DE102016218062A1

DE102016218062A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016218062A1
Application number: DE102016218062.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; Stefan Schoenbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-22
Also published as: KR20190055173A; JP6825084B2; US20190207229A1; JP2019531577A; CN109716567A; US10886542B2; CN109716567B; WO2018054580A1; KR102355788B1; EP3516719A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit (10) und mindestens eine Bipolarplatte (40), die eine Separatorplatte (50) umfasst. Die Bipolarplatte (40) umfasst mindestens ein Strukturteil (51, 52), welches einen Grundkörper (60), in den Ausnehmungen (65) eingebracht sind, und Flügel (61, 62), die von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) weg ragen und sich bis zu der mindestens einen Membran-Elektroden-Einheit (10) erstrecken, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit und mindestens eine Bipolarplatte, die eine Separatorplatte umfasst.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Es sind aber auch Brennstoffzellen bekannt, welche mit Methanol oder Methan oder mit Mischungen daraus arbeiten.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton-Exchange-Membran = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die ausschließlich für Protonen, also nur für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zu der Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet.
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an der Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an der Kathode sind Verteilerplatten vorgesehen, welche auch als Flow Field bezeichnet werden. Die Flow Fields weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels auf. Eine Kombination von mehreren Verteilerplatten, die auch als Kontaktierung zwischen zwei Zellen dient, wird Bipolarplatte genannt. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
In der DE 10 2013 226 815 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, der mehrere Brennstoffzellen mit jeweils einer Membran-Elektroden-Einheit umfasst. Die Membran-Elektroden-Einheit ist dabei von zwei Separatorplatten umgeben, welche als Bipolarplatten ausgestaltet sind.
Aus der DE 10 2012 221 730 A1 ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilerstruktur auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase sowie einer Kühlflüssigkeit vorgesehen sind.
Aus der DE 10 2014 207 594 A1 ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
Die DE 10 2013 223 817 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle umfasst dabei eine Membran-Elektroden-Einheit, die von Medienverteileinheiten umgeben ist.
Aus der JP 5252193 B2 sowie der JP 2010-061992 A ist eine Brennstoffzelle bekannt, die Gasdiffusionslagen zur Verteilung des Brennstoffs sowie der Luft aufweist. Zwischen der Gasdiffusionslagen und einer Separatorplatte ist dabei ein metallisches Gitter angeordnet.
In der JP 2010-061994 A ist eine Brennstoffzelle offenbart, die ein metallisches Gitter zur Durchleitung eines Gases umfasst. Das Gitter weist dabei große und kleine Öffnungen auf, welche alternierend angeordnet sind.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Die Bipolarplatte umfasst dabei eine Separatorplatte. Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine dazwischen angeordnete Membran. Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Separatorplatte ist dabei ein Medienraum in der Bipolarplatte gebildet, welcher zur Zufuhr eines Brennstoffs zu der Anode oder zur Zufuhr von Luftsauerstoff zu der Kathode vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Bipolarplatte mindestens ein Strukturteil, welches einen Grundkörper, in den Ausnehmungen eingebracht sind, und Flügel, die von Seiten der Ausnehmungen weg ragen und sich bis zu der mindestens einen Membran-Elektroden-Einheit erstrecken, aufweist. Der Grundkörper des Strukturteils ist beispielsweise als ein flaches Blech ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Grundkörper des mindestens einen Strukturteils an der Separatorplatte an.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Grundkörper des mindestens einen Strukturteils von der Separatorplatte beabstandet angeordnet, und Flügel erstrecken sich von Seiten der Ausnehmungen bis zu der Separatorplatte. Die Flügel des Strukturteils erstrecken sich also teilweise zu der Membran-Elektroden-Einheit und teilweise zu der Separatorplatte.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Bipolarplatte zusätzlich mindestens ein Strukturelement, welches ebenfalls einen Grundkörper, in den Ausnehmungen eingebracht sind, und Flügel, die von Seiten der Ausnehmungen weg ragen, aufweist. Dabei ragen Flügel des Strukturelements durch Ausnehmungen in dem Strukturteil hindurch, und Flügel des Strukturteils ragen durch Ausnehmungen in dem Strukturelement hindurch.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Grundkörper des Strukturelements an dem Grundkörper des Strukturteils an. Der Grundkörper des Strukturelements ist beispielsweise als ein flaches Blech ausgebildet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Grundkörper des Strukturelements von dem Grundkörper des Strukturteils beabstandet angeordnet.
