DE102016120535A1

DE102016120535A1 - Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016120535A1
Application number: DE102016120535.4A
Authority: DE
Inventors: Hannes Scholz; Florian Moll
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einen Schichtstapel aus profilierter Bipolarplatte/ Gasdiffusionsschicht und Membran, sowie einen Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen.Es ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte bezogen auf deren Querschnitt auf einer der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite einen porösen Bereich aufweist und auf einer der Gasdiffusionsschicht abgewandten Seite eine im Wesentlichen geschlossene Oberfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen.
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 Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten 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-Einheiten.
Im Betrieb einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über 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 über ein Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einem Kühlmedium sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Bipolarplatten sind zumeist aus einem Paar profilierter Plattenhälften aufgebaut, die jeweils eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweisen. Die beiden Platten sind derart einander gegenüber angeordnet und verbunden, dass sich zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausbilden. Die Platten besitzen in ihrem aktiven Bereich eine Gruppierung aus Nuten oder Kanälen, die auf ihren Zellseiten offene Flussfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Zwischen den Platten sind innerhalb der Bipolarplatte Kühlmittelkanäle geformt und verteilen Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel zur Kühlung desselben.
Bekannt ist, die Bipolarplatte aus porösen Material auszugestalten, um wie zum Beispiel in US 6,827,747 B2 und US 7,727,422 B2 ein Wasser- beziehungsweise Kühlmittelmanagement zu verbessern, oder, wie in EP 2 309 578 A1 und EP 1 758 186 A2 um Brennstoff mit Kühlmittel zu befeuchten.
Um eine möglichst ausreichende Reaktandenkonzentration an der Katalysatorschicht und homogene Druckverteilung der Betriebsmedien zu gewährleisten schlägt die EP 1 316 121 B1 vor, die Kanäle der Bipolarplatte mit porösen Bereichen der Bipolarplatte in einer Ebene anzuordnen, wobei beide Kontakt zur Elektrodenfläche haben.
In neueren Brennstoffzellen wird dies dadurch erzielt, dass zwischen Elektrode und Bipolarplatte eine Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, die als Verteilerstruktur der Reaktionsedukte dient und meist aus Geweben aus Kohlenstoffmaterialien gebildet ist. Herkömmlicherweise sind die Bipolarplatten aus Metallen oder graphitischen Werkstoffen gebildet. An der Grenze zwischen Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte treffen somit zwei harte Materialien aufeinander, wovon eines (die Gasdiffusionsschicht) eine poröse, beispielsweise faserförmige Struktur und das andere (die BPP) eine glatte Oberfläche hat. Dadurch berühren sich die Schichten an der Grenze nur punktuell, sodass der elektrische Kontakt nicht ideal ist. Dadurch entsteht ein hoher Kontaktwiderstand. Durch Verpressen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht kann der Kontaktwiderstand zwischen den beiden Schichten etwas reduziert werden.
Ein Verpressen der Bipolarplatte mit der Gasdiffusionsschicht ebenso wie ein Verpressen der fertigen Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels führt jedoch zu einer Intrusion der Gasdiffusionsschicht in die Kanäle der Bipolarplatte. Diese Intrusion verringert den Kanaldurchmesser der Bipolarplatte. Zudem geht das Verpressen mit einer Komprimierung der Gasdiffusionsschicht unterhalb der Stege einher Die Gasversorgung unter den Stegen, das heißt in den Zonen der stark komprimierten Gasdiffusionsschicht ist im Vergleich zu den nicht komprimierten Bereich deutlich reduziert und daher nicht optimal.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Stands der Technik zu lösen oder zumindest deutlich zu reduzieren. Insbesondere soll eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden, die einen verringerten Druckverlust über die Fläche der Brennstoffzelle zeigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle aufweisend, einen Schichtstapel umfassend eine Bipolarplatte, die derart profiliert ist, dass Vertiefungen als Kanäle und Erhöhung als Stege ausgebildet sind. An die Bipolarplatte flächig angeordnet ist eine Gasdiffusionsschicht, an welcher auf der der Bipolarplatte abgewandten Seite wiederum eine Membran-Elekroden-Einheit (vorzugsweise in Form einer CCM, catalyst coated membrane), insbesondere eine katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran, angeordnet ist.
