DE102016200398A1

DE102016200398A1 - Bipolarplatte für Brennstoffzellen mit drei Einzelplatten, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016200398A1
Application number: DE102016200398.4A
Authority: DE
Inventors: Adel Jilani; Sanjiv Kumar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte (15) vorzuschlagen, welche eine mechanische Robustheit aufweist, jedoch weiterhin flexibel ausgestaltet werden kann.
Die Bipolarplatte (15) umfasst eine Anodenplatte (50) mit einer ersten Strukturierung (52) zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds, eine Kühlmittelplatte (60) mit einer zweiten Strukturierung (62) zur Ausbildung eines Kühlmittel-Flussfeldes und eine Kathodenplatte (70) mit einer dritten Strukturierung (72) zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds. Dabei ist die Kühlmittelplatte (60) zwischen der Anodenplatte (50) und der Kathodenplatte (70) angeordnet. Erfindungsgemäß unterscheiden sich mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Strukturierungen (52, 62, 72) voneinander.
Ferner ist ein Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten (15) beansprucht und ferner ein Fahrzeug mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Typischerweise bestehen Bipolarplatten aus zwei miteinander verbundenen Halbplatten, die jeweils beidseitig strukturiert sind. Auf den voneinander abgewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport der Betriebsmedien und auf den zueinander zugewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport von Kühlmittel benötigt. Dabei müssen die Halbplatten jeweils aufeinander abgestimmt werden, da drei separate Transportwege mittels zweier Halbplatten zur Verfügung gestellt werden müssen. Das führt zu weiteren Randbedingungen, die die Flexibilität der Ausgestaltungen der Bipolarplatten reduziert. In typischen Ausführungen sind die Halbplatten bekannter Bipolarplatten profiliert ausgebildet, wobei die Profile ineinander eingreifen beziehungsweise verschachtelt sind.
In der EP 1 432 060 A1 wird eine Bipolarplatte vorgeschlagen, die aus drei Einzelplatten besteht. Dabei sind jedoch die drei Platten auf gleiche Weise strukturiert, das heißt, Kathoden-Flussfeld, Anoden-Flussfeld und Kühlmittel-Flussfeld sind baugleich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte vorzuschlagen, welche eine mechanische Robustheit aufweist, jedoch hinsichtlich verschiedener Erfordernisse der verschiedenen Flussfelder ausgestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte, einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Bipolarplatte umfasst eine Anodenplatte mit einer Anodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf einer Anodenseite eine erste Strukturierung zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds ausgebildet ist. Die Bipolarplatte umfasst ferner eine Kühlmittelplatte, wobei auf der Anodenseite oder der Kathodenseite eine zweite Strukturierung zur Ausbildung eines Kühlmittel-Flussfelds ausgebildet ist. Die Bipolarplatte umfasst ferner eine Kathodenplatte mit einer Kathodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf der Kathodenseite eine dritte Strukturierung zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds ausgebildet ist. Dabei ist die Kühlmittelplatte zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte angeordnet. Erfindungsgemäß unterscheiden sich mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Strukturierungen voneinander.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die drei zu erzeugenden Flussfelder, sprich Anoden-Flussfeld, Kühlmittel-Flussfeld und Kathoden-Flussfeld, funktionell drei Einzelplatten, sprich einer Anodenplatte, einer Kühlmittelplatte und einer Kathodenplatte, zuzuordnen. Dadurch können die Flussfelder unabhängig voneinander individuell ausgestaltet werden. Von dieser Einsicht wird insofern Gebrauch gemacht, dass sich die Strukturierungen von mindestens zwei Einzelplatten voneinander unterscheiden. Da die benötigten Betriebsmedien beispielsweise in unterschiedlichen Mengen verbraucht beziehungsweise benötigt werden, erlaubt die vorgeschlagene Bipolarplatte eine maßgeschneiderte Anpassung an die jeweiligen Konditionen und kann ferner entsprechend bezüglich verschiedenster struktureller Parameter optimiert werden.
