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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst.
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Stand der Technik
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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.
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Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H2O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spaltet.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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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.
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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 zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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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.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Aus der
DE 10 2012 221 730 A1 ist eine Brennstoffzelle mit einer gattungsgemäßen Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
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Auch 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. Dieser mäanderförmige Kanal dient dabei zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist dabei in dem Verteilbereich mindestens ein Gewebe vorgesehen. Durch geeignete Anordnung und Ausbildung des Gewebes können gezielt Strukturen zur Verteilung der Reaktionsgase in dem Verteilbereich ausgebildet werden.
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Vorzugsweise ist das Gewebe in dem zweiten Verteilbereich vorgesehen, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Das Gewebe kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode vorgesehen sein.
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Unter einem Gewebe ist im Sinn der vorliegenden Erfindung eine Struktur zu verstehen, welche aus miteinander verwobenen Drähten, Fäden oder Fasern gebildet ist. Das Gewebe ist dabei verhältnismäßig flach ausgebildet. Das Gewebe erstreckt sich also in einer Fläche, welche eine Gewebeebene definiert, deutlich weiter als in einer Richtung, welche senkrecht zu dieser Gewebeebene steht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist Gewebe dabei porös ausgebildet. Somit ist das Gewebe in einer Richtung parallel zu der besagten Gewebeebene ebenso wie in der Richtung senkrecht zu der Gewebeebene für das Oxidationsmittel sowie für den Brennstoff und auch für abzuleitendes Wasser durchlässig.
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Vorzugsweise ist das Gewebe elektrisch leitfähig ausgebildet. Damit stellt das Gewebe eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Elektrode her. Somit kann das Gewebe die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freigesetzten Elektronen leiten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewebe mindestens eine Metall enthaltende Faser auf. Die Metall enthaltende Faser stellt insbesondere die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes sicher. Als mögliche Materialien für die Metall enthaltende Faser eignen sich beispielsweise Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewebe mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Faser auf. Die Kohlenstoff enthaltende Faser ist besonders korrosionsbeständig und erhöht zusätzlich die erforderliche mechanische Stabilität des Gewebes.
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Gemäß noch einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewebe mindestens eine Kunststoff enthaltende Faser auf. Die Kunststoff enthaltende Faser ist im Vergleich zu Fasern aus anderen Materialien verhältnismäßig leicht und reduziert somit das Gewicht des Gewebes.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewebe lediglich eine Art von Fasern auf.
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Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das Gewebe mindestens zwei unterschiedliche Arten von Fasern auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in dem Verteilbereiche mindestens zwei Gewebe übereinander gestapelt. Die übereinander gestapelten Gewebe können dabei gleichartig aufgebaut und ausgebildet sein. Die übereinander gestapelten Gewebe können aber auch verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise können die übereinander gestapelten Gewebe aus verschiedenen Materialien gefertigt sein oder verschiedene Porositäten aufweisen.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt.
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Vorteile der Erfindung
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Gewebe sind extrem offenporig, haben also eine hohe Porosität. Durch entsprechende Variation der verwendeten Materialien bei der Herstellung des Gewebes kann das Gewebe an die vorhandenen Bedingungen und Anforderungen angepasst werden. Die Struktur des Gewebes lässt sich sehr einfach variieren. Beispielsweise kann das Gewebe derart ausgestaltet sein, dass in Strömungsrichtung am Anfang kleinere Poren ausgebildet sind als am Ende. Auch sind Gewebe, insbesondere im Vergleich zu Schäumen, sehr einfach und kostengünstig herzustellen. Beim Durchströmen des Gewebes von einem Gas entsteht nur ein verhältnismäßig geringer Druckverlust für die Gasströmung quer zu der Gewebeebene. Da nur verhältnismäßig wenige Kontaktpunkte des Gewebes mit der dem Gewebe benachbarten Kathode existieren, werden Wasseransammlungen an der Kathode weitgehend vermieden. Unterschiedliche Materialien mit gewünschten spezifischen Eigenschaften können vorteilhaft kombiniert werden. Beispielsweise ist eine Kombination aus elektrisch gut leitfähigen metallischen Fasern mit kohlenstoffhaltigen Fasern denkbar, die eine bessere Korrosionsbeständigkeit besitzen. Zusätzlich sind Beschichtungen denkbar, die einerseits die Korrosionsfestigkeit und andererseits die Benetzungseigenschaften des Gewebes einstellen können. Die Höhe des Gewebes, also die Ausdehnung senkrecht zu der Gewebeebene, kann beispielsweise durch die Verwendung von dickeren Fasern an die Höhe des Verteilbereichs angepasst werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Stapelung mehrerer dünndrahtiger Gewebe. Dadurch ist auch eine Verwendung verschiedener Materialien über die Höhe ermöglicht.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
- 2 ein Gewebe für einen Verteilbereich einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3 ein Gewebe für einen Verteilbereich einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- 4 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-Ionen, durchlässig.
