-
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit einem Plattenkörper, an dessen erster Plattenseite ein erstes Flussfeld mittels einer Mehrzahl von auf der ersten Plattenseite beabstandet voneinander angeordneten ersten Kanälen gebildet ist, und an dessen der ersten Plattenseite gegenüberliegenden zweiten Plattenseite ein zweites Flussfeld mittels einer Mehrzahl von voneinander beabstandet angeordneten zweiten Kanälen gebildet ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel.
-
Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
-
Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten die Reaktantengase zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden, die häufig durch zwei metallische, miteinander verschweißte Umformteile gebildet sind.
-
Die
DE 10 2018 200 846 A1 beschreibt eine Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei dieser, wie auch bei der
DE 10 2004 043 513 B4 , werden je zwei Bipolarplatten verschachtelt übereinander gestapelt, um die Kanäle für die Zufuhr der Reaktanden und des Kühlmittels in die Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden.
-
Die US 2005 / 028 206 0 A1 offenbart eine Bipolarplatte mit quer zur Oberfläche verlaufenden Kühlmittelkanälen. In der WO 1998 / 026 464 A2 ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, bei dem zwischen der Membranelektrodenanordnung und der Kollektorplatte eine Kühlmittelkanäle aufweisende Kühlmittelkarten eingeschoben ist.
-
Die WO 2018 / 111 962 A1 offenbart eine Bipolarplatte, an deren einen Seite ein erstes Flussfeld und auf deren anderen Seite ein zweites Flussfeld angeordnet ist.
-
Die
FR 2 864 862 A1 offenbart eine Bipolarplatte, bei der Kühlmittelkanäle horizontal bzw. quer zu den an einer ersten Seite und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite ausgebildeten Reaktantenkanälen verlaufen.
-
Die Verwendung von Bipolarplatten, bei denen die Kühlmittelkanäle durch das Übereinanderstapeln der Bipolarplatten gebildet werden, führt zu einer großen Bauhöhe des Brennstoffzellenstapels und damit zu einem hohen Platzbedarf.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte, einen Brennstoffzellenaufbau und einen Brennstoffzellenstapel mit einem geringeren Platzbedarf bereitzustellen.
-
Die die Bipolarplatte betreffende Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die den Brennstoffzellenaufbau betreffende Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenaufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die den Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Die Bipolarplatte zeichnet sich dabei dadurch aus, dass eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen vorhanden sind, die in Form einer Leitung jeweils von der ersten Plattenseite durch den Plattenkörper hindurch zur zweiten Plattenseite verlaufen. Die Kühlmittelkanäle sind also in den Bipolarplattenkörper integriert gebildet. Dies ermöglicht eine geringere Bauhöhe der Bipolarplatte die mit einer größeren Leistungsdichte einhergeht.
-
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die erste Plattenseite entlang ihrer Längserstreckung und ihrer Quererstreckung eine fiktive Plattenebene aufspannt, und wenn die Kühlmittelkanäle jeweils normal bezüglich der fiktiven Plattenebene ausgerichtet sind. Dies ermöglicht eine vergleichsweise kurze Ausbildung der Kühlmittelkanäle und geht mit einer einfacheren und kostengünstigeren Fertigung einher. Darüber hinaus ist eine direktere Kühlung der an die Kühlmittelkanäle angrenzenden Schichten möglich.
-
Insbesondere ist es sinnvoll, wenn die Kühlmittelkanäle als Mikrokanäle gebildet sind. Dabei weisen die Mikrokanäle vorzugsweise einen Strömungsdurchmesser im Bereich zwischen 1 Mikrometer (µm) und 600 µm auf, bevorzugt zwischen 50 µm und 500 µm, und besonders bevorzugt zwischen 100 µm und 400 µm. Die Ausbildung der Kühlmittelkanäle als Mikrokanäle ermöglicht es, eine große Anzahl der Kühlmittelkanäle zu bilden und gewährleistet so eine effektive Kühlung des gesamten Bereichs der an die Bipolarplatten angrenzenden Schichten oder Lagen.
-
Es ist von Vorteil, wenn das erste Flussfeld zur Bildung der ersten Kanäle mehrere beabstandet voneinander ausgebildete erste Stege aufweist und wenn das zweite Flussfeld zur Bildung der zweiten Kanäle mehrere beabstandet voneinander ausgebildete zweite Stege aufweist. Diese regelmäßige Anordnung von ersten und zweiten Kanälen ermöglicht eine effektive Zuführung der Reaktanten und eine einfache Fertigung der Bipolarplatte.
-
In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, wenn die ersten Stege erste Stegrücken und die zweiten Stege zweite Stegrücken aufweisen, und wenn die Kühlmittelkanäle orthogonal zu den Stegrücken von der ersten Plattenseite durch den Plattenkörper hindurch zur zweiten Plattenseite verlaufen. Dies ermöglicht eine kurze Ausbildung der Kühlmittelkanäle und damit eine effektive Kühlleistung. Gleichzeitig wird durch die Ausbildung der Stege mit den Stegrücken eine hohe Stabilität der Bipolarplatte erreicht.
