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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, die für jedes der Reaktionsmedien einen Gaseinlasskanal und einen Gasauslasskanal, die durch Strömungskanäle miteinander verbunden sind, aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Bipolarplatte.
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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. Sofern die durch eine Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung nicht ausreicht, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen, der gemeinsam mit den zur Versorgung und Konditionierung der Reaktanten erforderlichen Nebenaggregaten wie Verdichter, Befeuchter, Ladeluftkühler, Hauptwasserkühler und Umwälzpumpe die Brennstoffzellenvorrichtung bildet.
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Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über den Gaseinlasskanal in die Bipolarplatten geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten bewirken soll, um die gesamte Fläche der Membranelektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen und nicht verbrauchte Reaktanten über den Gasauslasskanal abzuleiten. Die an den Elektroden stattfindende Reaktion verbraucht die Reaktanten, sodass der Druck in den Gaseinlasskanal und den Gasauslasskanal verbindenden Strömungskanälen abfällt und weiter stromab vom Gaseinlasskanal liegende Bereiche der Elektroden aufgrund des Druckverlustes schlechter versorgt werden, wobei darüber hinaus der ebenfalls gewünschte Flüssigwasseraustrag weniger sicher erfolgt.
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In der
US 6 686 082 B2 ist für eine Brennstoffzelle eine trapezförmig gestaltete Gasdiffusionslage vorgeschlagen, in der ein Flussfeld bereitgestellt ist, das durch einseitig offene, sich im Längsrichtung des Trapezes erstreckende Kanäle gebildet ist. In der
US 2006/0234107 A1 wird vorgeschlagen, eine vergleichbare trapezförmig gestaltete Platte als Bipolarplatte zu verwenden, wobei neben der Ausbildung der Kanäle in Längsrichtung der Bipolarplatte auch ein mäanderformiger Verlauf offenbart ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte bereitzustellen, in der der Druckverlust der strömenden Reaktanten verringert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen.
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Der die Bipolarplatte betreffende Teil der Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruches 1 und der die Brennstoffzellenvorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass von dem Gaseinlass und dem Gasauslass der Eine im Zentrum der Bipolarplatte und der Andere im Randbereich ausgebildet ist, wobei dies für beide Reaktionsmedien gilt. Als Zentrum der Bipolarplatte kann dabei im allgemeinsten Fall der Massenschwerpunkt angesehen werden, der beispielsweise sich bei einem Rechteck durch den Schnittpunkt der Diagonalen ergibt oder bei einem Kreis durch den Mittelpunkt. Es ist darauf hinzuweisen, dass allerdings die Form der Bipolarplatten nicht auf derartig regelmäßig geformte Flächen beschränkt ist und Modifikationen bzw. Abweichungen davon gleichfalls vorliegen können. Dadurch, dass beispielsweise der Gaseinlasskanal im Zentrum und der Gasauslasskanal im Randbereich ausgebildet ist, liegen deutlich verkürzte Strömungswege in dem Strömungskanal vor, sodass auch eine geringere Druckdifferenz durch geringere Druckverluste über den Strömungsweg vorliegt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass für beide Reaktanten der Gaseinlasskanal im Zentrum und der Gasauslasskanal im Randbereich positioniert ist, wobei die Vorteile sich allerdings auch realisieren lassen, wenn nach Art einer Gegenstromanordnung für den einen Reaktanten der Gaseinlasskanal im Zentrum und für den anderen Reaktanten der Gaseinlasskanal im Randbereich positioniert ist, mit entsprechend korrespondierend angeordneten Gasauslasskanälen; die Länge des Strömungsweges in den Strömungskanälen kann dabei gleich bemessen sein.