Vorteilhaft sind die Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie in dem Grundkörper des Strukturelements rechteckförmig ausgebildet. Jede der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie in dem Grundkörper des Strukturelements umfasst dabei zwei gegenüberliegende Längsseiten und zwei gegenüberliegende Querseiten. Die Längsseiten verlaufen dabei rechtwinklig zu den Querseiten.
Die Flügel des Strukturteils sowie die Flügel des Strukturelements ragen dabei von gegenüberliegenden Längsseiten der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturelements weg.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ragt von mindestens einer Querseite der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturelements mindestens eine Finne von dem Grundkörper weg.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die von dem Grundkörper des Strukturteils sowie von dem Grundkörper des Strukturelements entfernten Enden der Flügel des Strukturteils sowie des Strukturelements eine Umlenkung auf.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
In einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Zufuhr eines Brennstoffs zu der Anode sowie die Zufuhr von Luftsauerstoff zu der Kathode durch den jeweiligen Medienraum verbessert. Auch ist der Abtransport des entstandenen Produktwassers aus dem Medienraum verbessert. Alternativ kann die Erfindung auch als Flow Field im Kühlkanal verwendet werden. Zudem ist die elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte mit den Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit vereinfacht. Auch die Fertigung der Bipolarplatte ist verhältnismäßig einfach durch Stanzen der Ausnehmungen und Biegen der dabei entstandenen Flügel durchführbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
3 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
4 eine Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einer ersten Variante der Brennstoffzelle aus 3,
5 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus 4,
6 eine Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einer zweiten Variante der Brennstoffzelle aus 3,
7 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus 6,
8 eine Frontalansicht auf ein Strukturteil gemäß einer dritten Variante der Brennstoffzelle aus 3,
9 eine Frontalansicht auf ein Strukturteil gemäß einer vierten Variante der Brennstoffzelle aus 3
10 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform,
11 eine Draufsicht auf ein Strukturteil der Brennstoffzelle aus 10,
12 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus 11,
13 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform,
14 eine Draufsicht auf ein Strukturteil der Brennstoffzelle aus 13,
15 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus 14,
16 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform und
17 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In 1 ist eine Brennstoffzelle 2 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Terminals 11, 12 über einen externen Stromkreis.
Die Brennstoffzelle 2 weist eine erste Anschlussstelle 31 auf, welche zur Zuführung eines Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner eine zweite Anschlussstelle 32 auf, welche zur Zuführung eines Oxidationsmittels, vorliegend Luftsauerstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist auch eine dritte Anschlussstelle 33 auf, welche zur Ableitung von entstandenem Wasser sowie der Restluft dient.
Weiterhin weist die Brennstoffzelle 2 eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine Membran 18 auf. Die Membran 18 ist dabei zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 angeordnet. Auf der Seite der Anode 21 ist eine erste Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der ersten Anschlussstelle 31 verbunden ist. Auf der Seite der Kathode 22 ist eine zweite Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der zweiten Anschlussstelle 32 und mit der dritten Anschlussstelle 33 verbunden ist. Die erste Bipolarplatte 40 sowie die zweite Bipolarplatte 40 sind elektrisch leitfähig und beispielsweise aus Graphit oder aus Metall gefertigt.
Zwischen der Anode 21 und der ersten Bipolarplatte 40 ist eine erste Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die erste Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffpapier gefertigt. Die erste Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die erste Bipolarplatte 40 zugeführten Brennstoffs zu der Anode 21.
Zwischen der Kathode 22 und der zweiten Bipolarplatte 40 ist eine zweite Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die zweite Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffpapier gefertigt. Die zweite Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die zweite Bipolarplatte 40 zugeführten Oxidationsmittels zu der Kathode 22.