-
Um eine einfache Fertigung und hohe Stabilität der Bipolarplatte zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Stege aus einem Stegrücken und zwei den Stegrücken flankierenden Stegflanken gebildet sind, und wenn die Kühlmittelkanäle durch die Stegflanken geführt sind.
-
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenaufbau zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Membranelektrodenanordnung vorhanden ist, an der die Bipolarplatte anliegt. Dabei liegt die Membranelektrodenanordnung vorzugsweise an den Stegrücken der ersten Stege und/oder der zweiten Stege an, um einen stabilen Brennstoffzellenaufbau zu gewährleisten, bei gleichzeitig optimaler Zuführung der Reaktanten an die Elektroden sowie zur verbesserten Kühlung der gesamten Membranelektrodenanordnung.
-
Die Kühlmittelkanäle können dabei in einer Ausgestaltung ausschließlich in der Bipolarplatte ausgebildet sein, so dass das Kühlmedium auf die Membranelektrodenanordnung gelangen kann und somit eine Verdampfungskühlung an der Membranelektrodenanordnung erfolgt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es aber vorgesehen, dass die Kühlmittelkanäle in der Membranelektrodenanordnung fortgesetzt werden oder sich durch diese ebenfalls erstrecken.
-
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Bipolarplatte bezüglich der Membranelektrodenanordnung derart angeordnet ist, dass die Kühlmittelkanäle orthogonal bezüglich einer aktiven Fläche der Membranelektrodenanordnung ausgerichtet sind. Dies führt zu einer höheren Kühlungsleistung, so dass eine höhere Prozesstemperatur und damit eine höhere Leistungsdichte innerhalb der MEA und damit innerhalb des Brennstoffzellenaufbaus möglich ist. Gleichzeitig wird eine Reduzierung der Bauhöhe des Brennstoffzellenaufbaus erreicht.
-
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte und eine Mehrzahl von zwischen den Endplatten angeordneten Brennstoffzellenaufbauten vorhanden sind. Zwischen jeweils zwei der Membranelektrodenanordnungen ist dabei genau eine der Bipolarplatten angeordnet. Dies verringert die Bauhöhe und damit den Platzbedarf des Brennstoffzellenstapels. Gleichzeitig ist eine höhere Prozesstemperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels möglich, was zu einer höheren Leistungsdichte führt, da die Kühlung direkt in die oder an der aktiven Fläche der Membranelektrodenanordnung erfolgt.
-
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte ein Kühlmittelreservoir zugeordnet ist, mit dem die Kühlmittelkanäle strömungsmechanisch verbunden sind. Die einzelnen Bipolarplatten weisen folglich selber keine Kühlungsheader auf, sind also frei von Kühlungsheadern oder frei von Kühlmittelreservoirs. Ausschließlich einer der beiden Endplatten oder auch beiden der Endplatten ist ein Kühlmittelreservoir zugeordnet. Dadurch wird die Größe bzw. die Fläche der Bipolarplatte verringert. Das Kühlmittelreservoir kann dabei bezüglich der Gravitationskraft oberhalb einer der Endplatten und/oder bezüglich der Gravitationskraft unterhalb einer der Endplatten angeordnet sein. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn die erste Endplatte als eine bezüglich der Gravitationskraft oben liegende Endplatte und die zweite Endplatte als eine bezüglich der Gravitationkraft unten liegende Endplatte gebildet ist, und dass bezüglich der Gravitationskraft unterhalb der unten liegenden Endplatte und/oder oberhalb der obenliegenden Endplatte das Kühlmittelreservoir angeordnet ist. Alternativ kann das Kühlmittelreservoir auch bezüglich der Gravitationskraft seitlich (z.B. rechts oder links) zur ersten Endplatte und/oder seitlich (z.B. links oder rechts) zur zweiten Endplatte angeordnet sein. Dies ist bei liegend angeordneten Brennstoffzellenstapeln, in welchen eine horizontale Aneinanderreihung der Einzelzellen vorliegt, von Vorteil.
-
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
-
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 der Bipolarplatte,
- 2 eine schematische Schnittansicht der Bipolarplatte und
- 3 einen Brennstoffzellenaufbau mit orthogonal ausgebildeten Kühlmittelkanälen.
-
1 und 2 zeigen eine Bipolarplatte 1 für einen Brennstoffzellenstapel mit einem Plattenkörper 2. An dessen erster Plattenseite 3 ist ein erstes Flussfeld mittels einer Mehrzahl von auf der ersten Plattenseite 3 beabstandet voneinander angeordneten ersten Kanälen 4 gebildet. Die ersten Kanäle 4 sind dabei durch mehrere beabstandet voneinander angeordneten ersten Stege 15 gebildet. An der der ersten Plattenseite 3 gegenüberliegenden zweiten Plattenseite 5 ist ein zweites Flussfeld mittels einer Mehrzahl von voneinander beabstandet angeordneten zweiten Kanälen 6 gebildet. Die zweiten Kanäle 6 sind durch eine Mehrzahl von beabstandet voneinander angeordneten zweiten Stegen 8 gebildet. Die ersten Stege 15 umfassen erste Stegrücken 9 und den ersten Stegrücken 9 flankierende Stegflanken 11. Die zweiten Stege 8 weisen jeweils einen zweiten Stegrücken 10 auf, der von zwei Stegflanken 11 flankiert wird.