Erfindungsgemäß weist die Bipolarplatte bezogen auf deren Querschnitt auf einer der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite einen porösen Bereich auf, während auf einer der Gasdiffusionsschicht abgewandten Seite eine im Wesentlichen geschlossene Oberfläche ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hat gegenüber den Brennstoffzellen des Standes der Technik den Vorteil, dass die Versorgung der Katalysatorschicht mit Reaktanden verbessert wird, da über eine größere Fläche der Gasdiffusionsschicht ein Reaktandentransport stattfindet. Insbesondere kann eine homogenere Verteilung von Reaktandengas in der Gasdiffusionsschicht und damit an der Katalysatorschicht erzielt werden. Zudem wird der Druckverlust zumindest eines Betriebsmittels über die Fläche der Brennstoffzelle reduziert.
Dies wird dadurch erreicht, dass aufgrund der Ausbildung der erfindungsgemäßen porösen Bereiche der Stofftransport zumindest eines Reaktanden, also des Brennstoffs oder des Oxydationsmittels, unterhalb der Stege verbessert wird. Das Betriebsmittel strömt über die direkte Verbindung zwischen Kanal und Gasdiffusionsschicht, nämlich der Öffnungsfläche des Kanals, mit der dieser an die Gasdiffusionsschicht angrenzt, aus dem Kanal in die Gasdiffusionsschicht ein. Zusätzlich strömt es in die an den Kanal angrenzenden porösen Bereiche der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und von dort aus in die Gasdiffusionsschicht (siehe auch 4 und die zugehörige Beschreibung).
Mit anderen Worten wird die Fläche, auf der es zum Austausch von Betriebsmitteln zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Bipolarplatte kommt, durch die Erfindung vergrößert, was mit einem reduzierten Stofftransportwiderstand des Betriebsmittels einhergeht. Somit kann der durch die Reduzierung des Kanaldurchmessers infolge der Intrusion der Gasdiffusionsschicht in den Kanal erzeugte Wirkungsgradverlust der Brennstoffzelle zumindest ausgeglichen werden.
Der erfindungsgemäße Schichtstapel ist kathodenseitig und/oder anodenseitig ausgebildet. Ist der Schichtstapel anodenseitig angeordnet in einer Brennstoffzelle, handelt es sich bei dem Betriebsgas, dessen Strömungswiderstand reduziert ist, um den Brennstoff der Brennstoffzelle, insbesondere um Wasserstoff. Ist der erfindungsgemäße Schichtstapel hingegen kathodenseitig angeordnet, handelt es sich bei dem Betriebsmittel um das Oxydationsmittel, insbesondere um Luftsauerstoff.
Erfindungsgemäß bezieht sich der poröse Bereich auf einen Querschnitt der Bipolarplatte, das heißt, dass bezogen auf den Querschnitt der Bipolarplatte nur ein Teil der Bipolarplatte porös ausgebildet ist, während ein an den porösen Bereich angrenzender Bereich nicht porös ausgebildet ist. Auf einer der Gasdiffusionsschicht abgewandten Seite der Bipolarplatte liegt eine nicht poröse, also eine im Wesentlichen geschlossene, Oberfläche vor. Erfindungsgemäß grenzt der nicht poröse Bereich der Bipolarplatte an eine weitere Bipolarplatte und/oder an ein zwischen zwei Bipolarplatten ausgebildetes Kühlmittelflussfeld an. Die geschlossene Ausbildung der Oberfläche zum Kühlmittelflussfeld hin stellt sicher, dass es nicht zu einem Austausch von Kühlmedium mit dem Betriebsmittel oder sogar zu einer Flutung des porösen Bereichs mit Kühlmedium kommt. Zudem zeigt eine bezogen auf den Querschnitt vollständig porös ausgestaltete Bipolarplatte deutlich reduzierte mechanische Stabilität.
