DE102016201707A1

DE102016201707A1 - Bipolarplatte für Brennstoffzellen mit verbesserter Struktur, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016201707A1
Application number: DE102016201707.1A
Authority: DE
Inventors: Adel Jilani; Sanjiv Kumar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-08-10

Abstract

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte (15) vorzuschlagen, welche hinsichtlich ihrer Stabilität gegenüber externen Drücken verbessert wird und deren Bruchresistenz ferner unter lateralen Verschiebungen der Halbplatten (50, 60) gegeneinander möglichst wenig verschlechtert wird. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte (15) umfasst eine erste Halbplatte (50) mit einer ersten strukturierten Seite (51) und einer strukturierten Kühlmittelseite (52). Die Bipolarplatte (15) umfasst ferner eine zweite Halbplatte (60) mit einer zweiten strukturierten Seite (61) und einer nicht-strukturierten Kühlmittelseite (62). Dabei stehen die beiden Kühlmittelseiten (52, 62) der beiden Halbplatten (50, 60) zueinander in Kontakt. Erfindungsgemäß weist die strukturierte Kühlmittelseite (52) der ersten Halbplatte (50) eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen (53) und ersten Vertiefungen (54) zum Transport des Kühlmittels auf, wobei die ersten Vertiefungen (54) in einer Schnittansicht durch die erste Halbplatte (50) bogenförmig ausgebildet sind. Ferner ist ein Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten (15) beansprucht und ferner ein Fahrzeug mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel.

