittel zwischen den Bipolarplatten 10 in jede mögliche Längs- und Querrichtung. In diesem Fall kann das Kühlmittel entlang einem Zickzackpfad strömen, der so ausgebildet ist, dass sich ein Längs- und Querpfad abwechselnd ständig wiederholen.
Bei der oben beschriebenen Bipolarplatte 10 ist die Reaktionszone 11 in zwei Zonen bezogen auf die Lufteinlassöffnung 12 im mittleren Abschnitt eine Zelle geteilt, und die Einlass- und Auslassöffnungen 12, 13, 14, 15, 16 und 17 befinden sich entlang den Randabschnitten der jeweiligen Reaktionszonen 11, wie in 4 dargestellt ist. Es ist deshalb nicht erforderlich, einen getrennten Zweigkanalabschnitt zur gleichmäßigen Verteilung der Kanäle auszubilden, und damit kann die Leistungsdichte verbessert werden.
Die Zelleneinheit kann zwei Reaktionszonen 11 enthalten, indem die Lufteinlassöffnung 12 im mittleren Abschnitt in der Bipolarplatte 10 ausgebildet wird. Die Positionen und Formen der Reaktionszonen 11 und der Lufteinlass- und -auslassöffnungen 12 und 13 können auf verschiedene Weise geändert werden.
Außerdem befinden sich die Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen 16 und 17 in Eckabschnitten bezogen auf die jeweiligen rechteckigen Reaktionszonen 11. Die Wasserstoff-Einlass- und -Auslassöffnungen 14 und 15 befinden sich jeweils in den kurzen Seiten der zugehörigen Reaktionszone 11, und die Lufteinlass- und -auslassöffnungen 12 und 13 befinden sich jeweils in den langen Seiten der zugehörigen Reaktionszone 11.
Demnach wird das Kühlmittel durch die Eckabschnitte an einer Seite der Reaktionszone 11 zugeführt, das heißt, das Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Einlassöffnungen 16 an beiden Seiten jeder Wasserstoff-Einlassöffnung 14 zugeführt und passiert dann die Kühlmittel-Strömungsfelder (Kanäle) mit Zickzackform zwischen den Bipolarplatten 10. Dann wird das Kühlmittel durch die Eckabschnitte an der anderen Seite der Reaktionszone 11 ausgeleitet, das heißt, das Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 an beiden Seiten jeder Wasserstoff-Auslassöffnung 15 ausgeleitet.
Bei der verschränkten Kanalstruktur der vorliegenden Offenbarung, verlaufen die Wasserstoff-Strömungsfelder (Wasserstoffkanäle oder Anodenkanäle) und die Luft-Strömungsfelder (Luftkanäle oder Katodenkanäle) senkrecht zueinander anstatt in der gleichen Richtung. Die Länge jedes Luft-Strömungsfeldes in der verschränkten Kanalstruktur ist so kurz, so dass sie in etwa der Breite der Reaktionszone der Bipolarplatte 10 entspricht.
Wenn die Kanallänge der verschränkten Kanalstruktur zunimmt, steigt die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass für die Reaktionsgase in der Bipolarplatte 10 und der Strömungseffekt der zwischen den Kanälen die GDL durchquerenden Reaktionsgase wird abgeschwächt. Damit wird die Leistung der verschränkten Kanäle verringert.
Insbesondere wenn die Kanallänge der verschränkten Kanalstruktur lang ist, ergibt sich eine ähnliche Leistung wie bei der üblichen parallelen Kanalstruktur und die Grenzstromdichte sowie die Fähigkeit der Wasserausleitung aus der GDL lassen sich nur schwer erhöhen bzw. verbessern.
Wenn dagegen die Kanallänge der verschränkten Kanalstruktur kurz ist, nehmen die Leistung und die Leistungsdichte zu.
Mit kürzerer Kanallänge der verschränkten Kanalstruktur verstärkt sich der Konvektionseffekt durch die GDL zwischen den Kanälen. Deshalb kann die Grenzstromdichte maximiert werden.