Durch die veränderten Eigenschaften der Bipolarplattenstege ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Auslegung beziehungswiese Dimensionierung der Zelleinheit, zum Beispiel die Verwendung dünnerer Gasdiffusionsschichten oder flacherer Kanäle. Beide Optionen sind vorteilhaft bezüglich der Bauhöhe und/oder des Volumens des Brennstoffzellenstapels.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Poren auf der der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite offen ausgebildet sind und insbesondere fluidführende Kanäle bilden. Die offenen Poren ermöglichen über die gesamte Fläche des porösen Bereiches ein Eindringen des Betriebsmittels in die Bipolarplatte. Zudem verbinden sich offene Poren zu fluidführenden Kanälen, die insbesondere derart ausgebildet sind, dass das Betriebsmittel hindurch strömen kann. Vorteilhafter Weise erstrecken sich diese Kanäle über die gesamte Fläche der Bipolarplatte. Vorzugsweise verlaufen sie sowohl parallel zur Oberfläche der Gasdiffusionsschicht als auch im Wesentlichen quer zu dieser, sodass es sowohl zu einem Transport von Betriebsgasen entlang der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht als auch zu einem Transport des Betriebsgases zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht kommt.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der poröse Bereich über die Breite und/oder die Länge der Stege erstreckt, Die Bipolarplatte also nicht nur punktuell, sondern zumindest bereichsweise die erfindungsgemäßen porösen Bereiche aufweist. Dies kann unter anderem über die gesamte Fläche des Flussfeldes den Strömungswiderstand des Betriebsmittels reduzieren.
Weiter bevorzugt erstreckt sich der poröse Bereich nur über den aktiven Bereich der Brennstoffzelle. Dies führt vorteilhafter Weise zu einer gleichmäßigen Verteilung des Betriebsmittels bei reduziertem Druckverlust. Gleichzeitig wird jedoch eine maximale Stabilität der Bipolarplatte erreicht, da ein möglichst kleiner Bereich der Bipolarplatte porös ausgestaltet ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Porendurchmesser über die Fläche und/oder den Querschnitt variierbar und wird somit an die benötigten Stofftransporteigenschaften, insbesondere innerhalb des aktiven Bereiches, angepasst. Dies führt zu einer weiteren Optimierung des Wirkungsgrads der Brennstoffzelle.
Mit besonderem Vorteil nimmt die Porosität über den Querschnitt der Bipolarplatte ausgehend von der Gasdiffusionsschicht, vorzugsweise graduell, ab. Sowohl in gradueller als auch in stufiger Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass ein möglichst geringer Teil des Querschnitts der Bipolarplatte porös ausgebildet ist, sodass der Wirkungsgrad ausgehend vom Einfluss des Stofftransportwiderstands maximal erhöht ist, jedoch die Stabilität der Bipolarplatte nicht oder nur minimal gemindert ist. Bei gradueller Ausgestaltung ist die Porosität der Bipolarplatte bevorzugt eine Materialeigenschaft, sodass die Bipolarplatte zumindest bezogen auf den Querschnitt einstückig ausgebildet ist. Alternativ und insbesondere bei nicht graduellem Verlauf der Porosität über dem Querschnitt ist der poröse Bereich der Bipolarplatte als, insbesondere elektrisch leitfähige, Beschichtung auf einer Oberfläche der Bipolarplatte auf der der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite ausgeführt.
