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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, die in ihrem aktiven Bereich zumindest teilweise mit einer Gewebestruktur zum Verteilen mindestens eines Betriebsmediums gebildet ist, wobei die Gewebestruktur mindestens einen Fasertyp umfasst. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Brennstoffzellenstapel.
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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 Betriebsmedien zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium als Betriebsmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden.
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Üblicherweise sind die Bipolarplatten aus Einzelelementen gebildet, die derart übereinander gestapelt und ausgestaltet werden, dass günstige Geometrien zur Gleichverteilung der Betriebsmedien über die gesamte Bauteilfläche ermöglicht werden. Diese Strukturen werden entweder in die Bipolarplatte selber integriert oder durch zusätzliche Bauteile eingebracht. Diese Bauteile sind typischerweise aus einem einzigen Material gefertigt und haben im Wesentlichen über das gesamte Bauteil eine einheitliche geometrische Gestalt und damit Eigenschaft.
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Um die innerhalb der Brennstoffzelle stattfindenden chemischen Prozesse zur Energieerzeugung optimal ablaufen zu lassen, muss innerhalb der Brennstoffzelle ein gewisse Feuchtigkeit vorherrschen. Die Befeuchtung der Betriebsmedien wird üblicherweise über einen Brennstoffzellenstapel-externen Befeuchter realisiert. Gleichzeitig fällt an anderen Stelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels überschüssige Feuchtigkeit in Form von beispielsweise Produktwasser an, welcher aus dem Brennstoffzellenstapel über weitere Bauteile abgeführt werden muss. Da die Zufuhr der Reaktionsmedien, also der Reaktanten und des Kühlmittels, über jeweils eine Hauptleitung erfolgt, ist das Reaktionsmedium beim Eintritt in die Brennstoffzelle einheitlich stark befeuchtet, so dass keinerlei Möglichkeit besteht den Grad der Feuchtigkeit entlang der Stapelrichtung einzustellen oder zu variieren.
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Die
DE 10 2019 200 617 A1 beschreibt eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle mit einem zur Reaktantenverteilung dienenden Gewebe. Das Gewebe dient dabei dem Austrag von Produktwasser aus der Brennstoffzelle. Die
DE 10 2017 209 031 A1 beschreibt wiederum ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Gasverteilerstruktur. Nachteilig bei diesen Gasverteilerstrukturen ist, dass durch die Fasern Kanalstrukturen in das Gewebe geformt werden, so dass der Platzbedarf vergleichsweise hoch ist. Weiterhin kann auch nur eine Entfeuchtung also ein Abtransport von Feuchtigkeit/Produktwasser aus der Verteilsstruktur erfolgen.
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Die
DE 69231808 T2 beschreibt eine Gewebestruktur welche in die Membran einer Brennstoffzellenvorrichtung integriert ist. Diese Gewebestruktur dient ausschließlich der Befeuchtung, so dass dem Brennstoffzellenstapel weitere Bauteile zugeordnet werden müssen, um das in den Brennstoffzellen anfallende Produktwasser abzutransportieren.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei denen die oben genannten Nachteile reduziert werden.
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Die die Bipolarplatte betreffende Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Die den Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellenstapel mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Bipolarplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der mindestens eine Fasertyp als eine Be- und Entfeuchtungsfaser gebildet ist zum Zuleiten von Feuchtigkeit in die Gewebestruktur und zum Ableiten von Feuchtigkeit aus der Gewebestruktur. Dies ermöglicht in einer Struktur, nämlich in der Gewebstruktur, das Befeuchten und das Entfeuchten zusammenzufassen, so dass auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden kann. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Komplexität und der Größe des Bauteils, sowie eine Reduzierung der Kostenstruktur. Die Be- und Entfeuchtungsfaser ist dabei in die Gewebestruktur eingewebt oder bildet die Gewebestruktur. Dies ermöglicht auch auf ein zusätzliches Wasserreservoir zur Befeuchtung verzichten zu können, da das in der Brennstoffzelle ohnehin anfallende und innerhalb der Be- und Entfeuchtungsfaser transportierte Produktwasser zur Befeuchtung verwendet wird.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Be- und Entfeuchtungsfaser als eine Hohlfaser gebildet ist. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Be- und Entfeuchtungsfaser als eine Hohlfasermembran gebildet ist. Diese weist ein Rohr mit einer für Wasser permeablen Wandung auf, so dass die Feuchtigkeit an das an der Hohlfaser außen vorbeiströmende (trockene) Reaktionsgas abgegeben werden kann, und dieses befeuchtet wird. Darüber hinaus kann mittels des Rohrs der Hohlfaser Feuchtigkeit abtransportiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Be- und Entfeuchtungsfaser derart gebildet ist, dass das Zuleiten von Feuchtigkeit in die Gewebestruktur und das Ableiten von Feuchtigkeit aus der Gewebestruktur mittels eines Kapillareffekts innerhalb der Be- und Entfeuchtungsfaser erfolgt. Die Be- und Entfeuchtungsfaser selber transportiert, befeuchtet und entfeuchtet unter Ausnutzung eines Dochteffekts. Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung der Be- und Entfeuchtungsfaser.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Be- und Entfeuchtungsfaser lediglich bereichsweise in die Gewebestruktur eingebracht ist. Dies führt dazu, dass in Bereichen, in denen eine hohe Menge an Produktwasser anfällt oder das Betriebsmedium befeuchtet werden muss, die Gewebestruktur die Be- und Entfeuchtungsfaser umfasst, während in anderen Bereichen mit anderen Anforderungen auf die zusätzliche Be- und Entfeuchtungsfaser verzichtet werden kann. Dies ermöglicht eine bereichsweise Einstellung des Feuchtigkeitsgrads innerhalb der Brennstoffzelle bzw. innerhalb eines Brennstoffzellenstapels.
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In diesem Zusammenhang, um eine optimale lokale Einstellung des Feuchtigkeitsgrads zu erreichen, ist es sinnvoll, wenn die Gewebestruktur einen ersten Teilbereich aufweist, in welchem eine größere Dichte an Be- und Entfeuchtungsfasern vorliegt, als in einem zweiten Teilbereich der Gewebestruktur.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere von Vorteil, wenn eine Orientierung der Be- und Entfeuchtungsfaser bezüglich einer Lauflänge der Gewebestruktur variiert. Dies ermöglicht Bereiche zu schaffen bei denen eine höhere Anzahl an Be- und Entfeuchtungsfasern vorhanden ist, so dass eine stärkere Be- und Entfeuchtung möglich ist.
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Um eine mechanisch stabile Bipolarplatte bereitzustellen, ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Faser eines anderen Fasertyps zumindest bereichsweise in die Gewebestruktur eingebracht ist, dass der andere der Fasertypen mit Fasern aus einem Material mit einer gegenüber den Fasern der übrigen in der Gewebestruktur vorhandenen Fasertypen erhöhten mechanischen Stabilität gebildet ist.
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Um der Gewebestruktur möglichst viele Funktionen zuzuweisen und so auf möglichst viele zusätzliche Bauteile verzichten zu können, ist es von Vorteil, wenn wenigstens eine Faser eines weiteren Fasertyps zumindest bereichsweise in die Gewebestruktur eingebracht ist, die mit einer gegenüber den Fasern der übrigen in der Gewebestruktur vorhanden Fasertypen mit einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit gebildet ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn wenigstens eine Faser eines weiteren Fasertyps zumindest bereichsweise in die Gewebestruktur eingebracht ist, die eine gegenüber den Fasern der übrigen in der Gewebestruktur vorhanden Fasertypen verbesserte Verteilung des mindestens einen Betriebsmediums bietet. Dies ermöglicht alle Eigenschaften der Bipolarplatte in die Gewebestruktur zu integrieren.
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Der Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Einheitszellen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Einheitszelle mindestens eine Bipolarplatte und eine Membranelektrodenanordnung aufweist. Dies ermöglicht einen vergleichsweise kompakten Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, dem zusätzlich die Be- und Entfeuchtung als Funktion zugeordnet ist. Darüber hinaus kann die Befeuchtung und die Entfeuchtung bereichsweise innerhalb des Brennstoffzellenstapels an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die die Gewebestruktur umfassende Bipolarplatte anodenseitig und/oder kathodenseitig der Membranelektrodenanordnung zugeordnet ist.
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Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Bipolarplatte gelten auch für den Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Bipolarplatte.
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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 einer Bipolarplatte,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung der Bipolarplatte und
- 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatte 1 für eine Einheitszelle 2. Die Bipolarplatte 1 weist einen aktiven Bereich 3 auf und einen den aktiven Bereich 3 umgebenen Randbereich 4. Am Randbereich 4 sind drei erste Medienports 10, nämlich einen Medienport 10a zur Zuführung des ersten Reaktanten, ein Medienport 10b zur Zuführung des zweiten Reaktanten und einen Medienport 10c zur Zuführung des Kühlmittels in den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1 ausgebildet. Weiterhin sind drei zweite Medienports 7 vorgesehen, ein Medienport 7a zur Abfuhr des ersten Reaktanten ein Medienport 7b zur Abfuhr des zweiten Reaktanten und ein Medienport 7c zur Abfuhr des Kühlmittels. In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform können die Medienports 7, 10 auch nicht auf der Bipolarplatte 1 selber ausgebildet sein, sondern als ein zusätzliches Bauteil, nämlich als externer Header, einem Brennstoffzellenstapel 14 zugeordnet werden.
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Der aktive Bereich 3 der Bipolarplatte 1 ist mit einer Gewebestruktur 5 zum Verteilen der Betriebsmedien gebildet. Die Gewebestruktur 5 weist vorliegend, wie aus 2 hervorgeht, drei voneinander verschiedene Fasertypen 9 auf, die jeweils eine unterschiedliche Funktion in der Gewebestruktur 5 übernehmen. Einer der Fasertypen 9 ist als eine Be- und Entfeuchtungsfaser 6 gebildet und dient dem Zuleiten von Feuchtigkeit in die Gewebestruktur 5 und zum Ableiten von Feuchtigkeit aus der Gewebestruktur 5.
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Besonders bevorzugt ist die Be- und Entfeuchtungsfaser 6 als eine Hohlfaser, genauer gesagt als eine Hohlfasermembran gebildet. Die Hohlfasern weisen dabei eine für Wasser permeable Wanderung auf, die es einerseits ermöglicht, das außerhalb des Rohrs vorbeiströmende trockene Reaktionsgas zu befeuchtet und innerhalb der Wandung Wasser abzutransportieren, also zu entfeuchten. In einer alternativen Ausführungsform kann die Be- und Entfeuchtungsfaser 6 auch derart gebildet sein, dass das Zuleiten von Feuchtigkeit in die Gewebestruktur 5 und das Ableiten von Feuchtigkeit aus der Gewebestruktur 5 mittels eines Kapillareffekts innerhalb der Be- und Entfeuchtungsfaser 6 erfolgt, also ein Dochteffekt ausgenutzt wird.
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Aus 2 wird deutlich, dass die Be- und Entfeuchtungsfaser 6 lediglich bereichsweise in die Gewebestruktur 5 eingebracht ist. Insbesondere weist die Gewebestruktur 5 einen ersten Teilbereich 11 auf, in welchem eine größere Dichte an Be- und Entfeuchtungsfasern 6 vorliegt, als in einem zweiten Teilbereich 12 der Gewebestruktur 5. Dies ermöglicht unterschiedliche Bereiche der Einheitszellen 2 unterschiedlich stark zu befeuchten bzw. zu entfeuchten, also den Feuchtigkeitsgrad innerhalb der Einheitszellen 2 oder innerhalb des Brennstoffzellenstapels 14 einstellen und steuern zu können.
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Teilbereiche mit größerer Dichte als andere Teilbereiche können alternativ oder zusätzlich auch dadurch geschaffen werden, dass eine Orientierung der Be- und Entfeuchtungsfaser 6 bezüglich einer Lauflänge der Gewebestruktur 5 variiert.
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Der andere Fasertyp 13 ist mit Fasern aus einem Material gebildet, die im Vergleich zu den Fasern der übrigen in der Gewebestruktur 5 vorhanden Fasertypen 9 eine erhöhte mechanische Stabilität aufweisen. Dies ermöglicht die mechanische Stabilität der Bipolarplatte 1 in die Gewebestruktur 5 zu integrieren. Die Faser kann unter anderem aus Kunststoff oder aus Stahl gebildet sein.
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Weiterhin ist eine Faser eines weiteren Fasertyps 15 vorgesehen, der zumindest bereichsweise in die Gewebestruktur 5 eingebracht ist, und der mit einer gegenüber den Fasern der übrigen in der Gewebestruktur 5 vorhanden Fasertypen 9 eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dies ermöglicht die Funktion des Ableitens der innerhalb der Einheitszellen 2 bei der Brennstoffzellenreaktion entstandenen elektrische Energie in die Gewebestruktur 5 zu integrieren.
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Darüber hinaus ist eine Faser eines weiteren Fasertyps 16 vorgesehen, der zumindest bereichsweise in die Gewebestruktur 5 eingebracht ist, und eine gegenüber den Fasern der übrigen in der Gewebestruktur 5 vorhanden Fasertypen 9 eine verbesserte Verteilung des mindestens einen Betriebsmediums bietet. Dies ermöglicht die Funktion des Transports der Betriebsmedien also das Kühlmittels, von Luft und von Brennstoff in die Gewebestruktur 5 zu integrieren.
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In 2 sind zwei miteinander zu einer Bipolarplatte 1 gefügte Einzelplatten gezeigt, von denen die eine ein Kathodenflussfeld 19 und von denen die andere ein Anodenflussfeld 20 bereitstellt, und die zwischen sich ein Kühlmittelflussfeld 21 ausbilden. Geschnitten gezeigt ist auch der Bipolarplattenkörper 22.
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In die Bipolarplatte 1 sind folglich durch das Einbringen der verschiedenen Fasertypen 9 die Funktionen des Be- und Entfeuchtens, die Funktion des Transports der Betriebsmedien, die Leitung der innerhalb der Einheitszelle gebildeten elektrischen Energie und die Funktion der mechanischen Stabilität in die Gewebestruktur 5 der Bipolarplatte 1 integriert.
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3 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 14, bei dem beidseits zu Bildung von Einheitszellen 2 eine Membranelektrodenanordnung 17 zugeordnet ist. Jede Einheitszelle 2 ist aus einer Membranelektrodenanordnung 17 gebildet, der anodenseitig und kathodenseitig jeweils eine Bipolarplatte 1 zugeordnet ist. Zwischen der Membranelektrodenanordnung 17 und den Bipolarplatten 1 ist zudem jeweils eine kathodenseitige und eine anodenseitige Gasdiffusionslage 18 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Einheitszelle
- 3
- aktiver Bereich
- 4
- Randbereich
- 5
- Gewebestruktur
- 6
- Be- und Entfeuchtungsfaser
- 7
- zweiter Medienport
- 7a
- zweiter Medienport für ersten Reaktant
- 7b
- zweiter Medienport für zweiten Reaktant
- 7c
- zweiter Medienport für Kühlmittel
- 9
- Fasertyp
- 10
- erster Medienport
- 10a
- erster Medienport für ersten Reaktant
- 10b
- erster Medienport für zweiten Reaktant
- 10c
- erster Medienport für Kühlmittel
- 11
- erster Teilbereich
- 12
- zweiter Teilbereich
- 13
- anderer Fasertyp
- 14
- Brennstoffzellenstapel
- 15
- weiterer Fasertyp mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit
- 16
- weiterer Fasertyp mit verbesserte Verteilung des Betriebsmediums
- 17
- Membranelektrodenanordnung
- 18
- Gasdiffusionslage
- 19
- Kathodenflussfeld
- 20
- Anodenflussfeld
- 21
- Kühlmittelflussfeld
- 22
- Bipolarplattenkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019200617 A1 [0006]
- DE 102017209031 A1 [0006]
- DE 69231808 T2 [0007]