Die Anode 21, die Kathode 22, die Membran 18 und die beiden Gasdiffusionslagen 30 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Einheit 10, welche zentral innerhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Die erste Gasdiffusionslage 30 sowie die zweite Gasdiffusionslage 30 sind optional und können auch entfallen.
In der ersten Bipolarplatte 40 ist ein erster Medienraum 41 gebildet, der an die Membran-Elektroden-Einheit 10 angrenzt. Durch den ersten Medienraum 41 wird der Brennstoff, der über die erste Anschlussstelle 31 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Anode 21 weiter geleitet wird.
In der zweiten Bipolarplatte 40 ist ein zweiter Medienraum 42 gebildet, der an die Membran-Elektroden-Einheit 10 angrenzt. Durch den zweiten Medienraum 42 wird das Oxidationsmittel, das über die zweite Anschlussstelle 32 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Kathode 22 weiter geleitet wird. Durch den zweiten Medienraum 42 wird auch das im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehende Wasser zusammen mit der nicht verbrauchten Restluft über die dritte Anschlussstelle 33 aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet.
Die Anode 21, die erste Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete erste Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Kathode 22, die zweite Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete zweite Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Brennstoffzelle 2 verbunden.
In 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 5 schematisch dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 5 umfasst dabei mehrere alternierend angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten 10 und Bipolarplatten 40. Die Membran-Elektroden-Einheiten 10 sind dabei wie in 1 gezeigt aufgebaut und umfassen jeweils eine Anode 21, eine Kathode 22, eine dazwischen angeordnete Membran 18 und zwei Gasdiffusionslagen 30.
Die Bipolarplatten 40, die zischen je zwei Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet sind, umfassen jeweils eine zentral angeordnete Separatorplatte 50. Der erste Medienraum 41 und der zweite Medienraum 42, die an je eine der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 10 angrenzen, umgeben die Separatorplatte 50.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner jeweils ein erstes Strukturteil 51, welches dem ersten Medienraum 41 zugewandt ist, und ein zweites Strukturteil 52, welches dem zweiten Medienraum 42 zugewandt ist. Das erste Strukturteil 51 kann auch innerhalb des ersten Medienraums 41 angeordnet sein, und das zweite Strukturteil 52 kann auch innerhalb des zweiten Medienraums 42 angeordnet sein.
Die Bipolarplatten 40 weisen weiterhin hier nicht dargestellte Strukturen, beispielsweise in Form eines Kühlmittelraums, zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle 2 auf. Dadurch ist eine Abführung von im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehender Wärme und damit eine Kühlung der Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Separatorplatte 50 ist als flaches Blech ausgestaltet. An der Separatorplatte 50 liegt ein als flaches Blech ausgebildeter Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 an. Zwischen dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 und der Membran-Elektroden-Einheit 10 ist der erste Medienraum 41 gebildet.
Von dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 ragen Flügel 61, 62 durch den ersten Medienraum 41 bis zu der der Membran-Elektroden-Einheit 10. In der gezeigten Darstellung sind die zweiten Flügel 62 durch die ersten Flügel 61 verdeckt und daher nicht sichtbar. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 strömt der Brennstoff in Strömungsrichtung S durch den ersten Medienraum 41.
Das erste Strukturteil 51 kann aus einem Metall wie beispielsweise Eisen, Edelstahl oder Titan gefertigt sein. Der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 hat eine Dicke von höchstens 150 μm, bevorzugt höchstens 75 μm, weiter bevorzugt höchstens 25 μm. Der erste Medienraum 41 kann eine Höhe von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 700 μm, weiter bevorzugt höchstens 350 μm haben.
Das erste Strukturteil 51 und die Separatorplatte 50 sind mechanisch miteinander verbunden. Als Verbindungstechnik eignen sich beispielsweise Hartlöten, Weichlöten, Diffusionsfügen sowie Schweißen, insbesondere Laserschweißen, aber auch andere Schweißverfahren.
