DE102018212880A1

DE102018212880A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102018212880A1
Application number: DE102018212880.4A
Authority: DE
Inventors: Lasse Schmidt; Sebastian Kirsch
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle (1), mit in einem Plattenkörper (7) ausgebildeten Strömungskanälen (5) für einen Reaktanten sowie mit Leitungen (6) für ein Kühlmittel. Dem Plattenkörper (7) sind hydrophile, poröse Stege (8) zugeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, mit in einem Plattenkörper ausgebildeten Strömungskanälen für die Reaktanten sowie mit Leitungen für ein Kühlmittel. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellen werden für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden, wozu in dem Plattenkörper der Bipolarplatten Strömungskanäle ausgebildet sind. Um die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme abführen zu können, verfügen die Bipolarplatten weiterhin über Leitungen für ein Kühlmittel. Problematisch bei bekannten Brennstoffzellen ist, dass durch das bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Produktwasser Funktionsschichten der Brennstoffzelle geflutet werden, was zu einem Leistungsverlust und auch zu einer verstärkten Degradation führt.
In der DE 11 2006 001 838 B4 ist eine elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte mit einem metallischen Plattenkörper offenbart, auf dem eine metallhaltige haftungsfördernde Schicht angeordnet ist, auf der wiederum eine leitende Verbundpolymerschicht angeordnet ist. Der Plattenkörper umfasst Stege benachbart zu den Kanälen, wobei die metallhaltige haftungsfördernde Schicht in den Kanälen frei von darauf angeordneten leitenden Verbundpolymermaterial ist.
In der DE 10 2008 016 681 A1 ist eine Bipolarplatte offenbart mit mehreren darin gebildeten Strömungskanälen, die eine darauf abgeschiedene hydrophile Beschichtung aufweisen, wobei die Vielzahl zwischen den Kanälen angeordneten Stege frei von der hydrophilen Beschichtung sind.
Des Weiteren zeigt die DE 11 2006 002 140 T5 eine Bipolarplatte, die Kanäle bildende Stege umfasst, mit einer in den Kanälen aufgebrachten porösen, hydrophilen Beschichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art so auszubilden, dass das Wassermanagement verbessert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereitzustellen.
Der die Bipolarplatte betreffende Teil der Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruches 1 und der die Brennstoffzellenstapel betreffende Teil der Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Produktwasser in einer Brennstoffzelle kondensiert an deren kältesten Stellen in den Funktionsschichten, die sich im Bereich der Zuführung des Kühlmittels finden. Die dem Plattenkörper der Bipolarplatte zugeordneten hydrophilen, porösen Stege können das für die Flutung einer Brennstoffzelle verantwortliche Produktwasser aufnehmen und somit aus den Funktionsschichten entfernen. Damit wird deren Flutung verhindert und der Gastransport der Reaktanten in den Strömungskanälen verbessert. Zudem verringert die Abwesenheit von flüssigem Wasser die Auflösung des Katalysators in der Membranelektrodenanordnung, wodurch auch die Haltbarkeit durch die verbesserte Bipolarplatte verlängert wird.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Stege benachbart zu den Leitungen angeordnet sind, um also in den Bereichen der verstärkten Kondensation des Produktwassers auch eine schnelle Ableitung zu ermöglichen.
Als günstig hat es sich weiterhin gezeigt, wenn die Stege an die Strömungskanäle grenzen, die stärkere hydrophile Eigenschaften aufweisen als die Stege. Durch diese Gestaltung wird erreicht, dass das in den Stegen aufgenommene Wasser in das in die Strömungskanäle strömende Gas abgegeben und von diesem ausgetragen werden kann.
Das Material für die Stege ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Graphit, Metall, elektrisch leitfähige Metalloxide sowie elektrisch leitfähige Kunststoffe umfasst.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die separat gefertigten Stege an dem Plattenkörper befestigt sind. Es ist nämlich möglich, dass die Stege unabhängig von der restlichen Bipolarplatte ausgeführt werden, wodurch eine Teilung in Stege und restlichen Plattenkörper gegeben ist, so dass die Stege bei der Herstellung nicht mehr den Limitationen des Plattenkörpers, insbesondere hinsichtlich der Umformgrenzen unterliegen.
Der Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die eine Membranelektrodenanordnung und benachbart zu der Membranelektrodenanordnung liegende Gasdiffusionsschichten aufweisen, zeigen eine höhere Leistungsfähigkeit und eine geringere Degradation der Membranelektrodenanordnung, wenn die vorstehend definierten Bipolarplatten für die Brennstoffzellen verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Schnitts durch eine Brennstoffzelle mit darin verwendeten Bipolarplatten,
2 eine der 1 entsprechende Darstellung mit der Symbolisierung des Wasseraustrags aus den porösen, hydrophilen Stegen durch die von den Reaktanten durchströmten Strömungskanälen, und
3 die Darstellung der Degradation (D) erfindungsgemäßer Bipolarplatten in Abhängigkeit der Zyklen pro Stunde (C/h) im Vergleich mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte ohne poröse, hydrophile Stege.

