DE102016225573A1

DE102016225573A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016225573A1
Application number: DE102016225573.8A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-21
Also published as: WO2018114271A1; CN211017245U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine erste Verteilstruktur (50) mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode, wobei die Verteilstrukturen (50, 60) von einen porösen Schaum (80) gebildet sind. Die Verteilstrukturen (50, 60) sind von einem ersten Zufuhrkanal (151), der mit dem ersten Verteilbereich verbunden ist, und von einem zweiten Zufuhrkanal (161), der mit dem zweiten Verteilbereich verbunden ist, durchbrochen, wobei die Zufuhrkanäle (151, 161) durch mindestens eine fluiddichte Trennwand (88) voneinander getrennt sind, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte (40) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche eine erste Verteilstruktur mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst, wobei die Verteilstrukturen von einem porösen Schaum gebildet sind. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 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 (02) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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.
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 zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O
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 die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Gasverteilerplatten vorgesehen, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden. 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.
Es sind auch Bipolarplatten mit Verteilstrukturen zur Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode bekannt, welche poröse Schäume aufweisen. Die Schäume weisen dabei derartige Porositäten auf, dass die zugeführten Reaktionsgase sowie das bei der Reaktion entstandene Wasser hindurchströmen können.
Auch aus der DE 10 2013 223 776 A1 ist eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel bekannt. Die Bipolarplatte weist Verteilstrukturen auf, welche aus metallischem Schaum hergestellt sind und welche zur Einleitung der Reaktionsgase in den Brennstoffzellenstapel sowie zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers dienen. Die Bipolarplatte weist ferner eine Verteilstruktur auf, welche aus metallischem Schaum hergestellt ist und welche Durchleitung einer Kühlflüssigkeit dient.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche eine erste Verteilstruktur mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Dabei sind die Verteilstrukturen von einem porösen Schaum gebildet. Die Verteilbereiche der Verteilstrukturen sind also porös und somit fluiddurchlässig ausgebildet.
Erfindungsgemäß sind die Verteilstrukturen von einem ersten Zufuhrkanal, der mit dem ersten Verteilbereich verbunden ist, und von einem zweiten Zufuhrkanal, der mit dem zweiten Verteilbereich verbunden ist, durchbrochen. Die Zufuhrkanäle sind durch mindestens eine fluiddichte Trennwand voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet ist. Der erste Zufuhrkanal dient dazu, den Brennstoff dem ersten Verteilbereich zuzuführen. Der zweite Zufuhrkanal dient dazu, das Oxidationsmittel dem zweiten Verteilbereich zuzuführen.
Unter fluiddicht ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Trennwand für den der Brennstoffzelle zugeführten gasförmigen Brennstoff, für das der Brennstoffzelle zugeführte gasförmige Oxidationsmittel sowie für das aus der Brennstoffzelle abzuleitende Wasser undurchlässig ist.
Ein solcher Schaum ist beispielsweise durch einen schmelzmetallurgischen Herstellprozess herstellbar. Dabei wird zunächst ein poröser Formkörper als Platzhalter aus beispielsweise Polyurethan oder ähnlichem Material erstellt. Der Platzhalter wird derart gebildet, dass ein offenporöser Raum in seinem Inneren entsteht, und einige Seiten ganz frei vom Platzhaltermaterial sind. Der offenporöse Innenraum wird ferner durch zwei freie Räume aufgeteilt. Der Stirnbereich wird auch durch teilweise freie Räume gebildet, so dass die notwendigen Trennwände für die Abdichtung der Medien nachher entstehen können. Der Formkörper wird dann mit einer flüssigen Vergussmasse umgossen. Bei der flüssigen Vergussmasse handelt es sich beispielsweise um eine Metallschmelze. Die Vergussmasse dringt dabei in den offenporösen Raum beziehungsweise in die freien Stirn-, Innen- und Seitenräume des Formkörpers ein und bildet nach Erstarren den offenporösen Schaum beziehungsweise die fluiddichten Trennschichten, welche 10 bis 100 µm dick sind. Das Platzhaltermaterial wird danach durch Spülen oder Wegbrennen entfernt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Verteilbereich von dem zweiten Verteilbereich durch mindestens eine fluiddichte innere Trennschicht getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Bipolarplatte quaderförmig ausgebildet und eine Deckfläche und eine gegenüberliegende Bodenfläche der Bipolarplatte sind fluiddurchlässig ausgebildet. Dabei grenzt der erste Verteilbereich an die Bodenfläche an und der zweite Verteilbereich grenzt an die Deckfläche an. Durch die fluiddurchlässige Bodenfläche kann der Brennstoff zu der ersten Elektrode gelangen. Durch die fluiddurchlässige Deckfläche kann das Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode gelangen.