4 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer ersten Variante der Brennstoffzelle 2 aus 3. In den Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 sind mehrere Ausnehmungen 65 eingebracht, insbesondere gestanzt. Die Ausnehmungen 65 sind vorliegend rechteckförmig ausgebildet und umfassen jeweils zwei gegenüberliegende Längsseiten 70 und zwei gegenüberliegende Querseiten 72. Die Ausnehmungen 65 können insbesondere auch quadratisch sein. Die Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 verlaufen parallel zu der Strömungsrichtung S, und die Querseiten 72 der Ausnehmungen 65 verlaufen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung S.
Die Ausnehmungen 65 können auch derart angeordnet sein, dass die Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 rechtwinklig zu der Strömungsrichtung S verlaufen, und die Querseiten 72 der Ausnehmungen 65 parallel zu der Strömungsrichtung S verlaufen. Auch ist es denkbar, dass sowohl die Längsseiten 70 als auch die Querseiten 72 der Ausnehmungen 65 geneigt, beispielsweise um einen Winkel von 45°, zu der Strömungsrichtung S verlaufen.
Die Ausnehmungen 65 können auch beliebige andere Formen aufweisen und beispielsweise dreieckig sowie sechseckig ausgebildet sein. Auch können Seiten 70, 72 der Ausnehmungen 65 geneigt zueinander verlaufen, also nicht zwingend parallel oder rechtwinklig.
Die Ausnehmungen 65 sind in Reihen angeordnet. Benachbarte Ausnehmungen 65 in einer Reihe sind durch Stege 66 voneinander getrennt. Gemäß der hier gezeigten ersten Variante sind die Ausnehmungen 65 in den aufeinanderfolgenden Reihen gleichmäßig so verteilt, dass die Stege 66 der folgenden Reihe in der Mitte der Ausnehmungen 65 der vorangehenden Reihe liegen.
Die Länge der Längsseiten 70 entspricht maximal der Länge der Bipolarplatte 40, vorzugsweise sind kurze Stücke mit wenigen Millimeter Länge denkbar. Der Abstand zwischen zwei Reihen von Ausnehmungen 65 sollte so gering wie möglich, bevorzugt höchstens 1 mm, weiter bevorzugt höchstens 500 μm sein. Die Breite der Stege 66 ist ebenfalls möglichst schmal gewählt, bevorzugt höchstens 1 mm, weiter bevorzugt höchstens 500μm.
5 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus 4. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die ersten Flügel 61 und die zweiten Flügel 62 weg und erstrecken sich bis zu der Membran-Elektroden-Einheit 10. Zwischen den Flügeln 61, 62 und den Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 ist dabei jeweils ein Flügelwinkel A gebildet. Die von dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 entfernten Enden der Flügel 61, 62 weisen jeweils eine Umlenkung 69 auf. Die Umlenkung 69 kann eine Beschädigung der Membran-Elektroden-Einheit 10 verhindern.
Die Breite der Querseiten 72 ist durch die Höhe des ersten Medienraums 41 und den Flügelwinkel A sowie durch die Ausführung der Umlenkung 69 vorgegeben. Der Flügelwinkel A liegt in einem Bereich zwischen 70° und 90°, bevorzugt zwischen 80° und 90°. Durch die Flügelwinkel A und die Umlenkung 69 kann ein Vordruck auf die Membran-Elektroden-Einheit 10 ausgeübt werden um den elektrischen Kontakt zu verbessern.
6 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer zweiten Variante der Brennstoffzelle 2 aus 3, und 7 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus 6. Die Ausnehmungen 65 sind wie bei der in 4 und 5 dargestellten ersten Variante in Reihen angeordnet, und benachbarte Ausnehmungen 65 in einer Reihe sind durch Stege 66 voneinander getrennt.
Abweichend von der ersten Variante sind die Ausnehmungen 65 in den aufeinanderfolgenden Reihen vorliegend um etwa ein Drittel der der Breite der Querseiten 72 zueinander versetzt. Weiterhin sind unregelmäßige Versetzungen der Ausnehmungen 65 in aufeinanderfolgenden Reihen denkbar.
8 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer dritten Variante der Brennstoffzelle 2 aus 3. Die Separatorplatte 50 ist ebenfalls als flaches Blech ausgestaltet. Abweichend von der ersten und zweiten Variante ist der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 von der Separatorplatte 50 beabstandet angeordnet und befindet sich beispielsweise in der Mitte des ersten Medienraums 41.