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 ein solches Brennstoffzellensystem beziehungsweise 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.
Typische Bipolarplatten des Standes der Technik weisen zwei miteinander verbundene Halbplatten auf, wobei auf deren zugewandten Seiten jeweils Strukturierungen eingebracht sind, sodass diese Strukturierungen bei Kontaktierung der Halbplatten Kanäle zum Transport des Kühlmittels ausbilden. Auf deren Außenseiten befinden sich jeweils weitere Strukturierungen zum Transport der benötigten Betriebsmittel. Bipolarplatten werden dabei als die kritische Komponente der Brennstoffzelle betrachtet, da sie typischerweise ungefähr 40% der Kosten und circa 80% des Gesamtgewichts eines Brennstoffzellenstapels ausmachen. Insbesondere für mobile Anwendungen sollen die Platten möglichst leichtgewichtig, dünn und besonders stabil gegenüber einwirkenden Kräften sein. Daher spielen Details in puncto strukturellem Design der Platten sowie materialtechnische Optimierungen eine bedeutende Rolle. Da insbesondere Kohlenstoff-basierte Materialien vermehrt Einsatz finden, muss aufgrund deren Brüchigkeit ein besonderes Augenmerk darauf gerichtet werden, die mechanische Stabilität verbessern. Insbesondere ist es wichtig, dass bei lateralen Verschiebungen der Halbplatten, wie es im Produktionsprozess häufig vorkommt, keine zu großen Zugspannungen unter Belastung induziert werden.
In der EP 1 432 060 A1 , der US 2008/0138667 A1 und der US 6, 783, 884 B2 werden Bipolarplatten vorgestellt, wobei eine Halbplatte integral sowohl Strukturen für den Transport eines Betriebsmittels und eines Kühlmittels aufweist und mit einer nicht-strukturierten Seite der anderen Halbplatte verbunden wird. Dadurch wird bei lateralen Verschiebungen eine nachteilige Verschlechterung der Fließeigenschaften des Kühlmittels vermieden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte vorzuschlagen, welche hinsichtlich ihrer Stabilität gegenüber externen Drücken verbessert und deren Bruchresistenz ferner unter lateralen Verschiebungen der Halbplatten gegeneinander möglichst wenig gemindert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit verbesserter Struktur, einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Bipolarplatte umfasst eine erste Halbplatte mit einer ersten strukturierten Seite und einer strukturierten Kühlmittelseite. Die Bipolarplatte umfasst ferner eine zweite Halbplatte mit einer zweiten strukturierten Seite und einer nicht-strukturierten Kühlmittelseite. Dabei stehen die beiden Kühlmittelseiten der beiden Halbplatten zueinander in Kontakt. Erfindungsgemäß weist die strukturierte Kühlmittelseite der ersten Halbplatte eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen und ersten Vertiefungen zum Transport des Kühlmittels auf, wobei die ersten Vertiefungen in einer Schnittansicht durch die erste Halbplatte bogenförmig ausgebildet sind.
Mit einer nicht-strukturierten Kühlmittelseite wird dabei eine Kühlmittelseite bezeichnet, die flach ausgebildet ist beziehungsweise keine Vertiefungen oder Erhöhungen aufweist. Dadurch wird der Transport des Kühlmittels ausschließlich innerhalb beziehungsweise von der ersten Halbplatte geleistet, wobei die nicht-strukturierte Kühlmittelseite eine Begrenzung der durch die ersten Vertiefungen geformten Kühlmittelkanäle erzeugt. Daher wirkt eine laterale Verschiebung der Halbplatten, wie sie beim Kontaktieren der Halbplatten im Produktionsprozess häufig vorkommt, nicht störend für den Kühlmittelfluss, wodurch Druckabfälle vermieden werden. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Gestaltung der beiden Halbplatten für den aktiven Bereich einer Brennstoffzelle gelten, das heißt dort, wo Betriebsmittel geführt und in Kontakt zu den katalytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnungen kommen. In anderen Abschnitten können die Halbplatten ein abweichendes Design aufweisen. Ferner ist der Begriff der bogenförmigen Ausbildung der ersten Vertiefungen so zu verstehen, dass die Kontur der ersten Vertiefungen eine nach einer Seite gekrümmte Linie aufweist. Beispielsweise kann die Kontur halbkreisförmig sein. Die Erfindung schließt auch bogenförmige Konturabschnitte in Kombination mit geraden Abschnitten ein.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die bogenförmige Ausbildung der ersten Vertiefungen der auch als Bogenwirkung bekannte Effekt Anwendung findet. Dabei werden auf die Bipolarplatte einwirkende induzierte Kräfte in Druckspannungen bei gleichzeitiger Reduktion von Zugspannungen umgewandelt. Dadurch werden die Bruchresistenz und damit die strukturelle Stabilität der Bipolarplatte vorteilhaft erhöht.
Vorzugsweise weist die erste strukturierte Seite eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten dritten Anlegeflächen und dritten Vertiefungen zum Transport eines Betriebsmittels auf, wobei die dritten Vertiefungen bogenförmig in einer Schnittansicht durch die erste Halbplatte ausgeführt sind. Hierdurch wird der Effekt der Bogenwirkung ebenso vorteilhaft auf die dritten Vertiefungen angewandt. Es gelten die gleichen Vorteile wie bereits zuvor beschrieben, wodurch die Bipolarplatte in ihrer strukturellen Integrität weiter erhöht wird.
Ferner kann die zweite strukturierte Seite der zweiten Halbplatte eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen und zweiten Vertiefungen aufweisen, wobei die beiden Halbplatten derart zueinander positioniert sind, dass eine Flächennormale der Bipolarplatte, die eine zweite Vertiefung der zweiten Halbplatte mittig schneidet, eine erste Anlegefläche der strukturierten Kühlmittelseite der ersten Halbplatte ebenfalls mittig schneidet. Mit anderen Worten stehen sich erste Anlegeflächen der ersten Halbplatte und zweite Vertiefungen der zweiten Halbplatte gegenüber. Das impliziert ferner auch, dass auch erste Vertiefungen der ersten Halbplatten den zweiten Anlegeflächen der zweiten Halbplatten gegenüberstehen.