Wenn im Hinblick darauf verschränkte Kanäle der Bipolarplatte 10 in Richtung der kurzen Seite der rechteckigen Reaktionszone 11 der Bipolarplatte 10 für die Brennstoffzelle mit der Reaktionszone 11 mit langen und kurzen Seiten vorgesehen werden, kann die Grenzstromdichte im Vergleich zu der des üblichen parallelen Kanals deutlich erhöht werden. Folglich wird auch die Leistungsdichte erhöht und deshalb kann die Leistung des Stapels verbessert und die Größe des Stapels verringert werden.
Dementsprechend sind bei der vorliegenden Offenbarung die Lufteinlassöffnung 12 und die Luftauslassöffnungen 13 entlang den langen Randabschnitten der Reaktionszone 11 der Bipolarplatte 10 ausgebildet. Die Luft-Strömungsfelder haben die verschränkten Kanäle, und die Strömungsrichtung der Luft ist senkrecht (die Breitenrichtung der Reaktionszone) zur Strömungsrichtung des Wasserstoffs (die Längsrichtung der Reaktionszone) eingestellt. Die Länge jedes Luftkanals der verschränkten Kanalstruktur ist so kurz, dass in etwa der Breite der Reaktionszone 11 entspricht.
Da außerdem eine ausgeprägte Diffusion von Wasserstoff selbst in den Wasserstoff-Strömungsfeldern stattfindet, besteht zwischen der verschränkten Kanalstruktur und der parallelen Kanalstruktur kein Unterschied. Deshalb sind die Wasserstoff-Strömungsfelder mit parallelen Kanälen mit niedriger Druckdifferenz ausgeführt.
Die Kühlmittel-Strömungsfelder haben die Zickzack Kanalstruktur mittels der Stegabschnitte der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte anstelle der einfachen Parallelstruktur wie in der verwandten Technik, wodurch die Kontaktfläche mit Wasser vergrößert wird.
Dadurch kann die Kühlleistung der Brennstoffzelle erhöht und die gesamte Reaktionszone auf eine gleichmäßige Temperatur eingeregelt werden, indem die Temperaturdifferenz mittels der Wärmeübertragung verringert wird, da die Strömung selbst zwangsläufig Turbulenzeigenschaften aufweist. Deshalb kann die Brennstoffzelle bezüglich des Wärme-Managements effizienter betrieben werden.
Die 6A bis 6D sind Draufsichten einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldstruktur derselben gemäß einer anderen Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts und zeigen Beispiele, bei denen die Bipolarplatte 10 eine Reaktionszone 11 hat.
Wie in den 6A bis 6D dargestellt erstreckt sich eine Lufteinlassöffnung 12 entlang eines der langen Randabschnitte der Bipolarplatte 10 anstatt in einem mittleren Abschnitt derselben in Längsrichtung der Bipolarplatte 10. Eine Luftauslassöffnung 13 erstreckt sich entlang des anderen langen Randabschnitts in Längsrichtung der Bipolarplatte 10.
Die Reaktionszone 11 ist eine in der Mitte angeordnete rechteckige Zone mit Ausnahme der langen und kurzen Randabschnitte der Bipolarplatte 10. Eine verschränkte Kanalstruktur einer Katoden-Bipolarplatte und eine parallele Kanalstruktur einer Anoden-Bipolarplatte sind identisch mit denen der Ausführungsform in 4.
Außerdem besteht kein Unterschied in der Struktur der Luft-Strömungsfelder (Katodenkanäle oder Luftkanäle) und der Wasserstoff-Strömungsfelder (Anodenkanäle oder Wasserstoffkanäle), der durch einen Stegabschnitt gebildeten Struktur der Kühlmittel-Strömungsfelder (Kühlmittelkanäle), der Strömungsrichtung von Wasserstoff als Brenngas und der Strömungsrichtung von Luft einschließlich Sauerstoff als Oxidansgas.