Von Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die ersten Flügel 61 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10. Von den jeweils gegenüberliegenden Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die zweiten Flügel 62 zu der Separatorplatte 50.
9 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer vierten Variante der Brennstoffzelle 2 aus 3. Wie bei der dritten Variante ist der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 von der Separatorplatte 50 beabstandet angeordnet und befindet sich beispielsweise in der Mitte des ersten Medienraums 41. Die Ausnehmungen 65 sind in dem Grundkörper 60 in Reihen angeordnet.
Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in einer Reihe ragen die Flügel 61, 62 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in den benachbarten Reihen ragen die Flügel 61, 62 zu der Separatorplatte 50.
10 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Von einer Querseite 72 der Ausnehmungen 65 ragt jeweils eine Finne 63 von dem Grundkörper 60 weg und erstreckt sich in den ersten Medienraum 41 hinein. Die Finne 63 verläuft dabei rechtwinklig zu der Strömungsrichtung S. Mittels der Finne 63 kann die Strömung des Brennstoffs gezielt in Richtung der Membran-Elektroden-Einheit 10 umgelenkt werden.
Zwischen den Finnen 63 und den Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 ist dabei jeweils ein Finnenwinkel B gebildet. Der Finnenwinkel B liegt in einem Bereich zwischen 30° und 90°, bevorzugt zwischen 45° und 90°.
11 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 der Brennstoffzelle 2 aus 10, und 12 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus 11. Die maximale Länge der Finne 63 beträgt höchstens 0,7mal die Höhe des ersten Medienraums 41, bevorzugt höchstens 0,5mal die Höhe des ersten Medienraums 41, weiter bevorzugt höchstens 0,3mal die Höhe des ersten Medienraums 41.
13 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 ist von der Separatorplatte 50 beabstandet angeordnet und befindet sich beispielsweise in der Mitte des ersten Medienraums 41. Von Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die ersten Flügel 61 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10, und von den jeweils gegenüberliegenden Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die zweiten Flügel 62 zu der Separatorplatte 50.
Von der Querseite 72 der Ausnehmungen 65, welche in Strömungsrichtung S stromaufwärts gelegen ist, ragt jeweils eine Finne 63 von dem Grundkörper 60 weg in Richtung auf die Membran-Elektroden-Einheit 10 zu. Von der gegenüberliegenden Querseite 72 der Ausnehmungen 65, welche in Strömungsrichtung S stromabwärts gelegen ist, ragt jeweils eine Finne 63 von dem Grundkörper 60 weg in Richtung auf die Separatorplatte 50 zu. Mittels der Finnen 63 kann die Strömung des Brennstoffs gezielt in Richtung der Membran-Elektroden-Einheit 10 umgelenkt werden.
14 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 der Brennstoffzelle 2 aus 13, und 15 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus 14. Die maximale Länge der Finnen 63 beträgt höchstens 0,3mal die Höhe des ersten Medienraums 41.
Bei den Darstellungen nach 13, 14 und 15 auf der jeweils linken Seite sind die Finnen 63 jeweils einteilig ausgeführt. Dadurch sind die Kontaktflächen der Flügel 61, 62 mit der Membran-Elektroden-Einheit 10 sowie mit der Separatorplatte 50 verkleinert.
Bei den Darstellungen nach 13, 14 und 15 auf der jeweils rechten Seite sind die Finnen 63 jeweils zweiteilig ausgeführt und umfassen jeweils eine erste Teilfinne 63a und eine zweite Teilfinne 63b. Dadurch sind die Kontaktflächen der Flügel 61, 62 mit der Membran-Elektroden-Einheit 10 sowie mit der Separatorplatte 50 im Vergleich zu den Darstellungen 15 auf der jeweils linken Seite vergrößert.
16 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer vierten Ausführungsform. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 ragen erste Flügel 61 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10, und zweite Flügel 62 ragen zu der Separatorplatte 50.