Weiter bevorzugt ist die Bipolarplatte, insbesondere in den porösen Bereichen, aus einem hydrophoben Material ausgestaltet, um eine Flutung durch Flüssigwasser, insbesondere der Poren, zu verhindern. Darüber hinaus zeigt das Material der Bipolarplatte die für Bipolarplatten üblichen Eigenschaften, wie insbesondere elektrische und thermische Leitfähigkeit.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der poröse Bereich über eine Breite und/oder Länge der Stege erstreckt. Dies hat zur Folge, dass die Fläche, auf der es zum Austausch zwischen Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte kommen kann, maximiert ist und über nahezu die gesamte Kanalfläche ein Transport von Betriebsmitteln von der Bipolarplatte in die Gasdiffusionsschicht ermöglicht wird. Der Wirkungsgradverlust, der durch Komprimierung der Gasdiffusionsschicht im Bereich der Stege der Bipolarplatte erzeugt wird, kann in dieser Ausgestaltung minimiert werden. Hingegen ist es nicht erwünscht, dass sich der poröse Bereich über die Höhe der Stege erstreckt, da dabei keine weitere Wirkungsgradverminderung erzielt werden würde, sich jedoch die Stabilität der Bipolarplatte reduziert. Vorzugsweise weist der poröse Bereich der Bipolarplatte bezogen auf deren Querschnitt einen Anteil von 1 bis 40% des Querschnitts, bevorzugt 3 bis 20% auf.
Mit besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Schichtstapel kathodenseitig in der Brennstoffzelle angeordnet, da auf der Kathodenseite ein größerer Stofftransportwiderstand zu verzeichnen ist als auf der Anodenseite und somit eine Reduktion des Stofftransportwiderstands auf der Kathodenseite eine größere Wirkungsgradsteigerung mit sich bringt. Ursächlich dafür ist, dass das in der Kathode geführte Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, im Vergleich zum in der Anode geführten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, träger ist. Zur Kostenoptimierung ist weiter bevorzugt, dass die Bipolarplatte nur kathodenseitig poröse Bereiche aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapel umfassend mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen, wobei die innerhalb des Brennstoffzellenstapels benachbarten Brennstoffzellen jeweils an der im Wesentlichen geschlossenen Oberfläche der benachbarten Bipolarplatten angeordnet sind.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel.
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 schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels;
2 eine schematische Schnittansicht eines Schichtstapels aus Bipolarplatte / Gasdiffusionsschicht / Membran im unverpressten Zustand;
3 eine schematische Schnittansicht eines Schichtstapels aus Bipolarplatte / Gasdiffusionsschicht / Membran im verpressten Zustand nach dem Stand der Technik; und
4 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Schichtstapels aus Bipolarplatte / Gasdiffusionsschicht / Membran im verpressten Zustand.

1 zeigt einen Ausschnitt aus einem insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel, von dem hier lediglich zwei einzelne Brennstoffzellen 10 dargestellt sind.
Jede Brennstoffzelle 10 weist eine Polymerelektrolytmembran 11 auf, welche aus einem elektrolytisch leitfähigen Polymermaterial besteht, insbesondere protonenleitfähig ist. An beiden Flachseiten der Membran 11 grenzt jeweils eine Katalysatorschicht an, nämlich eine anodische Katalysatorschicht 12 sowie eine kathodische Katalysatorschicht 13. Die Katalysatorschichten 12 und 13 umfassen ein katalytisches Material, bei dem es sich typischerweise um ein Edelmetall, insbesondere Platin, handelt. Üblicherweise umfassen die Katalysatorschichten 12, 13 ferner ein poröses, elektrisch leitfähiges Trägermaterial, auf dem das katalytische Material fein dispergiert vorliegt, beispielsweise ein kohlenstoffbasiertes Material. Die Katalysatorschichten 12, 13 können weitere Bestandteile umfassen, beispielsweise polymere Bindermaterialien und dergleichen mehr.