Allerdings unterscheidet sich die Ausführungsform von 6A von der obigen Ausführungsform in 4, bei der zwei Reaktionszonen 11 ausgebildet sind, aber nur eine Reaktionszone 11 in der Ausführungsform von 6A. Ferner wird die durch die Lufteinlassöffnung 12 im mittleren Abschnitt zugeführte Luft zu beiden Seiten verteilt und aus den zwei Luftauslassöffnungen 13 in der Ausführungsform von 4 ausgeleitet, aber die durch die Lufteinlassöffnung 12 an einer langen Seite zugeführte Luft wird in Breitenrichtung der Bipolarplatte 10 (in Breitenrichtung der Reaktionszone) transportiert und dann durch die Luftauslassöffnung 13 an der anderen langen Seite der Ausführungsform von 6A ausgeleitet.
Die 7A bis 7D sind Draufsichten einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldstruktur derselben gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts. Die vorliegende Ausführungsform der 7A bis 7D unterscheidet sich von der obigen Ausführungsform der 6A bis 6D bezüglich der Luft-Strömungsfeldstruktur einer Katoden-Bipolarplatte, das heißt, die Formen der verschränkten Kanäle und die Formen der von einem Stegabschnitt gebildeten Kühlmittelkanäle als Formen der Katodenkanäle (Luft-Strömungsfelder) variieren.
Die anderen Konfigurationen der Ausführungsform in den 7A bis 7D sind mit Ausnahme des obigen Unterschieds identisch mit denen der Ausführungsform in den 6A bis 6D.
Die Katodenkanäle der Katoden-Bipolarplatte der Ausführungsform in den 7A bis 7D haben eine verschränkte Kanal-Basisstruktur, bei der ein Einlass und ein Auslass für Luft als Reaktionsgas getrennt vorgesehen sind, und Luft die GDL durchquert, wobei sie mit dem Stegabschnitt zwischen den Strömungsfeldern (Kanälen) in Kontakt kommt. Die Form des Stegabschnitts der Ausführungsform der 7A bis 7D unterscheidet sich jedoch von der der Ausführungsformen der 4 bis 6D.
Die Strömungsrichtung der Luft verläuft senkrecht zur Strömungsrichtung des Wasserstoffs in den Ausführungsformen der 4 bis 6D. Bei der Ausführungsform der 7A bis D hat jedoch mindestens ein Abschnitt des mit der GDL in Verbindung stehenden Stegabschnitts eine geschlossene Form in der Katoden-Bipolarplatte und deshalb wird eine Mehrzahl umschlossener Strömungsfeldabschnitte gebildet. Der gesamte Umfang jedes umschlossenen Strömungsfeldabschnitts ist durch den geschlossenen Stegabschnitt zwischen der Katoden-Bipolarplatte und der GDL geschlossen.
In diesem Fall ist der Stegabschnitt so ausgebildet, dass die geschlossenen Strömungsfeldabschnitte seitlich angeordnet sind. Die in den Luft-Einlassabschnitt in den seitlichen Kanälen eingeleitete Luft durchquert die GDL, wobei sie mit dem Stegabschnitt in Kontakt kommt, passiert dann nacheinander benachbarte umschlossene Strömungsfeldabschnitte und strömt dann zu den Luft-Auslassabschnitten in den Kanälen.
Die 8A bis 8D sind Draufsichten, die verschiedene Beispiele zeigen, bei denen die Positionen der Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen in der Bipolarplatte gemäß der vorliegenden Offenbarung geändert sind. Die Konfigurationen der Ausführungsform sind identisch mit denen der obigen Ausführungsformen, mit der Ausnahme, dass die Positionen der Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen 16 und 17 geändert sind.
Wie in den 8A bis 8D dargestellt kann die Temperaturverteilung in der Reaktionszone 11 in Abhängigkeit von den Positionen der Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen 16 und 17 variieren. Wenn sich wie in 8A dargestellt die Kühlmittel-Einlassöffnungen 16 in Ecken der Reaktionszone 11 der kurzen Randabschnitte befinden, wobei jede ein Endabschnitt der langen Seite in Längsrichtung derselben ist, und sich die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 in Ecken der Reaktionszone 11 in den kurzen Randabschnitten befinden, wobei jede ein anderer Endabschnitt der langen Seite in Längsrichtung derselben ist, ist ein Seitenabschnitt, in dem sich die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 in der Reaktionszone 11 befinden, eine Hochtemperaturzone.