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Ganz besonders bevorzugt dabei ist, wenn die Bipolarplatte kreisrund und einstückig ausgebildet ist mit im Mittelpunkt angeordneten Gaseinlasskanälen und/oder Gasauslasskanälen, die für jedes Reaktionsmedium durch eine Mehrzahl radial verlaufender Strömungskanäle mit den an der Peripherie ausgebildeten komplementären Gaseinlasskanälen oder Gasauslasskanälen verbunden sind. Bei dieser hochsymmetrischen Form der Bipolarplatte ist die Länge des Strömungsweges in den Strömungskanälen durch den Radius der Bipolarplatte vorgegeben, wobei die Fläche der Bipolarplatte im Verhältnis zum Umfang maximiert und die Länge der Strömungskanäle minimiert ist und sich dadurch ein gutes Verhältnis von aktiver Fläche der Bipolarplatte zur Gesamtfläche ergibt mit besonders günstigen Verhältnissen hinsichtlich des Druckverlustes. Bei dieser Gestaltung ergibt sich auch die weitere vorteilhafte Möglichkeit, dass Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, die benachbart zu den Gaseinlasskanälen der Strömungskanäle und den Gasauslasskanälen ausgebildet sind, sodass die gewünschte Kühlung der Bipolarplatte bzw. Brennstoffzelle die Ausbildung und Anordnung der übrigen Kanälen nicht beeinträchtigt.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die im Zentrum befindlichen Gaseinlasskanäle und/oder Gasauslasskanäle und/oder Kühlmittelkanäle mit ihrem gemeinsamen Querschnitt einen Kreis ausbilden, da dann diese Verhältnisse für alle der in der Bipolarplatte ausgebildeten Kanäle gleichermaßen gegeben sind.
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Um die einer Bipolarplatte zugeordnete Membranelektrodenanordnung gleichmäßig über die aktive Fläche mit Reaktanten zu versorgen, besteht die Möglichkeit, dass bei der Bipolarplatte die Strömungskanäle sich vom Zentrum zum Randbereich, insbesondere zu der Peripherie hin aufweiten, wobei insbesondere bei der Strömungsrichtung von der Peripherie zum Zentrum hin durch die dann gegebene Verengung eine Verdichtung und damit eine Druckerhöhung der strömenden Reaktanten gegeben ist, die geeignet ist, die Druckverluste zu kompensieren oder sogar auszugleichen. Es ergibt sich dabei, dass höhere Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden und somit der Wasseraustrag besser gewährleistet werden kann. Ist kein Aufweiten bzw. Verengen der Strömungskanäle gewünscht, also ein konstanter Querschnitt, besteht die Möglichkeit, die die Strömungskanäle trennenden Stege aufzuweiten.
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Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass die Strömungskanäle sich in ihrem Verlauf vom Zentrum zum Randbereich, insbesondere zu der Peripherie zur Reduktion des Querschnitts mindestens einmal aufteilen, also für einen einzelnen Strömungskanal ein Y-förmiger Verlauf gegeben ist, der die vom Zentrum zur Peripherie gegebene Verlängerung des Bogens in einem Winkelabschnitt kompensiert und damit einem Druckverlust durch die Querschnittsvergrößerung des Strömungskanals entgegenwirkt.
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Günstig ist es weiterhin, dass bei den randseitig angeordneten Kanälen für jedes Reaktionsmedium die Strömungskanäle an Verteilerkanäle oder Sammlerkanäle angeschlossen sind, die sich zu einem Kreisumfang ergänzen, wobei die Kühlmittelkanäle ein Segment des Kreisumfanges bilden.
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Mit einer derartig verbesserten Bipolarplatte wird die Effizienz einer Brennstoffzellenvorrichtung gesteigert.
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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 einer kreisrund ausgebildeten Bipolarplatte mit teilweise dargestellten Strömungskanälen für das anodenseitige Flussfeld,
- 2 eine der 1 entsprechende Darstellung für das kathodenseitige Flussfeld,
- 3 eine schematische Darstellung der sich mit ihrem Querschnitt zu einem Kreis ergänzenden, im Zentrum befindlichen Kanäle,
- 4 eine gegenüber der 3 alternative Gestaltung der sich zu einem Kreis ergänzenden Kanäle,
- 5 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit den sich zu dem Kreisumfang ergänzenden randseitig angeordneten Gasauslasskanälen,
- 6 eine der 5 entsprechende Darstellung mit den Kühlmittelkanälen als Teilsegment des Kreisumfangs, und
- 7 einen Querschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatte, mit dem über die gesamte Längserstreckung verlaufenden Flussfeld.
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Ein Brennstoffzellenstapel ist aus einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinandergestapelten Brennstoffzellen gebildet.
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Die Brennstoffzelle selber umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die in einer Membranelektrodenanordnung 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.
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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 dienen.