Falls durch den Herstellungsprozess des Schaums alle Flächen durch eine fluiddichte Trennschicht verschlossen sind, wird diese Trennschicht nachfolgend an der Bodenfläche sowie an der Deckfläche entfernt.
Vorteilhaft sind zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen der Bipolarplatte jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht gebildet, welche einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet sind. Ebenso sind vorteilhaft zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen der Bipolarplatte jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht gebildet, welche einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet sind.
Es ist auch denkbar, dass die gegenüberliegenden Seitenflächen der Bipolarplatte jeweils teilweise von einer fluiddichten äußeren Trennschicht gebildet sind, wobei die fluiddichten äußeren Trennschichten einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet sind. Die Seitenflächen können in diesem Fall auch fluiddurchlässige Bereiche, insbesondere zum Einlass sowie zum Auslass des Brennstoffs, des Oxidationsmittels sowie des abzuleitenden Wassers, aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der ersten Verteilstruktur und der zweiten Verteilstruktur eine dritte Verteilstruktur mit einem dritten Verteilbereich zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen, welche von einem porösen Schaum gebildet ist. Die dritte Verteilstruktur ist dabei ebenfalls von dem ersten Zufuhrkanal und dem zweiten Zufuhrkanal durchbrochen. Ferner sind die erste Verteilstruktur, die zweite Verteilstruktur und die dritte Verteilstruktur von einem dritten Zufuhrkanal durchbrochen, welcher mit dem dritten Verteilbereich verbunden ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Verteilstruktur mit der dritten Verteilstruktur stoffschlüssig verbunden, und/oder die zweite Verteilstruktur ist mit der dritten Verteilstruktur stoffschlüssig verbunden. Die Verteilstrukturen werden also zunächst separat gefertigt und anschließend durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden. Alternativ kann auch beispielsweise die erste Verteilstruktur einteilig mit der dritten Verteilstruktur ausgebildet sein, und/oder die zweite Verteilstruktur kann einteilig mit der dritten Verteilstruktur ausgebildet sein.
Zur Vereinfachung der Montage der Bipolarplatte kann dabei jede Verteilstruktur mindestens einen Montagenippel aufweisen, welcher in eine benachbarte Verteilstruktur hinein ragt.
Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Bipolarplatte einteilig ausgebildet. Das bedeutet, die Verteilstrukturen sind einteilig aus dem porösen Schaum gebildet.
Zur Vereinfachung der Montage einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels kann die Bipolarplatte mindestens einen Montagenippel aufweisen. In einer montierten Brennstoffzelle oder in einem montierten Brennstoffzellenstapel ragt der mindestens einen Montagenippel dann in eine benachbarte Bipolarplatte hinein.
Vorzugsweise sind der poröse Schaum der ersten Verteilstruktur sowie der poröse Schaum der zweiten Verteilstruktur sowie der poröse Schaum der dritten Verteilstruktur aus einem metallischen Stoff gefertigt. Damit sind die Verteilstrukturen elektrisch leitfähig.
Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit 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-Elektrodeneinheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Auch ist die Fertigung der Verteilstrukturen sowie der ganzen Bipolarplatte aus einteilig ausgebildetem Schaum mit fluiddichten Trennwänden und Trennschichten verhältnismäßig einfach und kostengünstig durchführbar. Auch eine Beschichtung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Verteilstrukturen ist deutlich vereinfacht. Weiterhin ist die Anzahl der erforderlichen Dichtungen deutlich verringert. So ist zwischen den nach außen weisenden Seitenflächen und Stirnflächen keine separate Dichtung erforderlich. Lediglich an den Zufuhrkanälen und gegebenenfalls an den Deckflächen sind Dichtungen erforderlich. Die erforderlichen Anpresskräfte bei der Montage eines Brennstoffzellenstapels deutlich reduziert. Ferner sinken die Anforderungen an eine Kühlmittelpumpe, insbesondere an deren Leistung, welche Kühlmittel durch die Bipolarplatte pumpt.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
2a eine geschnittene Darstellung einer ersten Verteilstruktur,
2b einen Schnitt durch die erste Verteilstruktur von 2a entlang einer ersten Schnittlinie A-A,
3a eine geschnittene Darstellung einer zweiten Verteilstruktur,
3b einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur von 3a entlang einer zweiten Schnittlinie B-B,
4a eine geschnittene Darstellung einer dritten Verteilstruktur,
4b einen Schnitt durch die dritte Verteilstruktur von 4a entlang einer dritten Schnittlinie C-C,
5 eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1 und
6 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit einer Membran-Elektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels aus 1.

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.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran-Elektrodeneinheit 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.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektrodeneinheit 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.
Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils eine erste Verteilstruktur 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Verteilstruktur 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, die der Kathode 22 zugewandt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Verteilstruktur 70, welche zwischen der ersten Verteilstruktur 50 und der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet ist. Die dritte Verteilstruktur 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzellen 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
Die erste Verteilstruktur 50 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine erste innere Trennschicht 85 voneinander getrennt. Die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine zweite innere Trennschicht 86 voneinander getrennt. Die inneren Trennschichten 85, 86 der Bipolarplatten 40 sind fluiddicht ausgebildet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite Verteilstruktur 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 fließen durch die Verteilstrukturen 50, 60, 70 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
2a zeigt eine geschnittene Darstellung einer ersten Verteilstruktur 50. Die erste Verteilstruktur 50 ist von einem porösen Schaum 80 gebildet, welcher aus einem metallischen Stoff gefertigt ist. Die erste Verteilstruktur 50 weist einen zentral gelegenen ersten Verteilbereich 150 zur Verteilung des Brennstoffs an die Anode 21 auf.
Die erste Verteilstruktur 50 ist von einem ersten Zufuhrkanal 151, einem zweiten Zufuhrkanal 161 und einem dritten Zufuhrkanal 171 durchbrochen. Auch ist die erste Verteilstruktur 50 von einem ersten Abfuhrkanal 152, einem zweiten Abfuhrkanal 162 und einem dritten Abfuhrkanal 172 durchbrochen. Der erste Verteilbereich 150 ist mit dem ersten Zufuhrkanal 151 und dem ersten Abfuhrkanal 152 verbunden.
Der erste Abfuhrkanal 152 ist derart angeordnet, dass bezogen auf den ersten Zufuhrkanal 151 eine optimale Strömung des Brennstoffs möglich ist. Beispielsweise sind der erste Zufuhrkanal 151 und der erste Abfuhrkanal 152 an diagonal gegenüberliegenden Ecken der ersten Verteilstruktur 50 angeordnet.
Die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 sind durch fluiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Auch die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 sind durch fluiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Somit ist der erste Verteilbereich 150 auch von dem zweiten Zufuhrkanal 161, dem zweiten Abfuhrkanal 162, dem dritten Zufuhrkanal 171 und dem dritten Abfuhrkanal 172 getrennt.
2b zeigt einen Schnitt durch die erste Verteilstruktur 50 von 2a entlang einer ersten Schnittlinie A-A. Der erste Verteilbereich 150 grenzt an eine Bodenfläche 43 an, welche fluiddurchlässig ausgebildet ist. Eine der Bodenfläche 43 gegenüberliegende Fläche des ersten Verteilbereichs 150 ist von der fluiddichten ersten inneren Trennschicht 85 gebildet.
Außenflächen der ersten Verteilstruktur 50, welche rechtwinklig zu der Bodenfläche 43 orientiert sind, sind jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die fluiddichten äußeren Trennschichten 82 sind einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet.