In 8 befinden sich die Kühlmittel Einlassöffnungen 16 in einem Endabschnitt der Reaktionszone in deren Breitenrichtung, und die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 befinden sich in einem anderen Endabschnitt. Der Seitenabschnitt, in dem sich die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 in der Reaktionszone 11 befinden, ist ebenfalls eine Hochtemperaturzone.
Im Gegensatz zu 8A sind die Positionen der Kühlmittel-Einlassöffnungen 16 und der Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 in 8C umgekehrt. Im Gegensatz zu 8B sind die Positionen der Kühlmittel-Einlassöffnungen 16 und der Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 in 8D umgekehrt.
In den 8C und 8D ist der Seitenabschnitt, in dem sich die Kühlmittel-Auslassöffnungen 17 in der Reaktionszone 11 befinden, eine Hochtemperaturzone.
Da sich gemäß der vorliegenden Offenbarung die Einlass- und Auslassöffnungen entlang der Randabschnitte der Reaktionszone in der Bipolarplatte für die Brennstoffzelle erstrecken, ist es nicht erforderlich, einen getrennten Zweigkanalabschnitt zur gleichmäßigen Verteilung der Kanäle auszubilden, und damit kann die Leistungsdichte verbessert werden.
Da außerdem verschränkte Kanäle der Bipolarplatte in Richtung der kurzen Seite der rechteckigen Reaktionszone mit langen und kurzen Seiten in der Bipolarplatte für die Brennstoffzelle mit der Reaktionszone verwendet werden, können die Grenzstromdichte und die Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels deutlich erhöht, die Leistung des Stapels verbessert und die Größe des Stapels verringert werden.
Da außerdem die Reaktionsgase zwischen den Kanälen die GDL aufgrund der verschränkten Kanalstruktur durchqueren, kann die Fähigkeit der Wasserausleitung aus der GDL verbessert werden.
Da außerdem die Kühlmittel Strömungsfelder die Zickzack-Kanalstruktur mit den Stegabschnitten der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte anstatt der einfachen Parallelstruktur wie in der verwandten Technik aufweisen, kann die Kontaktfläche mit Wasser vergrößert werden. Dadurch kann die Kühlleistung erhöht und die gesamte Reaktionszone auf eine gleichmäßige Temperatur eingeregelt werden, da die Strömung selbst zwangsläufig Turbulenzeigenschaften aufweist.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass Änderungen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Gültigkeitsbereich in den angefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Bipolarplattenstruktur für eine Brennstoffzelle, aufweisend: eine Katoden-Bipolarplatte mit einem ersten Strömungsfeldabschnitt, um Katodenkanäle zwischen dem ersten Strömungsfeldabschnitt und einer ersten Gasdiffusionsschicht auszubilden, und einem ersten Stegabschnitt, um Kühlmittelkanäle in einem Zustand zu bilden, in dem der erste Stegabschnitt mit der ersten Gasdiffusionsschicht in Verbindung steht; und eine Anoden-Bipolarplatte mit einem zweiten Strömungsfeldabschnitt, um Anodenkanäle zwischen dem zweiten Strömungsfeldabschnitt und einer zweiten Gasdiffusionsschicht zu bilden und einen zweiten Stegabschnitt, um Kühlmittelkanäle in einem Zustand zu bilden, in dem der zweite Stegabschnitt mit der zweiten Gasdiffusionsschicht in Verbindung steht, wobei die Katodenkanäle eine verschränkte Kanalstruktur und die Anodenkanäle eine parallele Kanalstruktur haben, in denen Strömungsfeder parallel zueinander angeordnet sind, wobei eine Lufteinlassöffnung entlang einer der zwei langen Randabschnitte einer Reaktionszone in der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte ausgebildet ist, in der der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt sowie der erste und zweite Stegabschnitt ausgebildet sind, und eine Luftauslassöffnung entlang des anderen der zwei langen Randabschnittes der Reaktionszone ausgebildet ist, und wobei die Längsrichtung jedes der Katodenkanäle die Breitenrichtung der Reaktionszone ist.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei eine Wasserstoff-Einlassöffnung entlang eines der zwei kurzen Randabschnitte der Reaktionszone in jeder der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte ausgebildet ist, und eine Wasserstoff-Auslassöffnung entlang der anderen der zwei kurzen Randabschnitte ausgebildet ist.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei die Längsrichtung jedes der Katodenkanäle sich mit der Längsrichtung jedes der Anodenkanäle schneidet.