An jede Katalysatorschicht 12, 13 schließt jeweils eine Gasdiffusionslage (GDL) 14 an. Die GDL umfasst ein von Fluiden durchströmbares Material, das ebenfalls elektrisch leitfähig ist. Beispielsweise umfasst die GDL 14 ein kohlenstoffbasiertes Schaumstoff- oder Papiermaterial. Das Gefüge aus Membran 11, den Katalysatorschichten 12, 13 sowie den Gasdiffusionslagen 14 wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 15 bezeichnet, wobei die Zuordnung der Gasdiffusionslagen 14 zu der Membran-Elektroden-Einheit 15 in der Literatur uneinheitlich ist.
Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 15 ist jeweils eine Bipolarplatte 16, auch als Strömungsfeldplatte oder Flussfeldplatte bezeichnet, angeordnet. Die Bipolarplatte 16 weist auf ihrer Anodenseite Anodenströmungskanäle 17 auf, durch welche der anodischen Katalysatorschicht 12 ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff), insbesondere Wasserstoff, zugeführt wird. Ferner weist die Bipolarplatte 16 auf ihrer Kathodenseite Kathodenströmungskanäle 17 auf, durch welche der kathodischen Katalysatorschicht 13 ein Kathodenbetriebsgas zugeführt wird, bei dem es sich üblicherweise um ein sauerstoffhaltiges Gas, zumeist Luft, handelt. Üblicherweise weist die Bipolarplatte 16 ferner hier nicht dargestellte interne Kühlmittelkanäle auf, durch die ein Kühlmittel zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 100 geleitet werden kann. Die Bipolarplatte 16 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise einem Metall, einer Metalllegierung, Graphit oder einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial oder Polymerkompositmaterial. Die Bipolarplatte 16 vereinigt somit die Funktionen der Betriebsmittelversorgung, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung der katalytischen Elektroden 12, 13 an einen äußeren Stromkreis.
Üblicherweise ist eine Vielzahl derartiger Einzelzellen 10 in einem Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Für elektromobile Anwendungen umfassen Brennstoffzellenstapel 100 typischerweise mehrere hundert Einzelzellen 10.
Die Katalysatorschichten 12 und 13 können einerseits als Beschichtung auf der Membran 11 vorliegen. Man spricht in diesem Fall auch von einer katalytisch beschichteten Membran oder CCM (für catalytic coated membrane), die in 1 insgesamt mit 19 bezeichnet ist. Alternativ können die Katalysatorschichten 12 und 13 als Beschichtung der Gasdiffusionslagen 14 vorliegen, sodass diese dann als Gasdiffusionselektroden bezeichnet werden.
2 beschreibt eine schematische Schnittansicht eines Schichtstapels 10a' nach dem Stand der Technik aus Bipolarplatte 16 / Gasdiffusionsschicht 14 / Membran 11 im unverpressten Zustand. Es ist ein Ausschnitt des Querschnitts eines solchen Schichtstapels 10a' im aktiven Bereich der Brennstoffzelle gezeigt. Bei der Bipolarplatte 16 handelt es sich um eine profilierte Bipolarplatte 16, die zumindest im aktiven Bereich Erhebungen und Vertiefungen aufweist. Die Erhebungen bilden dabei Reaktandenströmungskanäle 17 aus, wobei die Vertiefungen sogenannte Stege 18 ausbilden, welche sich in Aufsicht auf die Bipolarplatte bevorzugt parallel zu den Reaktandenströmungskanälen 17 erstrecken. Die Reaktandenströmungskanäle 17 bilden im Schichtstapel 10a Hohlräume aus, die an drei Seiten durch die Bipolarplatte 16 und an einer Seite durch die Gasdiffusionsschicht 14 begrenzt sind. Die Gasdiffusionsschicht 14 ist derart an der Biolarplatte 16 angeordnet, dass sie reibschlüssig mit den Stegen 18 der Bipolarplatte 16 in Kontakt steht. Die Gasdiffusionsschicht 14 ist aus einem porösen Material gefertigt, welches fluidführende Kanäle aufweist, die einen Transport des in dem jeweiligen Reaktandenströmungskanal 17 der Bipolarplatte 16 geführten Reaktanden ermöglicht. An die Gasdiffusionsschicht 14 ist wiederum flächig eine Membran Elektrodeneinheit 15 angeordnet.