Der erste Zufuhrkanal 151 dient zur Einleitung des Brennstoffs. Der erste Abfuhrkanal 152 dient zur Ausleitung von nicht benötigtem Brennstoff. Der Brennstoff strömt in einer ersten Strömungsrichtung 51 durch den ersten Zufuhrkanal 151 in den ersten Verteilbereich 150 hinein. Von dort strömt ein Teil des Brennstoffs durch die Bodenfläche 43 zu der hier nicht dargestellten Anode 21. Ein weiterer Teil des Brennstoffs strömt durch den ersten Abfuhrkanal 152 aus der ersten Verteilstruktur 50 hinaus.
3a zeigt eine geschnittene Darstellung einer zweiten Verteilstruktur 60. Die zweite Verteilstruktur 60 ist von einem porösen Schaum 80 gebildet, welcher aus einem metallischen Stoff gefertigt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 weist einen zentral gelegenen zweiten Verteilbereich 160 zur Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode 22 auf.
Die zweite Verteilstruktur 60 ist von einem ersten Zufuhrkanal 151, einem zweiten Zufuhrkanal 161 und einem dritten Zufuhrkanal 171 durchbrochen. Auch ist die zweite Verteilstruktur 60 von einem ersten Abfuhrkanal 152, einem zweiten Abfuhrkanal 162 und einem dritten Abfuhrkanal 172 durchbrochen. Der zweite Verteilbereich 160 ist mit dem zweiten Zufuhrkanal 161 und dem zweiten Abfuhrkanal 162 verbunden.
Der zweite Abfuhrkanal 162 ist derart angeordnet, dass bezogen auf den zweiten Zufuhrkanal 161 eine optimale Strömung des Oxidationsmittels möglich ist. Beispielsweise sind der zweite Zufuhrkanal 161 und der zweite Abfuhrkanal 162 an diagonal gegenüberliegenden Ecken der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet.
Die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 sind durch fluiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Auch die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 sind durch fluiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Somit ist der zweite Verteilbereich 160 auch von dem ersten Zufuhrkanal 151, dem ersten Abfuhrkanal 152, dem dritten Zufuhrkanal 171 und dem dritten Abfuhrkanal 172 getrennt.
3b zeigt einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur 60 von 3a entlang einer zweiten Schnittlinie B-B. Der zweite Verteilbereich 160 grenzt an eine Deckfläche 42 an, welche fluiddurchlässig ausgebildet ist. Eine der Deckfläche 42 gegenüberliegende Fläche des zweiten Verteilbereichs 160 ist von der fluiddichten zweiten inneren Trennschicht 86 gebildet.
Außenflächen der zweiten Verteilstruktur 60, welche rechtwinklig zu der Deckfläche 42 orientiert sind, sind jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die fluiddichten äußeren Trennschichten 82 sind einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet.
Der zweite Zufuhrkanal 161 dient zur Einleitung des Oxidationsmittels. Der zweite Abfuhrkanal 162 dient zur Ausleitung von nicht benötigtem Oxidationsmittel. Der Oxidationsmittel strömt in einer zweiten Strömungsrichtung 61 durch den zweiten Zufuhrkanal 161 in den zweiten Verteilbereich 160 hinein. Von dort strömt ein Teil des Oxidationsmittels durch die Deckfläche 42 zu der hier nicht dargestellten Kathode 22. Ein weiterer Teil des Oxidationsmittels strömt durch den zweiten Abfuhrkanal 162 aus der zweiten Verteilstruktur 60 hinaus.
4a zeigt eine geschnittene Darstellung einer dritten Verteilstruktur 70. Die dritte Verteilstruktur 70 ist von einem porösen Schaum 80 gebildet, welcher aus einem metallischen Stoff gefertigt ist. Die dritte Verteilstruktur 70 weist einen zentral gelegenen dritten Verteilbereich 170 zur Durchleitung des Kühlmittels auf.
Die dritte Verteilstruktur 70 ist von einem ersten Zufuhrkanal 151, einem zweiten Zufuhrkanal 161 und einem dritten Zufuhrkanal 171 durchbrochen. Auch ist die dritte Verteilstruktur 70 von einem ersten Abfuhrkanal 152, einem zweiten Abfuhrkanal 162 und einem dritten Abfuhrkanal 172 durchbrochen. Der dritte Verteilbereich 170 ist mit dem dritten Zufuhrkanal 171 und dem dritten Abfuhrkanal 172 verbunden.
