DE102016226092A1

DE102016226092A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016226092A1
Application number: DE102016226092.8A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28
Also published as: CN110114924A; JP6866485B2; US20190372133A1; JP2020502759A; WO2018114948A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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), eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22) und eine zwischen der ersten Verteilstruktur (50) und der zweiten Verteilstruktur (60) angeordnete dritte Verteilstruktur (70) mit einem dritten Verteilbereich (170) zur Durchleitung eines Kühlmittels, wobei der dritte Verteilbereich (170) durch eine fluiddichte erste innere Trennschicht (85) von dem ersten Verteilbereich (150) getrennt ist und durch eine fluiddichte zweite innere Trennschicht (86) von dem zweiten Verteilbereich (160) getrennt ist. Der dritte Verteilbereich (170) ist dabei von Pfosten (75) durchsetzt, welche sich von der ersten inneren Trennschicht (85) bis zu der zweiten inneren Trennschicht (86) erstrecken. 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, eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Verteilstruktur und der zweiten Verteilstruktur angeordnete dritte Verteilstruktur mit einem dritten Verteilbereich zur Durchleitung eines Kühlmittels umfasst, wobei der dritte Verteilbereich durch eine fluiddichte erste innere Trennschicht von dem ersten Verteilbereich getrennt ist und durch eine fluiddichte zweite innere Trennschicht von dem zweiten Verteilbereich getrennt ist. 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 (O2) 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 zur 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, eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Verteilstruktur und der zweiten Verteilstruktur angeordnete dritte Verteilstruktur mit einem dritten Verteilbereich zur Durchleitung eines Kühlmittels umfasst. Dabei ist der dritte Verteilbereich durch eine fluiddichte erste innere Trennschicht von dem ersten Verteilbereich getrennt und durch eine fluiddichte zweite innere Trennschicht von dem zweiten Verteilbereich getrennt.
Unter fluiddicht ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die inneren Trennschichten für den der Brennstoffzelle zugeführten gasförmigen Brennstoff, für das der Brennstoffzelle zugeführte gasförmige Oxidationsmittel sowie für das aus der Brennstoffzelle abzuleitende Wasser undurchlässig sind. Insbesondere sind die inneren Trennschichten auch für das Kühlmittel undurchlässig.
Erfindungsgemäß ist der dritte Verteilbereich von Pfosten durchsetzt, welche sich von der ersten inneren Trennschicht bis zu der zweiten inneren Trennschicht erstrecken. Die Pfosten sind derart in dem dritten Verteilbereich angeordnet, dass das Kühlmittel Wärme von der ersten Verteilstruktur und von der zweiten Verteilstruktur optimal aufnehmen kann. Die Pfosten können beliebige Querschnitte aufweisen, beispielsweise kreisförmig, elliptisch, tropfenförmig, dreieckig oder polygonal. Die Pfosten können symmetrisch sowie auch asymmetrisch angeordnet sein.
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.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Verteilstruktur und die zweite Verteilstruktur jeweils von einem porösen Schaum gebildet, wobei die fluiddichte erste innere Trennschicht einteilig mit dem porösen Schaum der ersten Verteilstruktur ausgebildet ist, und die fluiddichte zweite innere Trennschicht einteilig mit dem porösen Schaum der zweiten Verteilstruktur ausgebildet 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 mit 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.
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.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der poröse Schaum der ersten Verteilstruktur und/oder der zweiten Verteilstruktur inhomogen ausgebildet und weist eine variierende Porosität auf. Unter der Porosität ist dabei das Verhältnis des Hohlraumvolumens zu dem Gesamtvolumen des porösen Schaums zu verstehen. Die Porosität ist damit umso größer, je mehr und größere Hohlräume in den Schaum vorhanden sind.
Vorzugsweise ist eine Porosität des porösen Schaums der ersten Verteilstruktur in der Nähe der Bodenfläche geringer ist als in der Nähe der ersten inneren Trennschicht. Ebenso ist eine Porosität des porösen Schaums der zweiten Verteilstruktur in der Nähe der Deckfläche geringer ist als in der Nähe der zweiten inneren Trennschicht.
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 aber auch denkbar, dass fluiddurchlässige Bereiche, durch welche der Brennstoff zu der ersten Elektrode sowie das Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode gelangen, zumindest teilweise an den Seitenflächen sowie an den Stirnflächen angeordnet sind.
Vorzugsweise sind der poröse Schaum der ersten Verteilstruktur sowie der poröse Schaum der zweiten Verteilstruktur aus einem metallischen Stoff gefertigt. Damit sind die Verteilstrukturen elektrisch leitfähig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste innere Trennschicht und/oder die zweite innere Trennschicht wellenartig ausgebildet. Die erste innere Trennschicht und/oder die zweite innere Trennschicht ist also nicht flach oder eben ausgebildet, sondern weist variierende Abstände zu der Deckfläche sowie zu der Bodenfläche der Bipolarplatte auf.