3 zeigt den in 2 gezeigten Schichtstapel 10a' nach dem Stand der Technik im verpressten Zustand, also in dem Zustand, in dem er in einem funktionsfähigen Brennstoffzellenstapel 100 vorliegt. Durch die Verpressung, die infolge eines Zusammenbauens auftritt, kommt es zu einer Verformung des vergleichsweise flexiblen Materials der Gasdiffusionsschicht 14. Diese Verformung führt wie in Abschnitt A der 3 gezeigt zu einer Intrusion 20 der Gasdiffusionsschicht 14 in den Reaktandenströmungskanal 17. Diese Intrusion hat eine Verkleinerung des Querschnitts des Reaktandenströmungskanals 17 zufolge und führt somit unmittelbar zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes eines durch den Reaktandenströmungskanal 17 strömenden Reaktandengases. Gleichzeitig führt die Verpressung von Bipolarplatte 16 und Gasdiffusionsschicht 14 dazu, dass die Abschnitte der Gasdiffusionsschicht 14, die mit der Bipolarplatte 16 in Kontakt stehen, eine Komprimierung erfahren. Diese unter den Stegen 18 der Bipolarplatte 16 auftretende Komprimierung geht mit einer Reduktion des Porendurchmessers innerhalb der Gasdiffusionsschicht 14 innerhalb dieser komprimierten Abschnitte einher. Eine Porenreduktion führt wiederum zu einem erhöhten Strömungswiderstand innerhalb der Gasdiffusionsschicht 14 und kann sogar zu einem teilweisen Verschluss der fluidführenden Kanäle innerhalb der Gasdiffusionsschicht 14 führen. Sowohl der erhöhte Strömungswiderstand innerhalb der Reaktandenströmungskanäle 17 als auch innerhalb der komprimierten Abschnitte der Gasdiffusionsschicht 14 führt zu einem Druckverlust des Reaktandengases im Betrieb der Brennstoffzelle und somit zu einer Wirkungsgrad-Reduktion der Brennstoffzelle. Ursächlich dafür ist, dass effektiv ein kleineres Volumen zum Transport und zur Verteilung des Reaktandengases zur Verfügung steht.
Abschnitt B der 3 stellt schematisch eine Reaktandenströmung innerhalb des Schichtstapels 10a' dar. Ein Reaktandengas 30, welches über Hauptströmungskanäle in das zugehörige Flussfeld eingebracht wurde, wird durch die Reaktandenströmungskanäle 17 über das Flussfeld verteilt. Die Homogenität der flächigen Verteilung wird maßgeblich durch den Strömungswiderstand innerhalb der Reaktandenströmungskanäle 17 und somit wiederum durch deren Querschnitt bestimmt. Aus den Reaktandenströmungskanälen 17 strömt das Reaktandengas 30 in die fluidführenden Kanäle der Gasdiffusionsschicht 14. Der beschriebene Austausch von Reaktandengas 30 zwischen Reaktandenströmungskanälen 17 und Gasdiffusionsschicht 14 erfolgt dabei jedoch ausschließlich über die freie Fläche der Gasdiffusionsschicht 14, also über den Bereich der Gasdiffusionsschicht 14, der die Reaktandenströmungskanäle 17 begrenzt und nicht über die Abschnitte der Gasdiffusionsschicht 14, die im Bereich der Stege 18 der Bipolarplatte 16 mit der Bipolarplatte 16 in Kontakt stehen. Eine Verteilung des Reaktandengases über die gesamte Fläche der Gasdiffusionsschicht 14, insbesondere über den aktiven Bereich der Brennstoffzelle, erfolgt somit erst innerhalb der Gasdiffusionsschicht 14 selbst. Aufgrund des Aufbaus der Gasdiffusionsschicht 14 und des Strömungsverhaltens der Reaktandengase setzt die Verteilung zudem nicht unmittelbar an der der Bipolarplatte 16 zugewandten Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 14 ein, sondern erst in tieferen Lagen, also in unmittelbarer Nähe zur Elektrode 12, 13. In der Folge werden einige Bereiche der Gasdiffusionsschicht 14 stärker mit Reaktandengas versorgt als andere Bereiche innerhalb der Gasdiffusionsschicht 14. Diese ineffektive weil inhomogene Verteilung der Reaktandengase innerhalb der Gasdiffusionsschicht 14 geht mit einer Wirkungsgraderniedrigung einher.