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Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
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Die Bipolarplatten 40 können ferner einen dritten Verteilbereich 70 umfassen, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich 60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
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Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste Trennplatte 75 voneinander getrennt. Die zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über den ersten Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über den zweiten Verteilbereich 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
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2 zeigt ein Gewebe 80 für einen Verteilbereich 50, 60 einer Bipolarplatte 40 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Gewebe 80 gemäß der ersten Ausführungsform weist mehrere Metall enthaltende Fasern 81 und Kohlenstoff enthaltende Fasern 82 auf. In der gezeigten Darstellung ist jeweils nur eine der besagten Fasern 81, 82 dargestellt.
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Die Fasern 81, 82 sind zu einer flächig ausgebildeten Struktur verwoben. Das Gewebe 80 gemäß der ersten Ausführungsform erstreckt sich dabei vorwiegend in einer Gewebeebene, welche rechtwinklig zu einer Normalrichtung N orientiert ist.
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3 zeigt ein Gewebe 80 für einen Verteilbereich 50, 60 einer Bipolarplatte 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Gewebe 80 gemäß der zweiten Ausführungsform weist mehrere Metall enthaltende Fasern 81, Kohlenstoff enthaltende Fasern 82 und Kunststoff enthaltende Fasern 83 auf. In der gezeigten Darstellung ist jeweils nur eine der besagten Fasern 81, 82, 83 dargestellt.
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Die Fasern 81, 82, 83 sind zu einer flächig ausgebildeten Struktur verwoben. Das Gewebe 80 gemäß der zweiten Ausführungsform erstreckt sich dabei vorwiegend in einer Gewebeebene, welche rechtwinklig zu einer Normalrichtung N orientiert ist. Das Gewebe 80 gemäß der zweiten Ausführungsform erstreckt sich dabei weiter in die Normalrichtung N als das in 2 gezeigte Gewebe 80 gemäß der ersten Ausführungsform.
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4 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1, welche zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten10 angeordnet ist. Die Trennplatten 75, 76 sind als flache dünne metallische Bleche ausgebildet und bilden zwischen sich den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels. Zwischen der ersten Trennplatte 75 und der Anode 21 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der erste Verteilbereich 50. Zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 der anderen benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der erste Verteilbereich 50.
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Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird in einer ersten Strömungsrichtung 43 in den ersten Verteilbereich 50 geleitet. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, wird in einer zweiten Strömungsrichtung 44 in den zweiten Verteilbereich 60 geleitet. Vorliegend verlaufen die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 parallel zueinander. Es ist auch denkbar, dass die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 entgegengesetzt oder auch orthogonal zueinander verlaufen.
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In dem zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels und zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser ist ein Gewebe 80 gemäß der zweiten Ausführungsform angeordnet. Das Gewebe 80 erstreckt sich von der zweiten Trennplatte 76 durch den zweiten Verteilbereich 60 hindurch bis zu der Kathode 22 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10. Die Normalrichtung N des Gewebes 80 verläuft rechtwinklig zu der ersten Strömungsrichtung 43 und zu der zweiten Strömungsrichtung 44.
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Das Gewebe 80 ist dabei porös und ist damit für das eingeleitete Oxidationsmittel durchlässig. Das Gewebe 80 ist auch elektrisch leitfähig und stellt somit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 her.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012221730 A1 [0009]
- DE 102014207594 A1 [0010]