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Dem Anodenraum einer Brennstoffzelle 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. Anodenseitig findet die folgende Reaktion statt: 2H2 → 4H+ + 4e- Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Den Kathodenräumen einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2+ 4H+ + 4e- → H2O.
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Die in einer Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion führt somit zur Erzeugung von Produktwasser.
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Die Brennstoffzelle verfügt beidseitig der Membranelektrodenanordnung zum einen über Gasdiffusionsschichten und zum anderen über Bipolarplatten 1, in denen zum einen Strömungskanäle 2 für die Reaktanten und zum anderen Leitungen 3 für ein Kühlmittel ausgebildet sind. Die Bipolarplatten 1 werden also genutzt, um den Wasserstoff und den Sauerstoff zur Membranelektrodenanordnung zu leiten und mithilfe der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig zu verteilen.
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Für eine kurze Gestaltung der Strömungswege für die Reaktanten ist gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Bipolarplatte 1 so gestaltet, dass für den das eine Reaktionsmedium bildenden Brennstoff, insbesondere Wasserstoff der Gaseinlasskanal 4 im Zentrum der Bipolarplatte 1 ausgebildet ist und der Gasauslasskanal 5 sich im Randbereich befindet, also der Brennstoff vom Eintritt in die Bipolarplatte 1 diese nicht über ihre gesamte, sondern nur über die hälftige Erstreckung durchströmen muss.
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Die 2 zeigt, dass für das andere Reaktionsmedium, in diesem Fall Luft, die Gestaltung gleichartig getroffen ist. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Strömungsrichtungen sowohl vom Zentrum nach außen zum Randbereich, als auch in umgekehrter Richtung verlaufen können und desweiteren beide Reaktionsmedien nicht in die gleiche Richtung strömen müssen, sondern auch ein Gegenstrom realisiert werden kann.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Bipolarplatte 1 kreisrund und insbesondere einstückig ausgebildet mit den im Mittelpunkt angeordneten Gaseinlasskanälen 4,6 die für jedes Reaktionsmedium durch eine Mehrzahl radial verlaufener Strömungskanäle 2 mit den an der Peripherie 9 ausgebildeten komplementären Gasauslasskanälen 5,7 verbunden sind. Zu beachten ist, dass Kühlmittelkanäle 8 vorgesehen sind, die benachbart zu den Gaseinlasskanälen 4, 6 der Strömungskanäle 2 und den Gasauslasskanälen ausgebildet sind. 3 zeigt dabei auf, dass die im Zentrum befindlichen Kanäle 4,6,8 sich mit ihrem gemeinsamen Querschnitt zu einem Kreis ergänzen, wobei dies sektorenweise erfolgen kann oder durch eine andere, aus der 4 ersichtliche Aufteilung mit die Kreisfläche unterteilenden Sehnen, die die Querschnittsflächen der einzelnen Kanäle 4,6,8 voneinander abgrenzen.
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Die 1 und 2 zeigen auch, dass die Strömungskanäle 2 sich vom Zentrum zu der Peripherie 9 hin aufweiten, wobei auch die Möglichkeit besteht, dass die Strömungskanäle 2 sich in ihrem Verlauf vom Zentrum zu der Peripherie 9 zur Reduktion des Querschnitts mindestens einmal aufteilen, also diese Y-förmig oder mit einer Baumstruktur gestaltet sind.
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Die 5 und 6 zeigen, dass die randseitig angeordneten Kanäle 5,7,8 für jedes Reaktionsmedium einen zugeordneten Verteilerkanal 10 oder Sammlerkanal 11 (Header) aufweisen, die sich zu dem Kreisumfang ergänzen, wobei bei der Präsenz von Kühlmittelkanälen 8 diese ein Segment des Kreisumfanges bilden (6).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Strömungskanal
- 3
- Kühlmittel
- 4
- anodenseitiger Gaseinlasskanal
- 5
- anodenseitiger Gasauslasskanal
- 6
- kathodenseitiger Gaseinlasskanal
- 7
- kathodenseitiger Gasauslasskanal
- 8
- Kühlmittelkanal
- 9
- Peripherie
- 10
- Verteilerkanal
- 11
- Sammlerkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6686082 B2 [0004]
- US 2006/0234107 A1 [0004]