Die Bipolarplatte 40 umfasst dabei zusätzlich ein Strukturelement 55, welches einen Grundkörper 60 aufweist, in den ebenfalls Ausnehmungen 65 eingebracht sind. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 des Strukturelements 55 ragen ebenfalls erste Flügel 61 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10, und zweite Flügel 62 ragen zu der Separatorplatte 50. Der Grundkörper 60 des Strukturelements 55 liegt vorliegend an dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 an.
Das erste Strukturteils 51 und das Strukturelement 55 sind derart angeordnet, dass die ersten Flügel 61 des Strukturelements 55 durch die Ausnehmungen 65 des ersten Strukturteils 51 hindurch ragen, und dass die zweiten Flügel 62 des ersten Strukturteils 51 durch die Ausnehmungen 65 des Strukturelements 55 hindurch ragen.
17 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer fünften Ausführungsform, welche ähnlich der in 16 dargestellten Brennstoffzelle 2 gemäß der vierten Ausführungsform ausgebildet ist. Abweichend von der Brennstoffzelle 2 gemäß der vierten Ausführungsform ist bei der Brennstoffzelle 2 gemäß einer fünften Ausführungsform der Grundkörper 60 des Strukturelements 55 von dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 beabstandet angeordnet.
Bei der vierten sowie der fünften Ausführungsform der Brennstoffzelle 2 ergibt sich eine Erhöhung der Kontaktstellenanzahl sowie der Kontaktflächen zu der Membran-Elektroden-Einheit 10 sowie zu der Separatorplatte 50. Ferner können die Abstände zwischen den Kontaktreihen verkleinert werden und es bleibt dennoch ein geschlossener Strompfad von Membran-Elektroden-Einheit 10 zu der Separatorplatte 50 bestehen. Dadurch wird eine größere Stromtragfähigkeit erreicht, wodurch die Grundkörper 60 der Strukturteile 51, 52 und des Strukturelements 55 eine geringere Materialstärke aufweisen können.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013226815 A1 [0006]
DE 102012221730 A1 [0007]
DE 102014207594 A1 [0008]
DE 102013223817 A1 [0009]
JP 5252193 B2 [0010]
JP 2010-061992 A [0010]
JP 2010-061994 A [0011]

Claims

Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit (10) und mindestens eine Bipolarplatte (40), die eine Separatorplatte (50) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) mindestens ein Strukturteil (51, 52) umfasst, welches einen Grundkörper (60), in den Ausnehmungen (65) eingebracht sind, und Flügel (61, 62), die von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) weg ragen und sich bis zu der mindestens einen Membran-Elektroden-Einheit (10) erstrecken, aufweist.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des mindestens einen Strukturteils (51, 52) an der Separatorplatte (50) anliegt.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des mindestens einen Strukturteils (51, 52) von der Separatorplatte (50) beabstandet angeordnet ist, und dass Flügel (61, 62) sich von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) bis zu der Separatorplatte (50) erstrecken.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) mindestens ein Strukturelement (55) umfasst, welches einen Grundkörper (60), in den Ausnehmungen (65) eingebracht sind, und Flügel (61, 62), die von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) weg ragen, aufweist, wobei Flügel (61, 62) des Strukturelements (55) durch Ausnehmungen (65) des Strukturteils (51, 52) hindurch ragen, und Flügel (61, 62) des Strukturteils (51, 52) durch Ausnehmungen (65) des Strukturelements (55) hindurch ragen.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des Strukturelements (55) an dem Grundkörper (60) des Strukturteils (51, 52) anliegt.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des Strukturelements (55) von dem Grundkörper (60) des Strukturteils (51, 52) beabstandet angeordnet ist.
Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (65) rechteckförmig ausgebildet sind, und dass die Flügel (61, 62) von gegenüberliegenden Längsseiten (70) der Ausnehmungen (65) weg ragen.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einer Querseite (72) der Ausnehmungen (65) mindestens eine Finne (63) von dem Grundkörper (60) weg ragt.
Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Grundkörper (60) entfernten Enden der Flügel (61, 62) eine Umlenkung (69) aufweisen.
Verwendung einer Brennstoffzelle (2), nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).