Diese Wahl des Designs hat den Vorteil, dass laterale Verschiebungen der Halbplatten, wie sie im Produktionsprozess häufig auftreten, nicht zu signifikanten Stabilitätsverringerungen führen. Beispielsweise können bei großen lateralen Verschiebungen die ersten Anlegeflächen der ersten Halbplatten den zweiten Anlegeflächen der zweiten Halbplatte gegenüberstehen oder zumindest näher an eine solche Konfiguration heranrücken, was die Stabilität nicht signifikant verschlechtert. Dadurch ergibt sich ferner der Vorteil, dass Stabilitätsoptimierungen, die für eine oben beschriebene Bipolarplatte durchgeführt werden und zu ermittelten Belastungsobergrenzen führen, nicht signifikant durch im Produktionsprozess stets mögliche laterale Verschiebungen verletzt werden, sprich die Bipolarplatte garantiert auch Stabilität bei unbeabsichtigten lateralen Verschiebungen. Dadurch wird eine größere Sicherheit beziehungsweise Gewährbarkeit der Bipolarplatte in der Praxis ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Bipolarplatte ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoff-basiertes Material oder besteht aus einem solchen. Da die Kompressionsfestigkeit von Kohlenstoff-basierten Materialien höher ist als deren Zugfestigkeiten, ermöglicht das erfindungsgemäße Design der Halbplatten eine verbesserte Robustheit und ist damit besonders geeignet für Bipolarplatten aus Kohlenstoff-basierten Materialien.
Vorzugsweise misst die Gesamthöhe der Bipolarplatte weniger als 1,2 mm, bevorzugt weniger als 1,1 mm, noch bevorzugter weniger als 1 mm. Diese insbesondere im Fall von Kohlenstoff-basierten Bipolarplatten niedrigen Wertebereiche werden durch die oben beschriebenen strukturellen Optimierungen erreichbar gemacht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßen Bipolarplatten umfasst.
Dabei kann bevorzugt die erste Halbplatte der Bipolarplatte einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandt sein und die zweite Halbplatte einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte;
4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte innerhalb des aktiven Bereichs, und
5 ein Histogramm von maximal in einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte induzierten Zugspannungen im Vergleich zu Bipolarplatten des Standes der Technik für verschiedene laterale Verschiebungen.
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 Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 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 einen Befeuchter 39 aufweisen. Der Befeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er 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 der Anodenabgaspfad 22 in den Kathodenabgaspfad 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.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 in einer Schnittansicht im aktiven Bereich AA (siehe 4). Die Bipolarplatte 15 umfasst eine erste Halbplatte 50 mit einer ersten strukturierten Seite 51 sowie einer strukturierten Kühlmittelseite 52. Die Bipolarplatte 15 umfasst ferner eine zweite Halbplatte 60 mit einer zweiten strukturierten Seite 61 sowie einer nicht-strukturierten Kühlmittelseite 62. Die nicht-strukturierte Kühlmittelseite 62 ist mit anderen Worten jedenfalls im dargestellten aktiven Bereich AA flach ausgebildet und weist somit keine Vertiefungen oder Erhöhungen auf. Dabei sind die beiden Halbplatten 50, 60 so orientiert, dass die beiden Kühlmittelseiten 52, 62 der beiden Halbplatten 50, 60 zueinander in Kontakt stehen.
Die strukturierte Kühlmittelseite 52 der ersten Halbplatte 50 weist eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen 53 und ersten Vertiefungen 54 zum Transport des Kühlmittel auf, wobei die ersten Vertiefungen 54 bogenförmig sind. Als Vertiefungen der jeweiligen Seite sind dabei diejenigen Abschnitte definiert, die zwischen den Anlegeflächen liegen. Als Beispiel einer bogenhaften Ausführung sind hierbei halbkreisförmige Konturen gewählt. Alternativ können die Konturen auch andere nach einer Seite gekrümmte Linien aufweisen oder beispielsweise bogenförmige Konturabschnitte in Kombination mit geraden Abschnitten zeigen.
Die erste strukturierte Seite 51 weist ebenfalls eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten dritten Anlegeflächen 55 und dritten Vertiefungen 56 zum Transport eines Betriebsmittels auf. In Draufsicht auf die erste strukturierte Seite 51 bilden die dritten Vertiefungen 56 somit rinnenartige Betriebsmittelkanäle 153 wie in 3 dargestellt. Dabei sind die dritten Vertiefungen 56 ebenfalls bogenförmig ausgeführt, im Besonderen hier beispielhaft halbkreisförmig. Ebenso wie bei den ersten Vertiefungen 54 können hierbei alternative Ausgestaltungen Anwendung finden, siehe obige Ausführungen dazu.
Die zweite strukturierte Seite 61 der zweiten Halbplatte 60 weist ebenfalls eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen 63 und zweite Vertiefungen 64 auf, wobei die beiden Halbplatten 50, 60 derart zueinander positioniert sind, dass eine Flächennormale 80 der Bipolarplatte 15, die eine zweite Vertiefung 64 mittig schneidet, eine erste Anlegefläche 53 ebenfalls mittig schneidet. Dies bedeutet, dass sich die ersten Anlegeflächen 53 der ersten Halbplatte 50 den zweiten Vertiefungen 64 der zweiten Halbplatten 60 bezüglich der Kühlmittelseiten 52, 62 zentriert gegenüberstehen. Zudem stehen dadurch die ersten Vertiefungen 54 den zweiten Anlegeflächen 63 gegenüber. Die zweiten Vertiefungen 64 sind beispielhaft nicht bogenförmig ausgeführt, sondern jeweils in der Schnittansicht betrachtet mit Konturen endlicher Steigung im Übergang zu den jeweiligen zweiten Anlegeflächen 63 und mit senkrecht zur Flächennormalen 80 geführten Abschnitten dazwischen ausgebildet.