Vorzugsweise sind diejenigen Seiten der Anodenplatte, der Kühlmittelplatte und der Kathodenplatte eben ausgebildet, die den mit Strukturierungen versehenen Seiten gegenüberliegen. Dadurch wird vorteilhaft die Unabhängigkeit der entsprechenden Flussfelder gewahrt. Ferner sind flach ausgebildete Seiten vorteilhaft, da sie eine maximale Kontaktfläche ausbilden, somit also auch für die jeweiligen Kontaktierungen der Einzelplatten maximale Kontaktkräfte ausgebildet werden können. Ferner wird erzwungen, dass eine flache Seite der Anodenplatte oder der Kathodenplatte auf eine flache Seite der Kühlmittelplatte trifft, was sich vorteilhaft für die gesamte Stabilität der Bipolarplatte auswirkt.
Die erste Strukturierung kann dabei abwechselnd angeordnete erste Erhebungen und erste Vertiefungen aufweisen, die zweite Strukturierung abwechselnd angeordnete zweite Erhebungen und zweite Vertiefungen und die dritte Strukturierung abwechselnd angeordnete dritte Erhebungen und dritte Vertiefungen aufweisen. Solche Strukturierungen sind vorteilhaft, da sie periodisch sind und daher durch standardisierte Verfahren im Produktionsprozess hergestellt werden können. Zudem erlauben sie die Ausbildung eines homogenen Strömungsfeldes des jeweiligen Betriebsmittels.
Bevorzugt weisen erste Vertiefungen erste Breiten, erste Strömungsquerschnitte und erste Höhen auf, zweite Vertiefungen weisen zweite Breiten, zweite Strömungsquerschnitte und zweite Höhen auf und dritte Vertiefungen weisen dritte Breiten, dritte Strömungsquerschnitte und dritte Höhen auf, wobei sich mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Breiten und/oder mindestens zwei der ersten, zweiten, und dritten Strömungsquerschnitte und/oder mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Höhen voneinander unterscheiden. Vorteilhaft ist die Gestaltung der Vertiefungen an den jeweiligen Bedarf angepasst. Der Strömungsquerschnitt ist dabei ein Maß für die zur Verfügung gestellten Mengen der Betriebsmittel beziehungsweise des Kühlmittels. Je nach Stöchiometrie der zugrunde liegenden chemischen Reaktion kann hierbei eine Anpassung der Strömungsquerschnitte an dieses Verhältnis vorteilhaft sein, um eine effiziente Versorgung zu gewährleisten. Der zweite Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel kann sich typischerweise von den ersten und dritten Strömungsquerschnitten ebenfalls unterscheiden, da dieser von der Energiemenge abhängt, die als thermische Energie bei der chemischen Reaktion exotherm freigesetzt und von dem Kühlmittel abtransportiert wird. Die Erfindung erlaubt, dem Kühlbedarf unabhängig von dem Reaktantenbedarf durch entsprechende Gestaltung der Kühlmittel-Strömungsquerschnitte Rechnung zu tragen. Die Höhe und Breite dienen ferner als Parameter zur Optimierung der Kompaktheit der Bipolarplatte als solche. Eine individuelle Anpassung als Folge der zugrunde liegenden Anforderung wird vorteilhaft ermöglicht.
Bevorzugt weist die Anodenplatte erste Profile im Übergang zwischen den ersten Vertiefungen und benachbarten ersten Erhebungen auf, die Kühlmittelplatte weist zweite Profile im Übergang zwischen den zweiten Vertiefungen und benachbarten zweiten Erhebungen auf, die Kathodenplatte weist dritte Profile im Übergang zwischen dritten Vertiefungen und benachbarten dritten Erhebungen auf, wobei mindestens eines der ersten, zweiten und dritten Profile eine von null verschiedene endliche Steigung aufweist. Solche Profile können beispielsweise geeignet sein, um die statischen beziehungsweise mechanischen Eigenschaften der Bipolarplatte zu verbessern, zum Beispiel sodass die Flanken zu den Erhebungen keilförmige Träger oder Träger mit runden Seitenflanken ausbilden. Ferner können beispielsweise Druckabfälle im Fluid durch geeignetes Design minimiert werden.
Bevorzugt sind mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Erhebungen bezüglich einer Stapelrichtung der Platten übereinander positioniert. Solche Auslegungen fördern die mechanische Stabilität von Bipolarplatten, da somit die im Stapel auf die Bipolarplatte einwirkenden Anpresskräfte an solchen Positionierungen gestützt werden. Dabei können sich vorteilhaft kurze „Kraftflüsse“ entlang solcher Positionierungen ausbilden, die geringe lokale Spannungen in der Plattenkonstruktion erzeugen und somit zur Bruchresistenz beitragen.