Die Pfosten in dem dritten Verteilbereich können beispielsweise aus einem porösen Material gefertigt sein. Insbesondere können die Pfosten aus einem porösen Schaum gebildet sein, ähnlich wie die ersten Verteilstruktur und die zweite Verteilstruktur.
Die Pfosten in dem dritten Verteilbereich können aber auch aus einem massiven Material gefertigt sein und somit keine Porosität aufweisen.
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
In der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist eine optimale Wärmeabgabe an das Kühlmittel in der dritten Verteilstruktur gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des dritten Verteilbereichs in der dritten Verteilstruktur ergibt sich ein minimaler Druckverlust des Kühlmittels beim Durchströmen des dritten Verteilbereichs. Dadurch sinken die Anforderungen an eine Kühlmittelpumpe, insbesondere an deren Leistung, welche Kühlmittel durch die Bipolarplatte pumpt. Durch die inhomogen ausgebildeten Verteilstrukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels können diese Verteilstrukturen die Funktion einer Gasdiffusionslage mit übernehmen. Separate Gasdiffusionslagen sind somit nicht erforderlich. Die Bipolarplatte weist auch eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Mittels der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sind die Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels und der Abtransport des durch die Reaktion entstandenen Wassers optimal. Ferner sind die Kosten für die Fertigung der Bipolarplatte sowie eines Brennstoffzellenstapels verhältnismäßig gering.
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,
2 eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1,
3 einen Schnitt durch die Bipolarplatte aus 2,
4 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer ersten Verteilstruktur,
5 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer zweiten Verteilstruktur und,
6 eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1 gemäß einer abgewandelten 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.
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, 70, 60 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.
2 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1. Die Bipolarplatte 40 ist von einem ersten Zufuhrkanal 151, einem zweiten Zufuhrkanal 161 und einem dritten Zufuhrkanal 171 durchbrochen. Auch ist die Bipolarplatte 40 von einem ersten Abfuhrkanal 152, einem zweiten Abfuhrkanal 162 und einem dritten Abfuhrkanal 172 durchbrochen. In der gezeigten Darstellung ist die erste Verteilstruktur 50 durch den ersten Zufuhrkanal 151 und den ersten Abfuhrkanal 152 geschnitten, die zweite Verteilstruktur 60 ist durch den zweiten Zufuhrkanal 161 und den zweiten Abfuhrkanal 162 geschnitten und die dritte Verteilstruktur 70 ist durch den dritten Zufuhrkanal 171 und den dritten Abfuhrkanal 172 geschnitten.
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. Der erste Verteilbereich 150 ist mit dem ersten Zufuhrkanal 151 und dem ersten Abfuhrkanal 152 verbunden. Die fluiddichte erste innere Trennschicht 85 ist einteilig mit dem porösen Schaum 80 der ersten Verteilstruktur 50 ausgebildet.
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. Der zweite Verteilbereich 160 ist mit dem zweiten Zufuhrkanal 161 und dem zweiten Abfuhrkanal 162 verbunden. Die fluiddichte zweite innere Trennschicht 86 ist einteilig mit dem porösen Schaum 80 der zweiten Verteilstruktur 60 ausgebildet.
Die dritte Verteilstruktur 70 weist einen zentral gelegenen dritten Verteilbereich 170 zur Durchleitung des Kühlmittels auf. Der dritte Verteilbereich 170 ist mit dem dritten Zufuhrkanal 171 und dem dritten Abfuhrkanal 172 verbunden. Der dritte Verteilbereich 170 ist im Wesentlichen hohl ausgebildet. Der dritte Verteilbereich 170 ist von mehreren Pfosten 75 durchsetzt, welche sich von der ersten inneren Trennschicht 85 bis zu der zweiten inneren Trennschicht 86 erstrecken. Die Pfosten 75 sind vorliegend aus einem massiven Material, insbesondere einem Metall, gefertigt. Die Pfosten können auch aus einem porösen Material, beispielsweise einem Schaum 80, gefertigt sein.
Die Bipolarplatte 40 ist quaderförmig ausgebildet und weist eine Deckfläche 42, eine gegenüberliegende 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 vorliegend auch parallel 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.
Der erste Verteilbereich 150 grenzt an die Bodenfläche 43 an, welche fluiddurchlässig ausgebildet ist. 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.
Der zweite Verteilbereich 160 grenzt an die Deckfläche 42 an, welche fluiddurchlässig ausgebildet ist. 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.
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 Bipolarplatte 40 weist Montagenippel 167, 168 auf, welche aus der zweiten Verteilstruktur 60 heraus ragen und welche vorliegend hohlzylindrisch ausgebildet sind. Ein erster Montagenippel ragt aus dem ersten Zufuhrkanal 151 heraus, ein zweiter Montagenippel ragt aus dem ersten Abfuhrkanal 152 heraus, ein dritter Montagenippel 167 ragt aus dem zweiten Zufuhrkanal 161 heraus, ein vierter Montagenippel 168 ragt aus dem zweiten Abfuhrkanal 162 heraus, ein fünfter Montagenippel ragt aus dem dritten Zufuhrkanal 171 heraus und ein sechster Montagenippel ragt aus dem dritten Abfuhrkanal 172 heraus. In der hier gezeigten Darstellung sind nur der dritte Montagenippel 167 und der vierte Montagenippel 168 sichtbar. Bei montiertem Brennstoffzellenstapel 5 ragen die Montagenippel 167, 168 in die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 und in die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 einer benachbarten Bipolarplatte 40 hinein.