In der 1 ist als Teil eines Brennstoffzellenstapels eine Brennstoffzelle 1 gezeigt, wobei darauf hinzuweisen ist, dass der Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinandergestapelten Brennstoffzellen 1 gebildet ist.
Die Brennstoffzelle 1 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die in einer Membranelektrodenanordnung 2 zusammengefasst sind. Die Membran ist aus einem Polymer, vorzugsweise aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbonmembran gebildet sein.
In den Anoden und/oder in den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassende Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 1 dienen.
Dem Anodenraum einer Brennstoffzelle 1 wird wasserstoffhaltiger Brennstoff zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Membran lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Den Kathodenräumen einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → H₂O.
Die in einer Brennstoffzelle 1 stattfindende elektrochemische Reaktion führt somit zur Erzeugung von Produktwasser.
Die Brennstoffzelle 1 verfügt beidseitig der Membranelektrodenanordnung 2 zum einen über Gasdiffusionsschichten 3 und zum anderen über Bipolarplatten 4, in denen zum einen Strömungskanäle 5 für die Reaktanten und zum anderen Leitungen 6 für ein Kühlmittel ausgebildet sind. Die Bipolarplatten 4 werden also genutzt, um den Wasserstoff und den Sauerstoff zur Membranelektrodenanordnung 2 zu leiten und mithilfe der Gasdiffusionsschicht 3 gleichmäßig zu verteilen.
Bei den in der 1 gezeigten Bipolarplatten 4 sind deren Plattenkörper 7 hydrophile, poröse Stege 8 zugeordnet, die geeignet sind, beim Betrieb der Brennstoffzelle 1 anfallendes Wasser aufzunehmen, wozu die Stege 8 benachbart zu den Leitungen 6 angeordnet sind, um im Bereich der das Kühlmittel führenden Leitungen 6 anfallendes Kondenswasser zu erfassen.
Zu beachten ist, dass die Stege 8 an die Strömungskanäle 5 grenzen, die stärkere hydrophile Eigenschaften aufweisen als die Stege 8, so dass von den Stegen 8 aufgenommenes Wasser aus diesen wieder austreten und mit den zugeführten gasförmigen Reaktanten ausgetragen werden kann, wie dies in 2 symbolisiert dargestellt ist mit Wassertropfen, die vom Gasstrom mitgerissen werden.
Das Material für die Stege 8 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Graphit, Metall, elektrisch leitfähige Metalloxide sowie elektrisch leitfähige Kunststoffe umfasst.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Stege 8 separat von den Plattenkörpern 7 gefertigt und an diesen befestigt werden können.
In der 3 ist eine zeitabhängige Darstellung der Degradation einer Brennstoffzelle 1 wiedergegeben, wobei die mit einem Quadrat gekennzeichneten Messwerte mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte 4 erfasst wurden, während die durch eine Raute symbolisierten Messwerte das verbesserte, vorteilhafte Degradationsverhalten einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 4 in einer Brennstoffzelle 1 zeigen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzelle
2: Membranelektrodenanordnung
3: Gasdiffusionsschicht
4: Bipolarplatte
5: Strömungskanal
6: Leitungen
7: Plattenkörper
8: Steg
9: Wassertropfen
10: Gasstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112006001838 B4 [0003]
DE 102008016681 A1 [0004]
DE 112006002140 T5 [0005]

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle (1), mit in einem Plattenkörper (7) ausgebildeten Strömungskanälen (5) für einen Reaktanten sowie mit Leitungen (6) für ein Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plattenkörper (7) hydrophile, poröse Stege (8) zugeordnet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (8) benachbart zu den Leitungen (7) angeordnet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (8) an die Strömungskanäle (5) grenzen, die stärker hydrophile Eigenschaften aufweisen als die Stege (8).
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Stege (8) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Graphit, Metall, elektrisch leitfähige Metalloxide sowie elektrisch leitfähige Kunststoffe umfasst.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die separat gefertigten Stege (8) an dem Plattenkörper (7) befestigt sind.
Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (1), die eine Membranelektrodenanordnung (2) und benachbart zu der Membranelektrodenanordnung (2) liegende Gasdiffusionsschichten (3) aufweisen sowie Bipolarplatten (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.