Die Anodenplatte weist vorteilhaft eine erste Gesamthöhe, die Kühlmittelplatte eine zweite Gesamthöhe, die Kathodenplatte eine dritte Gesamthöhe auf, wobei sich mindestens zwei der drei Gesamthöhen voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an den jeweiligen geforderten Raumbedarf für die jeweiligen Flussfelder.
Die zweiten Erhebungen der Kühlmittelplatte bilden vorzugsweise ein zweidimensionales Gitter aus. Dadurch wird eine strenge Kanalstruktur für die Kühlmittelversorgung vermieden, was Querströme im Kühlkanal-Flussfeld ermöglicht.
Bevorzugt bilden die zweiten Erhebungen ein Rechteck-, Quadrat- oder Dreieckgitter aus.
Vorzugsweise haben die zweiten Erhebungen dreieckige, viereckige, fünfeckige, sechseckige oder runde Grundflächen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßen Bipolarplatten umfasst.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte;
4 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit drei Einzelplatten gemäß einer ersten Ausführungsform, (A) Schnittansicht, (B) perspektivische Ansicht;
5 Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte mit einer Noppenstrukturierung der Kühlmittelplatte des Kühlmittel-Flussfelds;
6 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einer ersten relativen lateralen Verschiebung der Kühlmittelplatte;
7 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einer zweiten relativen lateralen Verschiebung der Kühlmittelplatte; und
8 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einer dritten relativen lateralen Verschiebung der Kühlmittelplatte.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst.
Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten 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 3 Dichtungen angedeutet.
4A und B zeigen eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 nach einer ersten Ausführungsform. Dargestellt ist jeweils ein Schnitt im aktiven Bereich AA gemäß 3. Die Bipolarplatte umfasst hierbei drei Einzelplatten, eine Anodenplatte 50, eine Kühlmittelplatte 60 sowie eine Kathodenplatte 70, wobei die Kühlmittelplatte 60 zwischen Anodenplatte 50 und Kathodenplatte 70 angeordnet ist. Eine Anodenseite A1 der Anodenplatte 50 weist eine erste Strukturierung 52 zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds auf. Bei der Kühlmittelplatte 60 weist beispielhaft die Anodenseite A2 eine zweite Strukturierung 62 auf. Alternativ kann die zweite Strukturierung 62 auch auf deren Kathodenseite K2 ausgeführt sein. Bei der Kathodenplatte 70 weist die Kathodenseite K3 eine dritte Strukturierung 72 zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds auf. Erfindungsgemäß unterschieden sich mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Strukturierungen 52, 62, 72. Beispielhaft unterscheiden sich in dieser Ausführungsform alle drei Strukturierungen 52, 62, 72 voneinander, die Erfindung schließt aber auch den Fall ein, dass sich nur zwei der drei Strukturierungen voneinander unterscheiden. Diejenigen Seiten der Anodenplatte 50, der Kühlmittelplatte 60 und der Kathodenplatte 70, die den mit Strukturierungen 52, 62, 72 versehenen Seiten gegenüberliegen, sind dabei eben ausgebildet, also ohne Strukturierung. Dadurch werden die jeweiligen Kontaktflächen maximiert. Die erste Strukturierung 52 der Anodenplatte 50 weist abwechselnd angeordnete erste Erhebungen 53 und erste Vertiefungen 54 auf. Die zweite Strukturierung 62 der Kühlmittelplatte 60 weist ebenfalls abwechselnd angeordnete zweite Erhebungen 63 und zweite Vertiefungen 64 auf. Ferner weist die dritte Strukturierung 72 der Kathodenplatte 70 ebenfalls abwechselnd angeordnete dritte Erhebungen 73 und dritte Vertiefungen 74 auf. Die ersten Vertiefungen 54 umfassen erste Breiten 55, erste