Die Gesamthöhe 80 der Bipolarplatte 15 bemisst sich dabei auf weniger als 1,2 mm, bevorzugter weniger als 1,1 mm und noch bevorzugte weniger als 1 mm. Die Bipolarplatte 15 kann ein Metall umfassen beziehungsweise aus einem solchen Metall bestehen. Bevorzugt umfasst die Bipolarplatte 15 jedoch ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoff-basiertes Material oder besteht aus einem solchen.
Vorteilhaft wird durch die bogenförmige Ausbildung der ersten Vertiefungen 54 der auch als Bogenwirkung bekannte Effekt genutzt. Dabei werden auf die Bipolarplatte einwirkende induzierte Kräfte in Druckspannungen bei gleichzeitiger Reduktion von Zugspannungen umgewandelt. Dadurch werden die Bruchresistenz und damit die strukturelle Stabilität der Bipolarplatte 15 vorteilhaft erhöht. Dies ist besonders wichtig bei Kohlenstoff-basierten Materialien, da die Kompressionsfestigkeit von Kohlenstoff-basierten Materialien höher ist als deren Zugfestigkeiten. Ferner ergibt sich aus dem Aufbau der Bipolarplatte 15, nämlich dadurch dass eine Flächennormale 80 der Bipolarplatte 15, die eine zweite Vertiefung 64 und eine erste Anlegefläche 53 jeweils mittig schneidet, eine besondere Robustheit in puncto mechanischer Stabilität bei lateralen Verschiebungen der Halbplatten 50, 60 gegeneinander. Ferner ergibt sich der Vorteil, dass Stabilitätsoptimierungen, die für eine oben beschriebene Bipolarplatte 15 ohne laterale Verschiebung durchgeführt werden und zu bestimmbaren Belastungsobergrenzen führen, nicht durch unbeabsichtigte laterale Verschiebungen im Produktionsprozess signifikant verletzt werden, sprich die Bipolarplatte 15 garantiert auch Stabilität bei lateralen Verschiebungen. Dadurch wird eine bessere Sicherheit beziehungsweise Gewährbarkeit der Bipolarplatte 15 in der Praxis ermöglicht.
5 stellt ein Histogramm dar, das die maximal in einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 induzierte Zugspannung im Vergleich zu einer Bipolarplatte des Standes der Technik für verschiedene laterale Verschiebungen der beiden Halbplatten darstellt. Die Bipolarplatte des Standes der Technik weist rechteckige Kanalquerschnitte zum Transport auf, wobei sich die jeweiligen Anlegeflächen der Halbplatten gegenüberliegen. Dazu wurde eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 gemäß 4 im Rahmen der Finite-Elemente-Methode (FEM) externen Drücken ausgesetzt und die Verteilung der induzierten Zugspannungen bestimmt. Die Modellierung basiert dabei auf den Annahmen, dass die Halbplatten 50, 60 aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von 11,5 GPa, einer Biegefestigkeit von 60,5 MPa bestehen und dabei jeweils einen reibungsfreien Kontakt zueinander ausbilden. Ein externer Kompressionsdruck wird dann an die zweiten Anlegeflächen 63 mit 2 MPa angelegt und die Verteilung der induzierter mechanischen Spannungen mittels FEM bestimmt.
In der Ausgangskonfiguration, die nach 4 beschrieben wird (ohne laterale Verschiebung), wird dabei eine maximal induzierte Zugspannung von 6,64 MPa detektiert.
Im Produktionsprozess kann es durch Toleranzen zu lateralen Verschiebungen der Halbplatten 50, 60 gegeneinander kommen. Typischerweise wird dadurch die mechanische Stabilität von Bipolarplatten 15 des Standes der Technik reduziert. Um den Einfluss solcher lateralen Verschiebungen zu untersuchen, wurden daher FEM-Simulationen für Bipolarplatten 15 mit einer Vielzahl verschiedener lateraler Verschiebungen durchgeführt.
In der 5 sind die Resultate für die ermittelten maximalen induzierten Zugspannungen zu jedem Wert einer lateralen Verschiebung dargestellt. Die eingestellten lateralen Verschiebungen [µm] sind dabei 0; 100; 200; 300; 400; 500; 550. Zu jedem dieser lateralen Verschiebungen werden zwei Balken dargestellt, wobei der jeweilige linke Balken die Magnitude der maximal induzieren Zugspannung für die erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 darstellt und der jeweilige rechte Balken als Vergleich die Magnitude der maximal induzierten Zugspannung einer Bipolarplatte des Standes der Technik zeigt. Die Werte für die maximal induzierte Zugspannung [MPa] der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 betragen 6,64; 7,69; 7,35; 5,40; 3,10; 1,80; 1,75 entsprechend den oben gereihten lateralen Verschiebungen. Im Fall ohne laterale Verschiebung zeigt sich bereits, dass die maximal induzierte Zugspannung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 deutlich geringer ist gegenüber der Bipolarplatte des Standes der Technik. Wird die laterale Verschiebung vergrößert, erhöhen sich die maximal induzierten Zugspannungen nicht signifikant (< 11%) und fallen dann für höhere Werte der lateralen Verschiebung stark ab, siehe 5 dazu. Im Vergleich dazu nimmt die maximal induzierte Zugspannung bei einer Bipolarplatte des Standes der Technik bei höherer lateraler Verschiebung stetig und signifikant zu. Dadurch demonstrieren die FEM-Simulationen, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 in Ausgangskonfiguration hinsichtlich statischer Stabilität dem Stand der Technik überlegen ist und ferner besonders robust ist bei lateralen Verschiebungen der Halbplatten 50, 60 gegeneinander.
Bezugszeichenliste