Bipolarplattenstruktur 1, wobei die Längsrichtung jedes der Anodenkanäle die Längsrichtung der Reaktionszone ist, so dass die Längsrichtung jedes der Katodenkanäle senkrecht zur Längsrichtung jedes der Anodenkanäle verläuft.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 4, wobei dann, wenn Oberflächen des ersten Stegabschnitts und des zweiten Stegabschnitts jeweils mit der ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht zweier benachbarter Brennstoffzellen in Verbindung stehen, Kühlmittelkanäle in einer gegenüberliegenden Oberfläche des ersten und zweiten Stegabschnitts in Form eines Zickzackpfades ausgebildet werden, so dass sich ein Längspfad und ein Querpfad der Kühlmittelkanäle abwechselnd wiederholen.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei der erste Stegabschnitt einen Zickzackpfad hat, so dass sich ein Längsabschnitt und ein Querschnitt desselben abwechselnd wiederholen.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt des ersten Stegabschnitts eine geschlossene Form hat, um eine Mehrzahl umschlossener erster Strömungsfeldabschnitte zu bilden, um den gesamten Umfang jedes umschlossenen ersten Strömungsfeldabschnitts in dem Zustand, in dem der erste Stegabschnitt mit der ersten Gasdiffusionsschicht in Verbindung steht, zu schließen.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnungen in Eckabschnitten der Reaktionszone ausgebildet sind.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei: sich eine Lufteinlassöffnung entlang einem mittleren Abschnitt zwischen der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Längsrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatten erstreckt; sich Luftauslassöffnungen entlang beider langen Randabschnitte der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Längsrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatten erstrecken; und sich Reaktionszonen, in denen der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt und der erste und zweite Stegabschnitt ausgebildet sind, jeweils zwischen einer der Luftauslassöffnungen und der Lufteinlassöffnung und zwischen der anderen der Luftauslassöffnungen und Lufteinlassöffnung im mittleren Abschnitt befinden.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei: eine Lufteinlassöffnung in einem der beiden langen Randabschnitte der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Längsrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatten ausgebildet ist, und eine Luftauslassöffnung im anderen der langen Randabschnitte in Längsrichtung Katoden- und Anoden-Bipolarplatten ausgebildet ist; eine Wasserstoff-Einlassöffnung in einem der beiden kurzen Randabschnitte der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte in Breitenrichtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatten ausgebildet ist, und sich eine Wasserstoff-Auslassöffnung im anderen der kurzen Randabschnitte in Breitenrirchtung der Katoden- und Anoden-Bipolarplatten erstreckt; und eine Reaktionszone, in der der erste und zweite Strömungsfeldabschnitt und der erste und zweite Stegabschnitt ausgebildet sind, von den Lufteinlass- und -auslassöffnungen sowie den Wasserstoff-Einlass- und -Auslassöffnungen umgeben sind.
Bipolarplattenstruktur nach Anspruch 1, wobei jede der Katoden-Bipolarplatte und der Anoden-Bipolarplatte eine metallische Bipolarplatte ist, die zur Bildung des ersten und zweiten Stegabschnitts sowie des ersten und zweiten Strömungsfeldabschnitts gepresst werden.