Strömungsquerschnitte 56 und erste Höhen 57. Die zweiten Vertiefungen 64 umfassen zweite Breiten 65, zweite Strömungsquerschnitte 66 und zweite Höhen 67 auf. Die dritten Vertiefungen 74 umfassen dritte Breiten 75, dritte Strömungsquerschnitte 76 und dritte Höhen 77. Dabei sind die ersten, zweiten und dritten Breiten 55, 65, 75 so definiert, dass sie den lateralen Abstand zwischen zwei folgenden ersten, zweiten oder dritten Erhebungen 53, 63, 73 bezeichnen, wobei die ersten, zweiten und dritten Erhebungen 53, 63, 73 selbst diejenigen Abschnitte der ersten, zweiten und dritten Strukturierungen 52, 53, 63 bezeichnen, die eine maximale Höhe aufweisen. Die ersten, zweiten und dritten Höhen 57, 67, 77 bezeichnen die jeweilige maximale Tiefe der jeweiligen ersten, zweiten oder dritten Vertiefungen 54, 64, 74. Als erste, zweite und dritte Strömungsquerschnitte 56, 66, 76 sind die von den ersten, zweiten und dritten Vertiefungen 54, 64, 74 ausgehobenen Flächen definiert. Beispielhaft sind in dieser Ausführungsform die ersten Breiten 55 kleiner als die zweiten Breiten 65 sowie die zweiten Breiten 65 etwas kleiner als die dritten Breiten 75. Ferner sind beispielhaft erste Strömungsquerschnitte 56 kleiner als zweite und dritte Strömungsquerschnitte 66, 76, wobei zweite und dritte Strömungsquerschnitte 66, 67 beispielhaft eine ähnliche Fläche aufweisen. Ferner sind hierbei erste Höhen 57 kleiner als zweite und dritte Höhen 67, 77. Zweite Höhen 67 sind etwas größer als dritte Höhen 77. Diese Ordnungsrelationen in der gewählten Ausführungsform sind hierbei nur beispielhaft und können flexibel an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Die Anodenplatte 50 weist erste Profile 58 im Übergang zwischen den ersten Vertiefungen 54 und benachbarten ersten Erhebungen 53 auf, die Kühlmittelplatte 60 weist zweite Profile 68 im Übergang zwischen den zweiten Vertiefungen 64 und benachbarten zweiten Erhebungen 63 auf, die Kathodenplatte 70 weist dritte Profile 78 im Übergang zwischen dritten Vertiefungen 74 und benachbarten dritten Erhebungen 73 auf. Beispielhaft weisen dabei erste und dritte Profile 58, 78 eine von null verschiedene endliche Steigung auf. Das erste Profil 58 folgt dabei einem Kreisausschnitt, während das dritte Profil 78 beispielhaft eine konstante Steigung zeigt. Diese Profile sind ebenfalls variabel und können zur Optimierung des Fluidflusses dienen. Ferner bestimmen diese ersten, zweiten und dritten Profile 58, 68, 78 die Verteilung der lokalen Masse in lateraler Richtung entlang einer Platte. Die ersten, zweiten und dritten Erhebungen 53, 63, 73 befinden sich beispielhaft bezüglich einer Stapelrichtung der Platten 50, 60, 70 übereinander. Alternativ können sich auch nur zwei der drei Erhebungen 53, 63, 73 bezüglich einer Stapelrichtung übereinander befinden. Vorteilhaft werden dadurch einwirkende Kräfte in den Platten aufgenommen, die andernfalls zur Deformation oder sogar zum Bruch der Platten führen können.
Die Anodenplatte 50 weist eine erste Gesamthöhe 59 auf, die Kühlmittelplatte weist eine zweite Gesamthöhe 69 auf, die Kathodenplatte weist eine dritte Gesamthöhe 59 auf. Dabei können sich die jeweiligen Gesamthöhen 59, 69, 79 voneinander unterscheiden. In der konkreten Ausführungsform ist die erste Gesamthöhe 59 niedriger als die zweite und dritte Gesamthöhe 69, 79. Ferner ist hierbei die zweite Gesamthöhe 69 höher als die dritte Gesamthöhe 79. Auch hier wird eine Variabilität erzeugt, die der unabhängigen Ausgestaltung der jeweiligen Platten Rechnung trägt.
Als Material für die jeweiligen Platten können Metalle oder Metalllegierungen oder leitfähige kohlenstoffbasierte Materialien, wie beispielsweise Graphit oder Kompositmaterialien aus Graphit und Kohlenstoff, verwendet werden.