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

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

EP 1432060 A1 [0006]
US 2008/0138667 A1 [0006]
US 6783884 B2 [0006]

Claims

Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle umfassend: – eine erste Halbplatte (50) mit einer ersten strukturierten Seite (51) und einer strukturierten Kühlmittelseite (52); – eine zweite Halbplatte (60) mit einer zweiten strukturierten Seite (61) und einer nicht-strukturierten Kühlmittelseite (62); wobei die beiden Kühlmittelseiten (52, 62) der beiden Halbplatten (50, 60) zueinander in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Kühlmittelseite (52) der ersten Halbplatte (50) eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten ersten Anlegeflächen (53) und ersten Vertiefungen (54) zum Transport des Kühlmittels aufweist, wobei die ersten Vertiefungen (54) in einer Schnittansicht durch die erste Halbplatte (50) bogenförmig ausgebildet sind.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste strukturierte Seite (51) eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten dritten Anlegeflächen (55) und dritten Vertiefungen (56) zum Transport eines Betriebsmittels aufweist, wobei die dritten Vertiefungen (56) bogenförmig in einer Schnittansicht durch die erste Halbplatte (50) ausgeführt sind.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite strukturierte Seite (61) der zweiten Halbplatte (60) eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten zweiten Anlegeflächen (63) und zweiten Vertiefungen (64) aufweist, wobei die beiden Halbplatten (50, 60) derart zueinander positioniert sind, dass eine Flächennormale (80) der Bipolarplatte (15), die eine zweite Vertiefungen (64) mittig schneidet, eine erste Anlegefläche (53) der strukturierten Kühlmittelseite (52) der ersten Halbplatte (50) ebenfalls mittig schneidet.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoff-basiertes Material umfasst oder aus einem solchen besteht.
Bipolarplatte (15) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthöhe (70) der Bipolarplatte (15) weniger als 1,2 mm misst, bevorzugt weniger als 1,1 mm misst, noch bevorzugter weniger als 1 mm misst.
Brennstoffzellenstapel (10), umfassend einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) nach einem der vorigen Ansprüche.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbplatte (50) einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung (14) zugewandt ist und die zweite Halbplatte (60) einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung (14) zugewandt ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100), das einen Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 aufweist.