Die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 sind durch fluiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Auch die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 sind durch fluiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Somit ist der dritte Verteilbereich 170 auch von dem ersten Zufuhrkanal 151, dem ersten Abfuhrkanal 152, dem zweiten Zufuhrkanal 161 und dem zweiten Abfuhrkanal 162 getrennt.
4b zeigt einen Schnitt durch die dritte Verteilstruktur 70 von 4a entlang einer dritten Schnittlinie C-C. Zwei sich gegenüberliegende Flächen des dritten Verteilbereichs 170 sind von der fluiddichten ersten inneren Trennschicht 85 sowie von der fluiddichten zweiten inneren Trennschicht 86 gebildet.
Außenflächen der dritten Verteilstruktur 70, welche rechtwinklig zu den inneren Trennschichten 85, 86 orientiert sind, sind jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die fluiddichten äußeren Trennschichten 82 sind einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet.
Der dritte Zufuhrkanal 171 dient zur Einleitung des Kühlmittels. Der dritte Abfuhrkanal 172 dient zur Ausleitung des Kühlmittels. Das Kühlmittel strömt in einer dritten Strömungsrichtung 71 durch den dritten Zufuhrkanal 171 in den dritten Verteilbereich 170 hinein und durch den dritten Abfuhrkanal 172 aus der dritten Verteilstruktur 70 hinaus.
Die in 2 gezeigte erste Verteilstruktur 50, die in 3 gezeigte zweite Verteilstruktur 60 und die in 4 gezeigte dritte Verteilstruktur 70 weisen jeweils Montagenippel 157, 158, 167, 168, 177, 178 auf, welche vorliegend hohlzylindrisch ausgebildet sind. Der erste Montagenippel 157 ragt jeweils aus dem ersten Zufuhrkanal 151 heraus, der zweite Montagenippel 158 ragt jeweils aus dem ersten Abfuhrkanal 152 heraus, der dritte Montagenippel 167 ragt jeweils aus dem zweiten Zufuhrkanal 161 heraus, der vierte Montagenippel 168 ragt jeweils aus dem zweiten Abfuhrkanal 162 heraus, der fünfte Montagenippel 177 ragt jeweils aus dem dritten Zufuhrkanal 171 heraus und der sechste Montagenippel 178 ragt jeweils aus dem dritten Abfuhrkanal 172 heraus.
5 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1. Die Bipolarplatte 40 weist die in 2 dargestellte erste Verteilstruktur 50, die in 3 dargestellte zweite Verteilstruktur 60 und die in 4 dargestellte dritte Verteilstruktur 70 auf. Die Verteilstrukturen 50, 60, 70 sind dabei wie in 2b, 3b und 4b gezeigt geschnitten.
Die Montagenippel 157, 158, 167, 168, 177, 178 der ersten Verteilstruktur 50 ragen in die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 und in die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 der dritten Verteilstruktur 70 hinein. Die Montagenippel 157, 158, 167, 168, 177, 178 der dritten Verteilstruktur 70 ragen in die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 und in die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 der zweiten Verteilstruktur 60 hinein. Die Montagenippel 157, 158, 167, 168, 177, 178 der zweiten Verteilstruktur 60 ragen bei montiertem Brennstoffzellenstapel 5 in die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 und in die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 einer benachbarten Bipolarplatte 40 hinein.
Die Montagenippel 157, 158, 167, 168, 177, 178 bilden dabei mit den Zufuhrkanälen 151, 161, 171 und Abfuhrkanälen 152, 162, 172 jeweils eine Presspassung. Somit sind die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 und die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 abgedichtet.
Die dritte Verteilstruktur 70 ist mit der ersten Verteilstruktur 50 an der ersten inneren Trennschicht 85 stoffschlüssig verbunden. Die dritte Verteilstruktur 70 ist mit der zweiten Verteilstruktur 60 an der zweiten inneren Trennschicht 86 stoffschlüssig verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Bipolarplatte 40 auch einteilig ausgebildet sein. In diesem Fall sind die erste Verteilstruktur 50, die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 der Bipolarplatte 40 einteilig aus einem porösen Schaum 80 gebildet.