3 zeigt einen Schnitt durch die Bipolarplatte 40, insbesondere durch die dritte Verteilstruktur 70, entlang der Schnittlinie A - A aus 2. Die dritte Verteilstruktur 70 weist in der Nähe der Zufuhrkanäle 151, 161, 171 und der Abfuhrkanäle 152, 162, 172 Bereiche auf, welche aus einem porösen Schaum 80 gebildet sind.
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. 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 Trennwände 88 gehen in die inneren Trennschichten 85, 86 und in die äußeren Trennschichten 82 über.
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. 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.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der ersten Verteilstruktur 50. Der poröse Schaum 80 der ersten Verteilstruktur 50 ist inhomogen ausgebildet und weist eine variierende Porosität auf. Die Porosität des porösen Schaums 80 ist in der Nähe der Bodenfläche 43 geringer als in der Nähe der ersten inneren Trennschicht 85.
5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der zweiten Verteilstruktur 60. Der poröse Schaum 80 der zweiten Verteilstruktur 60 ist inhomogen ausgebildet und weist eine variierende Porosität auf. Die Porosität des porösen Schaums 80 der zweiten Verteilstruktur 60 ist in der Nähe der Deckfläche 42 geringer als in der Nähe der zweiten inneren Trennschicht 86.
6 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels aus 1 gemäß einer abgewandelten Ausführungsform. Die hier gezeigte Bipolarplatte 40 gemäß der abgewandelten Ausführungsform entspricht weitgehend der in 2 gezeigten Bipolarplatte 40. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen.
Die zweite innere Trennschicht 86 ist dabei nicht flach oder eben sondern wellenartig ausgebildet. Die zweite innere Trennschicht 86 weist somit entlang des dritten Verteilbereichs 170 variierende Abstände zu der Deckfläche 42 und zu der Bodenfläche 43 der Bipolarplatte 40 auf. Die erste innere Trennschicht 85 ist vorliegend flach ausgebildet, könnte aber ebenfalls wellenartig ausgebildet sein.
Durch entsprechende Gestaltung der inneren Trennschichten 85, 86 kann die Strömung des Brennstoffs in dem ersten Verteilbereich 150 sowie des Oxidationsmittels in dem zweiten Verteilbereich 160 beeinflusst werden.
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), eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22) und eine zwischen der ersten Verteilstruktur (50) und der zweiten Verteilstruktur (60) angeordnete dritte Verteilstruktur (70) mit einem dritten Verteilbereich (170) zur Durchleitung eines Kühlmittels, wobei der dritte Verteilbereich (170) durch eine fluiddichte erste innere Trennschicht (85) von dem ersten Verteilbereich (150) getrennt ist und durch eine fluiddichte zweite innere Trennschicht (86) von dem zweiten Verteilbereich (160) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verteilbereich (170) von Pfosten (75) durchsetzt ist, welche sich von der ersten inneren Trennschicht (85) bis zu der zweiten inneren Trennschicht (86) erstrecken.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1, 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 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilstruktur (50) und die zweite Verteilstruktur (60) jeweils von einem porösen Schaum (80) gebildet sind, wobei die fluiddichte erste innere Trennschicht (85) einteilig mit dem porösen Schaum (80) der ersten Verteilstruktur (50) ausgebildet ist, und die fluiddichte zweite innere Trennschicht (86) einteilig mit dem porösen Schaum (80) der zweiten Verteilstruktur (60) ausgebildet ist.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Schaum (80) der ersten Verteilstruktur (50) und/oder der zweiten Verteilstruktur (60) inhomogen ausgebildet ist und eine variierende Porosität aufweist.
Bipolarplatte (40) nach einem der Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porosität des porösen Schaums (80) der ersten Verteilstruktur (50) in der Nähe der Bodenfläche (43) geringer ist als in der Nähe der ersten inneren Trennschicht (85), und/oder dass eine Porosität des porösen Schaums (80) der zweiten Verteilstruktur (60) in der Nähe der Deckfläche (42) geringer ist als in der Nähe der zweiten inneren Trennschicht (86).
Bipolarplatte (40) nach einem der Anspruch 3 bis 5, 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 Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Schaum (80) der ersten Verteilstruktur (50) und/oder der poröse Schaum (80) der zweiten Verteilstruktur (60) aus einem metallischen Stoff gefertigt ist.
Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Trennschicht (85) und/oder die zweite innere Trennschicht (86) wellenartig ausgebildet ist.
Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfosten (75) aus einem porösen Material gefertigt sind.
Bipolarplatte (40) nach einem der Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfosten (75) aus einem massiven Material gefertigt sind.
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.