3C zeigt einen im Betrieb der Brennstoffzelle im aktiven Bereich der Brennstoffzelle stattfindenden elektrischen beziehungsweise thermischen Strom (Wärmestrom) 31. Der elektrische Strom 31 oder auch der Wärmestrom 31 entstehen in der Folge der Brennstoffzellenreaktion an der Elektrode 12, 13 und fließen von dort über die leitfähige Gasdiffusionsschicht 14 in die Bipolarplatte 16. Der Stromfluss 31 ist dem Reaktandenfluss 30 entgegengesetzt gerichtet und findet im Gegensatz zum Reaktandenfluss 30 ausschließlich über leitende Kontakte statt. Eine Weiterleitung des Stroms 31 von der Gasdiffusionsschicht 14 in die Bipolarplatte 16 erfolgt demnach ausschließlich im Bereich der Stege 18, in denen Gasdiffusionsschicht 14 und Bipolarplatte 16 in elektrischem und thermisch leitendem Kontakt stehen.
4 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Schichtstapels 10a aus Bipolarplatte 16 / Gasdiffusionsschicht 14/ Membranelektrodeneinheit 15. Im Gegensatz zum Schichtstapel 10a' nach dem Stand der Technik, wie er in den 2 und 3 gezeigt ist, weist der erfindungsgemäße Schichtstapel 10a poröse Bereiche 18a auf einer der Gasdiffusionsschicht 14 zugewandten Seite der Bipolarplatte 16 auf, welche vorzugsweise im Bereich der Stege 18 der Bipolarplatte ausgebildet sind. Das bedeutet, dass bezogen auf den Querschnitt der Bipolarplatte Teilbereiche der Bipolarplattenstege 18 auf der der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite porös sind. Dies kann beispielsweise durch eine poröse Beschichtung erreicht werden oder durch eine graduelle Zunahme der Porosität innerhalb des Bipolarplattenmaterials. Vorzugsweise besteht der poröse Anteil 18a der Bipolarplattenstege 18 aus einem Material, welches offen porös, elektrisch leitfähig, thermisch leitfähig und vorzugsweise hydrophob ist. Der in gezeigte erfindungsgemäße Schichtstapel 10a kann sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite oder mit besonderem Vorteil auf beiden Gasseiten der Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Die in 4 gezeigte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schichtstapels 10a hat einen verbesserten Stofftransport der Reaktanden zufolge. Der verbesserte Reaktandenfluss 30 ist insbesondere im Vergleich zu dem in 3B dargestellten Reaktandenfluss innerhalb eines Schichtstapels 10a'nach dem Stand der Technik in Teilbereich A der 4 dargestellt. Im Vergleich zu dem in 3B gezeigten Reaktandenfluss ist deutlich zu erkennen, dass innerhalb des erfindungsgemäßen Schichtstapels 10a ein Reaktandenaustausch zwischen Reaktandenströmungskanal 17 und Gasdiffusionsschicht 14 über eine deutlich größere Fläche erfolgt. Dies wird dadurch erzielt, dass eine Verteilung der Reaktionsgase 30 nicht erst innerhalb der Gasdiffusionsschicht erfolgt sondern vielmehr in den Bereich der Bipolarplatte 16 genauer gesagt in den porösen Bereich 18a der Bipolarplatte 16 verlagert wird. Der poröse Bereich 18a weist offene Poren auf, welche ein System aus fluidführenden Kanälen ausbilden, die den Reaktandenströmungskanal 17 mit der Gasdiffusionsschicht 14 verbinden. Somit kann Reaktandengas 30 nicht nur direkt in die Gasdiffusionsschicht 14 gelangen, sondern zusätzlich über die Bipolarplatte im Bereich der Stege 