Die Bipolarplatte 40 ist quaderförmig ausgebildet und weist neben der Deckfläche 42 und der gegenüberliegenden Bodenfläche 43 eine erste Stirnfläche 47, eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche 48, eine hier nicht sichtbare erste Seitenfläche 45 und eine gegenüberliegende hier nicht sichtbare zweite Seitenfläche 46 auf. Die Deckfläche 42 und die Bodenfläche 43 verlaufen parallel zueinander und zu den inneren Trennschichten 85, 86. Die Deckfläche 42 und die Bodenfläche 43 verlaufen rechtwinklig zu den Stirnflächen 47, 48 und rechtwinklig zu den Seitenflächen 45, 46. Die Stirnflächen 47, 48 verlaufen rechtwinklig zu den Seitenflächen 45, 46.
Die Seitenflächen 45, 46 und die Stirnflächen 47, 48 sind jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die äußeren Trennschichten 82 der Seitenflächen 45, 46 und der Stirnflächen 47, 48 sind dabei einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet. Die inneren Trennschichten 85, 86 gehen in die äußeren Trennschichten 82 über. Die hier nicht sichtbaren Trennwände 88 gehen in die inneren Trennschichten 85, 86 und in die äußeren Trennschichten 82 über.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 40 mit einer Membran-Elektrodeneinheit 10 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1. Die Membran-Elektrodeneinheit 10 weist dabei einen Rahmen 12 aus umlaufenden Wänden auf. Die Membran 18, die Anode 21 und die Kathode 22 sind in den Rahmen 12 eingebettet, welcher dazu eine Vertiefung von vorliegend 200 µm aufweist.
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 102013223776 A1 [0009]

Claims

Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend eine erste Verteilstruktur (50) mit einem ersten Verteilbereich (150) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21) und eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22), wobei die Verteilstrukturen (50, 60) von einem porösen Schaum (80) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilstrukturen (50, 60) von einem ersten Zufuhrkanal (151), der mit dem ersten Verteilbereich (150) verbunden ist, und von einem zweiten Zufuhrkanal (161), der mit dem zweiten Verteilbereich (160) verbunden ist, durchbrochen sind, wobei die Zufuhrkanäle (151, 161) durch mindestens eine fluiddichte Trennwand (88) voneinander getrennt sind, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet ist.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verteilbereich (150) von dem zweiten Verteilbereich (160) durch mindestens eine fluiddichte innere Trennschicht (85, 86) getrennt ist, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet ist.
Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) quaderförmig ausgebildet ist, und dass eine Deckfläche (42) und eine gegenüberliegende Bodenfläche (43) der Bipolarplatte (40) fluiddurchlässig ausgebildet sind, wobei der erste Verteilbereich (150) an die Bodenfläche (43) angrenzt, und der zweite Verteilbereich (160) an die Deckfläche (42) angrenzt.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen (45, 46) der Bipolarplatte (40) jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht (82) gebildet sind, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet sind, und/oder dass zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen (47, 48) der Bipolarplatte (40) jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht (82) gebildet sind, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet sind.
Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Verteilstruktur (50) und der zweiten Verteilstruktur (60) eine dritte Verteilstruktur (70) mit einem dritten Verteilbereich (170) zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen ist, welche von einem porösen Schaum (80) gebildet ist.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilstruktur (50) mit der dritten Verteilstruktur (70) stoffschlüssig verbunden ist, und/oder dass die zweite Verteilstruktur (60) mit der dritten Verteilstruktur (70) stoffschlüssig verbunden ist.
Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verteilstruktur (50, 60, 70) mindestens einen Montagenippel (157, 158, 167, 168, 177, 178) aufweist, welcher in eine benachbarte Verteilstruktur (50, 60, 70) hinein ragt.
Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) einteilig ausgebildet ist.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) mindestens einen Montagenippel (157, 158, 167, 168, 177, 178) aufweist.
Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Schaum (80) der ersten Verteilstruktur (50) und/oder der poröse Schaum (80) der zweiten Verteilstruktur (60) und/oder der poröse Schaum (80) der dritten Verteilstruktur (70) aus einem metallischen Stoff gefertigt ist.
Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche.