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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte aus einem Plattenkörper mit einem ersten Reaktantenflussfeld an einer ersten Plattenoberfläche, welches wenigstens einen durch Wandungen von ersten Stegen begrenzten ersten Strömungskanal für ein erstes Reaktionsmedium umfasst, und mit einem zweiten Reaktantenflussfeld an einer der ersten Plattenoberfläche gegenüberliegenden zweiten Plattenoberfläche, welches wenigstens einen durch Wandungen von zweiten Stegen begrenzten zweiten Strömungskanal für ein zweites Reaktionsmedium umfasst.
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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.
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Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten die Reaktantengase zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird aufgrund der bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugten Wärme auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden.
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Bei der Versorgung der Brennstoffzellen mit den Reaktanten werden diese über Hauptgaskanäle (Ports) in die Bipolarplatten geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten in einen aktiven Bereich bewirken soll, um mittels eines Flussfeldes die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen. Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Bipolarplatten mit den Membran-Elektroden-Einheiten gestapelt sind, werden Dichtungen eingesetzt, die die Hauptgaskanäle längs durch den Brennstoffzellenstapel abdichten. Zusätzlich muss eine gute Abdichtung gegenüber dem in Kühlmittelkanälen strömenden Kühlmedium erfolgen.
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Aus der
DE 10 2004 043 513 A1 ist eine Bipolarplatte bekannt, bei der die Kanäle durch eine Verschachtelung von geprägten Einzelblechen realisiert sind. Hierbei sind zwei Teilplatten vorhanden, wovon eine erste Teilplatte mit einem Strömungskanal versehen ist, der zu einer Anodenseite einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) offen ist und wovon eine zweite Teilplatte mit einem Strömungskanal vorhanden ist, der zu der Kathodenseite einer anderen gegenüberliegenden Membran-Elektroden-Anordnung offen ist. Die erste und die zweite Teilplatte sind dabei derart ineinander gesetzt, dass sie einen Kühlmittelströmungskanal zwischen der ersten und der zweiten Teilplatte bilden. Eine sehr flache Kühlmittelplatte in Form einer Kühlkarte ist aus der WO 98 / 26 464 A2 bekannt, wobei die Platte mit einer Dicke von weniger als einem Millimeter gebildet ist. Der Kühlmittelkanal bzw. die Kühlmittelkanäle sind als Mikrokanäle an einer der Plattenoberflächen realisiert. In der
US 2008 / 0 220 282 A1 wird ebenfalls eine Bipolarplatte beschrieben, die hierbei einen Sandwichaufbau beschreibt, bei dem zwischen zwei einzelnen Blechen eine Schicht angeordnet ist, die beim Heißpressen die einzelnen Schichten miteinander dauerhaft verbindet. Die Reaktantenflussfelder für die beiden Reaktionsmedien werden dabei mittels einer Prägevorrichtung in den Sandwichaufbau geprägt. Aus der
WO 2018 / 111 962 A1 ist eine Bipolarplatte bekannt, deren Strömungskanäle mit einer elektrischen Durchkontaktierung versehen sind um die notwendige elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatte zu gewährleisten. Hierbei können die Strömungskanäle einerseits mit elektrisch leitfähigem porösen Material gefüllt sein oder es sind einzelne Bohrungen vorhanden, in die elektrisch leitfähiges Material in Form einer Durchkontaktierung eingebracht ist.
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Die eingangs erwähnte verschachtelte Anordnung von Einzelblechen verringert die Bauhöhe eines Brennstoffzellenstapels drastisch, was aufgrund der Vielzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen notwendig ist, insbesondere wenn der Brennstoffzellenstapel in einer mobilen Anwendung, beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug, Einsatz findet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte bereitzustellen, die auch bei einer unverschachtelten Realisierung zu einer geringeren Stapelhöhe führt.
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Diese Aufgabe wird mit einer Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass wenigstens einem der Stege von dem einen der Reaktantenflussfelder zumindest bereichsweise ein Strömungskanal von dem anderen der Reaktantenflussfelder gegenüberliegt, und dass zwischen den beiden Flussfeldern wenigstens ein Kühlmittelkanal in den Plattenkörper integriert ist. Vorzugsweise können dabei die Kühlmittelkanäle in Form von Mikrokanälen in die Bipolarplatte integriert sein, wobei Mikrokanäle solche Kanäle sind, die einen Strömungsquerschnitt von 1 Quadratmikrometer bis 2.500 Quadratmikrometern aufweisen.
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Die Bipolarplatte lässt sich noch flacher gestalten, wenn die Wandungen der Stege von dem Einen der Reaktantenflussfelder zugleich einen Teil der Wandungen der Stege des Anderen der Reaktantenflussfelder bilden.
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Wenn die Stege etwas verbreitert werden, so ist es möglich, die Wandungen der Stege für die Führung des Kühlmediums zu nutzen. In diesem Zuge hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich der wenigstens eine Kühlmittelkanal entlang der Stege eines der Reaktantenflussfelder erstreckt.
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Ferner lassen sich die Bipolarplatte dadurch sehr flach gestalten, wenn der wenigstens eine Kühlmittelkanal in Form einer Leitung in die Wandung des Steges integriert ist.
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Die Fertigung der Bipolarplatte ist vereinfacht, wenn der Plattenkörper aus zwei miteinander gefügten Einzelplatten gebildet ist. Diese Einzelplatten können insbesondere miteinander verschweißt oder miteinander verklebt sein.
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Um die Anzahl an Gleichteilen bei der Herstellung einer Vielzahl von Bipolarplatten zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn der wenigstens eine Kühlmittelkanal in das Material lediglich einer der beiden Einzelplatten integriert ist, da auf diese Weise die Andere der beiden Einzelplatten kühlmittelkanalfrei gestaltet werden kann.
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Es ist ferner die Möglichkeit gegeben, dass die kühlmittelkanalfreie Einzelplatte einen Verschlussabschnitt umfasst, zum Beispiel in Form einer Deckplatte, der eingerichtet ist, den Kühlmittelkanal in der anderen Einzelplatte im gefügten Zustand zu bedecken und damit eine Leitung zu formen.
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Es ist alternativ oder ergänzend möglich, dass in jede der Einzelplatten ein Kühlmittelkanalteil eingebracht ist, und dass im gefügten Zustand miteinander fluchtende Kühlmittelkanalteile den in die Wandung des Stegs integrierten Kühlmittelkanal bilden. Durch die Verwendung von fluchtenden Kühlmittelkanalteilen können diese einseitig offen bleiben, womit die Fertigung der Einzelplatten vereinfacht ist. Diese können dann beispielsweise auf einfache Weise geprägt, gelasert oder gefräst werden, wobei aber ein generatives Fertigungsverfahren, z.B. ein 3D-Druck, ebenfalls möglich ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Bipolarplatte sieht vor, dass der Plattenkörper einen mehrschichtigen Sandwichaufbau aufweist, bei welchem die Kühlmittelkanäle durch eine in einer Zwischenschicht ausgebildete Strömungsstruktur gebildet sind. Die Strömungsstruktur ist dabei porös oder flüssigkeitsdurchlässig, wobei die Strömungsstruktur den Kühlmittelkanal bildet, um die Brennstoffzellen bei der Brennstoffzellenreaktion zu kühlen und dabei entstandene Wärme abzuführen. Die Strömungsstruktur kann auch wabenförmig gestaltet sein.
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Alternativ oder ergänzend ist die Möglichkeit vorhanden, dass der Plattenkörper als ein Monolith gebildet ist. Diese einstückige Ausgestaltung des Plattenkörpers mit seinen Reaktantenflussfeldern sowie dem Kühlmittelkanal oder einem aus einer Vielzahl von Kühlmittelkanälen realisierten Kühlmittelflussfeld im Platteninneren, lässt sich beispielsweise durch ein generatives Fertigungsverfahren herstellen. Hierzu kommt beispielsweise ein selektives Lasersintern in Betracht, da auf diese Weise eine aus Metall bestehende Bipolarplatte hergestellt werden kann, welche dann zugleich auch über die nötige elektrische Leitfähigkeit im Verbund des Brennstoffzellenstapels verfügt.
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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.
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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 eines eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapels mit den die Hauptkanälen zeigenden Bipolarplatten,
- 2 eine schematische Detaildarstellung eines Schnitts durch eine erste Bipolarplatte,
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung einer zweiten Bipolarplatte,
- 4 eine der 2 entsprechende Darstellung einer dritten Bipolarplatte, und
- 5 eine der 2 entsprechende Darstellung einer vierten Bipolarplatte.
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Ein Brennstoffzellenstapel 1 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 2. Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die beiden Elektroden zusammen mit der Membran bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 7 (kurz: MEA). Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Dem Brennstoffzellenstapel 1 wird über eine Kathodenfrischgasleitung durch einen Verdichter komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Kathodenabgasleitung verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 1 in einem Wasserstofftank bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle 2 erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 3 übergeben, die für die Verteilung der Gase an die Membran und der Ausleitung Hauptgaskanäle 4 (Ports) aufweisen. Zusätzlich weisen die Bipolarplatten Hauptkühlkanäle 5 für die Durchleitung eines Kühlmediums in einem Kühlmittelkanal 6 auf, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden.
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Die 1 zeigt die jeweils zu Paaren zusammengefassten Kanäle 4, 5 einer Mehrzahl den Brennstoffzellenstapel 1 bildenden Brennstoffzellen 2 mit Bipolarplatten 3.
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Die Schnittansicht des Details des Brennstoffzellenstapels 1 aus 2 zeigt eine Bipolarplatte 3, die aus einem Plattenkörper mit einem ersten Reaktantenflussfeld einer ersten Plattenoberfläche gebildet ist, welches wenigstens einen durch Wandungen 11 von einem ersten Steg 10 begrenzten ersten Strömungskanal 9 für ein erstes Reaktionsmedium umfasst. Der ersten Plattenoberfläche gegenüberliegend ist eine zweite Plattenoberfläche vorhanden, an welcher ebenfalls ein zweites Reaktantenflussfeld vorhanden ist, welches wenigstens einen durch Wandungen 11 eines zweiten Stegs 10 begrenzten zweiten Strömungskanal 9 für ein zweites Reaktionsmedium umfasst. Es ist zu erkennen, dass jeder Steg 10 der Bipolarplatte 3 des einen Reaktantenflussfeldes einem Strömungskanal 9 des gegenüberliegenden anderen Reaktantenflussfeldes gegenüberliegt. Vielmehr bilden sogar die Wandungen 11 der Stege 10 von dem Einen der Reaktantenflussfelder zugleich einen Teil der Wandungen 11 der Stege 10 des Anderen der Reaktantenflussfelder. Zwischen den beiden Flussfeldern sind vorliegend mehrere Kühlmittelkanäle 12 in den Plattenkörper der Bipolarplatte 3 integriert. Der elliptische Querschnitt der Kühlmittelkanäle 12 ist lediglich exemplarischer Natur aber bevorzugt, da auf diese Weise eine Ausrichtung der Hauptachse der so geformten Ellipse parallel zur Erstreckung der Wandung 11 des jeweiligen Stegs 10 ausgerichtet werden kann, wodurch sich der Strömungsquerschnitt vergrößern lässt bei gleichzeitig geringerer Dicke der Bipolarplatte 3. An die Bipolarplatte 3 grenzt beidseits die jeweilige Membran-Elektroden-Anordnung 7 an, an welcher die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle 2 stattfindet. Die Bipolarplatte 3 und insbesondere ihr Plattenkörper nach 2 können in Form eines Monolithen vorliegen, beispielsweise in Form eines 3D-Druckes, insbesondere hergestellt durch selektives Lasersintern.
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3 verweist auf die Möglichkeit einer aus zwei Einzelplatten 8 gebildeten Bipolarplatte 3, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Die beiden Einzelplatten 8 sind miteinander gefügt, insbesondere miteinander verschweißt. Bei der Herstellung der Einzelplatten 8 wird in jede der Einzelplatten 8 ein Kühlmittelkanalteil eingebracht, wobei im gefügten Zustand fluchtende Kühlmittelkanalteile den in die Wandung 11 des Stegs 10 integrierten Kühlmittelkanal 12 bilden. Die Einzelplatten 8 sind beispielsweise dünne Bleche, in welche die Kühlmittelkanalteile gelasert werden (sog. „Laserablation“).
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Auch die Bipolarplatte 3 nach 4 besteht aus zwei miteinander gefügten Einzelplatten 8, wovon ausschließlich in eine der beiden Einzelplatten 8 die Kühlmittelkanäle 12 integriert sind. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der jeweilige Kühlmittelkanal 12 in das Material der Einzelplatte 8 vollständig integriert ist und somit eine Leitung darin ausbildet. In dem gezeigten Beispiel ist jedoch an der kühlmittelkanalfreien Einzelplatte 8 ein Verschlussabschnitt 15 vorhanden, der wie eine Art „Deckel“ fungiert, um den Kühlmittelkanal 12 der anderen Einzelplatte 8 zu bedecken. Der Verschlussabschnitt 15 ist also eingerichtet, den Kühlmittelkanal 12 im gefügten Zustand zu bedecken und damit eine Leitung zu formen.
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In 5 ist die Möglichkeit eines mehrschichtigen Aufbaus einer Bipolarplatte 3 gezeigt. Dieser Sandwichaufbau ist aus zwei elektrisch leitfähigen Blechen gebildet, die mittels einer Zwischenschicht 13 zu einer Sandwich-Struktur gebunden sind. In der Zwischenschicht 13 ist wenigstens eine Strömungsstruktur 14 ausgebildet, die beispielsweise porös oder wabenartig gebildet ist, derart, dass eine Flüssigkeit durch diese Strömungsstruktur 14 hindurchtreten kann. Die Strömungsstruktur 14 bildet dabei den Kühlmittelkanal 12, welcher in die Bipolarplatte 3 integriert ist.
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Sollte ein größerer Strömungsquerschnitt für den Kühlmittelkanal 12 benötigt werden, so ist es möglich, dass die Stege 10 oder auch deren Wandungen 11 breiter gestaltet werden, wobei auf eine Vergrößerung des axialen Aufbaus der Bipolarplatte 3 verzichtet werden kann.
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Im Ergebnis ist der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 3, die keinen verschachtelten Aufbau zeigt, der wesentliche Vorteil gegeben, dass der Brennstoffzellenstapel 1 in seiner axialen Stapelrichtung minimiert ist aufgrund des innerhalb der jeweiligen Bipolarplatte 3 in Mikrokanälen geführten Kühlmediums.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Bipolarplatte
- 4
- Hauptgaskanal für Reaktanten
- 5
- Hauptkühlkanal für Kühlmedium
- 6
- Kühlmittelkanal
- 7
- Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
- 8
- Einzelplatte
- 9
- Strömungskanal
- 10
- Steg
- 11
- Wandung
- 12
- Kühlmittelkanal
- 13
- Zwischenschicht
- 14
- Strömungsstruktur
- 15
- Verschlussabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004043513 A1 [0005]
- US 2008/0220282 A1 [0005]
- WO 2018/111962 A1 [0005]