-
Weiterhin weist die Bipolarplatte 1 und auch der in der 3 gezeigte Brennstoffzellenaufbau 13 eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 7 auf. Diese sind in Form einer Leitung jeweils von der ersten Plattenseite 3 durch den Plattenkörper 2 hindurch zur zweiten Plattenseite 5 geführt. Dabei spannt die erste Plattenseite 3 entlang ihrer Längserstreckung und ihrer Quererstreckung eine fiktive Plattenebene auf. Die Kühlmittelkanäle 7 sind jeweils normal bezüglich dieser fiktiven Plattenebene ausgerichtet. In anderen Worten, und wie auch aus 2 ersichtlich, sind die Kühlmittelkanäle 7 orthogonal zu den Stegrücken 9, 10 von der ersten Plattenseite 3 durch den Plattenkörper 2 hindurch zur zweiten Plattenseite 5 verlaufend gebildet. Insbesondere sind die Kühlmittelkanäle 7 durch die Stegflanken 11 geführt.
-
3 zeigt, dass die Bipolarplatte 1 in einem Brennstoffzellenaufbau 13 an einer Membranelektrodenanordnung 12 anliegt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die Stegrücken 10 an der Membranelektrodenanordnung 12 an. Dies ermöglicht eine stabile Ausführung des Brennstoffzellenaufbaus. Die Ausrichtung der Kühlmittelkanäle 7 orthogonal zu den Stegrücken 9, 10 und die Ausbildung der Kühlmittelkanäle 7 als Mikrokanäle ermöglichen eine kurze Führung der Kühlmittelkanäle 7. Gleichzeitig lässt sich der Brennstoffzellenaufbau 13 auf diese Weise kompakter gestalten. Die Bipolarplatte 1 ist bezüglich der Membranelektrodenanordnung 12 derart angeordnet, dass die Kühlmittelkanäle 7 orthogonal bezüglich einer aktiven Fläche 14 der Membranelektrodenanordnung 12 ausgerichtet sind. Dies ermöglicht eine direkte Kühlung der aktiven Fläche 14, so dass der Brennstoffzellenaufbau 13 mit einer höheren Temperatur betrieben werden kann. Dadurch kann der Brennstoffzellenaufbau 13 eine höhere Leistung erzielen.
-
Wird die Bipolarplatte 1 bzw. der Brennstoffzellenaufbau 13 in einen nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapel integriert, so umfasst dieser eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte und eine Mehrzahl von zwischen den Endplatten angeordneten Brennstoffzellenaufbauten 13. Zwischen jeweils zwei der Membranelektrodenanordnungen 12 ist dabei genau eine Bipolarplatte 1 angeordnet. Durch die Integration der Reaktantenkanäle 4, 6 und der Kühlmittelkanäle 7 in die Bipolarplatte 1, können mittels einer einzigen Bipolarplatte 1 die Reaktanten und das Kühlmittel der Membranelektrodenanordnung 12 zur Verfügung gestellt werden. Der Brennstoffzellenstapel kann somit eine geringere Bauhöhe aufweisen und mit einer höheren Temperatur betrieben werden.
-
Um die Größe oder Fläche der Bipolarplatte 1 möglichst gering zu halten, weist die Bipolarplatte 1 selbst kein Kühlmittelreservoir und auch keine Kühlheader auf. Stattdessen ist der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte ein zentrales Kühlmittelreservoir zugeordnet, welches mit den Kühlmittelkanälen 7 strömungsmechanisch verbunden ist. Das Kühlmittelreservoir kann bezüglich der Gravitationskraft oberhalb und/oder unterhalb der Endplatten angeordnet sein. Alternativ kann das Kühlmittelreservoir auch seitlich bezüglich einer der Endplatten angeordnet sein. Weiterhin kann auch seitlich zu jedem der Endplatten ein Kühlmittelreservoir angeordnet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Plattenkörper
- 3
- Erste Plattenseite
- 4
- Erster Kanal
- 5
- Zweite Plattenseite
- 6
- Zweiter Kanal
- 7
- Kühlmittelkanal
- 8
- Zweite Stege
- 9
- Erster Stegrücken
- 10
- Zweiter Stegrücken
- 11
- Stegflanke
- 12
- Membranelektrodenanordnung
- 13
- Brennstoffzellenaufbau
- 14
- Aktive Fläche
- 15
- Erster Steg
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102018200846 A1 [0004]
- DE 102004043513 B4 [0004]
- FR 2864862 A1 [0007]