5 zeigt eine Realisierung eines Kühlmittel-Flussfelds. Typischerweise werden für das Kühlmittel-Flussfeld Kanalstrukturen verwendet. Zur besseren Sichtbarkeit ist hier die Anodenplatte 50 nicht gezeigt. In der konkreten Ausführungsform der 5 bilden die zweiten noppenartigen Erhebungen 63 der Kühlmittelplatte 60 ein zweidimensionales Gitter 80 aus. Dadurch entstehen Kühlmittel-Flussfelder, die auch Querströme des Kühlmittels erlauben. In der vorliegenden Ausführungsform liegt ein Quadratgitter vor. Die Erfindung ist aber nicht auf diese bevorzugte Ausführung beschränkt. Beispielsweise können auch Rechteckgitter oder Dreieckgitter Verwendung finden. Ferner weisen die zweiten noppenartigen Erhebungen 63 eine quadratische Grundfläche auf. Auch hier können alternativ dreieckige, rechteckige, fünfeckige, sechseckige oder runde Grundflächen etc. verwendet werden, wobei beispielsweise eine Optimierung der Fluidströmung oder eine bessere mechanische Stabilität antizipiert wird.
Zu diesen beschriebenen Ausführungsformen, 4 in Kombination mit 5, wurden Simulationen mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, die die Belastung der Bipolarplatte unter mechanischen Spannungen und Dehnungen testen. Dabei wird angenommen, dass die Platten ein lineares elastisches Material darstellen und einen reibungsfreien Kontakt untereinander ausbilden. Das Elastizitätsmodul wird für die Platten mit 11,5 GPa angegeben bei einer Biegefestigkeit von 60,5 MPa. An die dritten Erhebungen 73 der Kathodenplatte 70 wird dann ein Druck von 2 MPa angelegt und die Verteilung der induzierten mechanischen Spannungen bestimmt.
Die in der FEM detektierten lokalen maximalen Zugspannungen, die in den Platten induziert werden, betragen ungefähr 6 MPa.
Im Produktionsprozess kann es durch Toleranzen leicht zu lateralen Verrückungen der Platten gegeneinander kommen, was die mechanische Stabilität reduziert. Es wurden daher FEM-Simulationen unter Annahme relativer lateraler Verschiebung gemäß den folgenden 6 bis 8 durchgeführt.
6 zeigt eine Bipolarplatte 15 wie in 4/5, wobei die Kühlmittelplatte 60 gegenüber der Anodenplatte 50 und der Kathodenplatte 70 lateral um eine erste Verschiebung 82 versetzt ist. Diese erste Verschiebung 82 beträgt hierbei 100 µm. Die Simulationen wurden ansonsten unter gleichen Voraussetzungen ausgeführt. Die in der FEM ermittelte maximale induzierte mechanische Spannung beträgt etwa 8,7 MPa.
7 zeigt eine weitere Bipolarplatte 15, wobei die Kühlmittelplatte 60 gegenüber der Anodenplatte 50 und der Kathodenplatte 70 lateral um eine zweite Verschiebung 83 versetzt ist. Die zweite Verschiebung 83 beträgt hierbei 300 µm. Die Simulationen wurden ansonsten unter gleichen Voraussetzungen ausgeführt. Die in der FEM ermittelte maximale induzierte mechanische Spannung beträgt hierbei etwa 10,5 MPa.