18 in den porösen Bereich 18a gelangen und über die Breite der Stege 18 verteilt werden, bevor er über den direkten Kontakt zwischen Bipolarplatte 16 und Gasdiffusionsschicht 14 in die Gasdiffusionsschicht 14 eingebracht wird. Somit erfolgt eine sehr homogene Verteilung von Reaktandengas über die gesamte Fläche der Gasdiffusionsschicht 14 bei gleichmäßig niedrigem Strömungswiderstand. Wie in 4b gezeigt wird der elektrische Stromfluss 31 ebenso wenig wie der Wärmefluss 31 durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schichtstapels 10a' beeinflusst, sodass in Summe der reduzierte Strömungswiderstand eine Wirkungsgrad-Erhöhung der Brennstoffzelle mit sich bringt.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
10: Brennstoffzelle (Einzelzelle)
10a: Schichtstapel
10a': Schichtstapel nach Stand der Technik
11: Polymerelektrolytmembran
12: anodische Katalysatorschicht / Anode
13: kathodische Katalysatorschicht / Kathode
14: Gasdiffusionslage
15: Membran-Elektroden-Einheit
16: Bipolarplatte
17: Reaktandenströmungskanäle
18: Steg
18a: poröser Bereich
19: katalytisch beschichtete Membran
20: intrudierte Gasdiffusionsschicht
30: Reaktandenstrom
31: elektrischer und/oder Wärmestrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6827747 B2 [0006]
US 7727422 B2 [0006]
EP 2309578 A1 [0006]
EP 1758186 A2 [0006]
EP 1316121 B1 [0007]

Claims

Brennstoffzelle (10) aufweisend einen Schichtstapel (10a) umfassend - eine Bipolarplatte (16) die derart profiliert ist, dass Vertiefungen als Kanäle (17) und Erhöhungen als Stege (18) ausgebildet sind, - eine an der Bipolarplatte (16) flächig angeordnete Gasdiffusionsschicht (14) und - eine an der Gasdiffusionsschicht (14) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (16) bezogen auf deren Querschnitt auf einer der Gasdiffusionsschicht (14) zugewandten Seite einen porösen Bereich (18a) aufweist und auf einer der Gasdiffusionsschicht (14) abgewandten Seite eine im Wesentlichen geschlossene Oberfläche aufweist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren auf der der Gasdiffusionsschicht (14) zugewandten Seite offen ausgebildet sind und insbesondere ein fluidführendes Porennetzwerk bilden.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der poröse Bereich (18a) über den Bereich, also die gesamte Länge und/oder die gesamte Breite der Stege (18) erstreckt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der poröse Bereich (18a) über die Gesamtheit der Stege (18) der Brennstoffzelle (10) erstreckt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porösität über den Querschnitt der Bipolarplatte (16) ausgehend von der Gasdiffusionsschicht (14), vorzugsweise graduell, abnimmt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (16), insbesondere im porösen Bereich (18a) aus einem hydrophoben Material ausgestaltet ist oder mindestens ein hydrophobes Material enthält.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der poröse Bereich (18a) bezogen auf eine Höhe der Stege (18) über 1 - 30%, insbesondere 5-15% erstreckt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (10a) kathodenseitig ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel umfassend eine Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9.