8 zeigt eine weitere Bipolarplatte, wobei die Kühlmittelplatte 60 gegenüber der Anodenplatte 50 und der Kathodenplatte 70 lateral um eine dritte Verschiebung 84 versetzt ist. Die dritte Verschiebung 84 beträgt hierbei 550 µm. Die Simulationen wurden unter ansonsten gleichen Voraussetzungen ausgeführt. Dabei ergibt sich eine maximale induzierte mechanische Spannung von etwa 14,4 MPa.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
141: Anodenseite
142: Kathodenseite
143: katalytische Elektrode / Anode
144: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
145: Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung
146: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
147: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
148: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
149: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
151: Anodenseite
152: Kathodenseite
153: Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)
154: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
155: Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung
156: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
157: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
158: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
159: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
16: Endplatte / Medienversorgungsplatte / stromabwärtige Platte
17: Hauptversorgungskanal / Kathodeneinlasskanal
18: Hauptversorgungskanal / Kathodenauslasskanal
19: Betriebsmedium / Kathodenbetriebsmedium / Luft
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
50: Anodenplatte
52: erste Strukturierung
53: erste Erhebungen
54: erste Vertiefungen
55: erste Breiten
56: erste Strömungsquerschnitte
57: erste Höhen
58: erste Profile
59: erste Gesamthöhe
60: Kühlmittelplatte
62: zweite Strukturierung
63: zweite Erhebungen
64: zweite Vertiefungen
65: zweite Breiten
66: zweite Strömungsquerschnitte
67: zweite Höhen
68: zweite Profile
69: zweite Gesamthöhe
70: Kathodenplatte
72: dritte Strukturierung
73: dritte Erhebungen
74: dritte Vertiefungen
75: dritte Breiten
76: dritte Strömungsquerschnitte
77: dritte Höhen
78: dritte Profile
79: dritte Gesamthöhe
80: Gitter
82: erste Verschiebung
83: zweite Verschiebung
84: dritte Verschiebung
A1: Anodenseite der Anodenplatte
KM1: Kühlmittelseite der Anodenplatte
A2: Anodenseite der Kühlmittelplatte
K2: Kathodenseite der Kühlmittelplatte
KM3: Kühlmittelseite der Kathodenplatte
K3: Kathodenseite der Kathodenplatte
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1432060 A1 [0006]

Claims

Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle umfassend: – eine Anodenplatte (50) mit einer Anodenseite (A1) und einer Kühlmittelseite (KM1), wobei auf der Anodenseite (A1) eine erste Strukturierung (52) zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds ausgebildet ist; – eine Kühlmittelplatte (60) mit einer Anodenseite (A2) und einer Kathodenseite (K2), wobei auf der Anodenseite (A2) oder der Kathodenseite (K2) eine zweite Strukturierung (62) zur Ausbildung eines Kühlmittel-Flussfelds ausgebildet ist; – eine Kathodenplatte (70) mit einer Kathodenseite (K3) und einer Kühlmittelseite (KM3), wobei auf der Kathodenseite (K3) eine dritte Strukturierung (72) zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds ausgebildet ist; wobei die Kühlmittelplatte (60) zwischen der Anodenplatte (50) und der Kathodenplatte (70) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Strukturierungen (52, 62, 72) voneinander unterscheiden.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Seite der Anodenplatte (50), der Kühlmittelplatte (60) und der Kathodenplatte (70) eben ausgebildet ist, die der mit der Strukturierung (52, 62, 72) versehenen Seite gegenüberliegt.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strukturierung (52) abwechselnd angeordnete erste Erhebungen (53) und erste Vertiefungen (54) aufweist, die zweite Strukturierung (62) abwechselnd angeordnete zweite Erhebungen (63) und zweite Vertiefungen (64) aufweist und die dritte Strukturierung (72) abwechselnd angeordnete dritte Erhebungen (73) und dritte Vertiefungen (74) aufweist.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass erste Vertiefungen (54) erste Breiten (55), erste Strömungsquerschnitte (56) und erste Höhen (57) aufweisen, zweite Vertiefungen (64) zweite Breiten (65), zweite Strömungsquerschnitte (66) und zweite Höhen (67) aufweisen, dritte Vertiefungen (74) dritte Breiten (75), dritte Strömungsquerschnitte (76) und dritte Höhen (77) aufweisen, wobei sich mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Breiten (55, 65, 75) und/oder mindestens zwei der ersten, zweiten, und dritten Strömungsquerschnitte (56, 66, 76) und/oder mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Höhen (57, 67, 77) voneinander unterscheiden.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Erhebungen (53, 63, 73) bezüglich einer Stapelrichtung der Platten (50, 60, 70) übereinander positioniert sind.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Erhebungen (63) der Kühlmittelplatte (60) ein zweidimensionales Gitter (80) ausbilden.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (50) eine erste Gesamthöhe (59), die Kühlmittelplatte (60) eine zweite Gesamthöhe (69), die Kathodenplatte (70) eine dritte Gesamthöhe (79) aufweist, wobei sich mindestens zwei der drei Gesamthöhen (59, 69, 79) voneinander unterscheiden.
Brennstoffzellenstapel (10), umfassend einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100), das einen Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 8 aufweist.