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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die an ihrer ersten Plattenseite mit einem ersten Reaktantenflussfeld gebildet ist, und die an ihrer der ersten Plattenseite gegenüberliegenden zweiten Plattenseite mit einem zweiten Reaktantenflussfeld gebildet ist, wobei die Flussfelder in einem aktiven Bereich jeweils mehrere, insbesondere von Stegen begrenzte, Strömungskanäle für einen der beiden an der Brennstoffzellenreaktion teilnehmenden Reaktanten umfassen, wobei jeweils der aktive Bereich über einen außerhalb des aktiven Bereichs verlaufenden Verteilbereich strömungsmechanisch mit wenigstens einem sich von der ersten Plattenseite zur zweiten Plattenseite erstreckenden Medienport für einen der beiden Reaktanten verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer Brennstoffzelle, der eine Bipolarplatte zur Verteilung der Reaktanten zugeordnet ist.
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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 Hauptkanäle (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 Hauptkanäle 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 der Aufbau einer Bipolarplatte bekannt, die aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzt ist, wobei sich eine verschachtelte Anordnung von Kanälen ergibt, die insgesamt zu einer geringeren Bauhöhe der Bipolarplatte und damit des gesamten Brennstoffzellenstapels führt.
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In den Druckschriften
CN 110 212 213 A ,
DE 10 2015 224 994 A1 und
DE 11 2005 003 103 T5 sind ebenfalls Bipolarplatten beschrieben, die für die Vergleichmäßigung der Anströmung des aktiven Bereichs spezielle Führungen der Kanäle im Verteilerbereich zwischen dem Medienport und dem aktiven Bereich vorsehen.
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In allen vorstehend genannten Entgegenhaltungen sehen die Bipolarplatten einlassseitig und auslassseitig jeweils drei Medienports vor, wobei einer der Medienports für die Zufuhr und Abfuhr des Brennstoffs, einer der Medienports für die Zufuhr und Abfuhr des Oxidationsmittels und der dritte für die Zufuhr und Abfuhr eines Kühlmittels zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels vorliegt. Die Verwendung von drei solcher Versorgungskanälen führt jedoch zu einer geringeren Eintrittsfläche aus dem Medienport in den aktiven Bereich der Flussfelder. Zugleich kann sich eine asymmetrische Aufweitung der Medienverteilung auf den aktiven Bereich ergeben, was ebenfalls nachteilig ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei denen eine bessere Gleichverteilung der Reaktanten auf den aktiven Bereich vorliegt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 10. 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 der wenigstens eine Medienport des Einen der beiden Reaktanten eine Form seines nutzbaren Strömungsquerschnitts aufweist, die aus wenigstens zwei Schenkeln und einer die beiden Schenkel miteinander verbindenden Basis gebildet ist, und dass der wenigstens eine Medienport des Anderen der beiden Reaktanten zwischen den beiden Schenkeln angeordnet ist.
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Auf diese Weise umrahmt also der Medienport des Einen der beiden Reaktanten den Medienport des Anderen der beiden Reaktanten teilweise, sodass sich eine verschachtelte Anordnung der Medienports der Bipolarplatte ergibt. Auf diese Weise lässt sich eine symmetrische Aufweitung der Verteilung der beiden Reaktanten auf die aktive Fläche realisieren, wodurch deren Strömungskanäle gleichmäßiger von den Reaktanten angeströmt werden. Diese Gleichverteilung wird vorzugsweise zusätzlich dadurch begünstigt, dass auf einen Medienport für Kühlmittel bei der Bipolarplatte verzichtet wird.
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Als „aktiver Bereich“ ist derjenige Bereich zu verstehen, zu welchen benachbart die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion in der Brennstoffzelle erfolgt. Der „aktive Bereich“ der Bipolarplatte ist also nicht selbst im eigentlichen Sinne elektrochemisch aktiv.
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In Abhängigkeit der gewünschten Druckverhältnisse ist es von Vorteil, wenn die Form seines nutzbaren Strömungsquerschnitts des Medienports des Einen der beiden Reaktanten im wesentlichen C-förmig mit genau zwei der über die Basis verbundenen Schenkel gebildet ist.
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Es ist aber auch die Möglichkeit gegeben, dass die Form seines nutzbaren Strömungsquerschnitts des Medienports des Einen der beiden Reaktanten im wesentlichen E-förmig gebildet ist, und dass zwischen jedem Schenkelpaar genau ein Medienport des Anderen der beiden Reaktanten angeordnet ist. Auch hierdurch lässt sich ein gleichmäßigeres Anströmen des aktiven Bereichs mit dem jeweiligen Reaktionsmedium erzielen.
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Da es häufig aufgrund etwaiger Druckverluste wünschenswert ist, im Verteilerbereich eine möglichst konstante Länge der Kanäle für die Führung der jeweiligen Reaktanten bereitzustellen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Medienport des Anderen der beiden Reaktanten eine Form seines nutzbaren Strömungsquerschnitts aufweist, die an ihrer dem Verteilbereich zugewandten Seite ausgehend von einem Scheitel mit zwei sich spreizenden Flanken gebildet ist. Durch diese Flanken lassen sich also ausgehend von dem jeweils freien Ende der Flanke kürzere Kanäle dort bilden, die - bei einer fehlenden Flanke - zu einer größeren Länge des Kanals im Verteilbereich führte, bevor das Reaktionsmedium im aktiven Bereich angelangt.
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In Abhängigkeit der vorherrschenden Druckverhältnisse ist die Möglichkeit gegeben, dass eine oder beide der Flanken gebogen oder parabelartig verläuft, wodurch sich eine ebenfalls gleichmäßigere Verteilung des jeweiligen Reaktanten auf die Strömungskanäle des aktiven Bereichs erzielen lässt.
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Um auch beim Anderen der beiden Reaktanten eine Vergleichmäßigung der Länge der Kanäle im Verteilerbereich erzielen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens einer der Schenkel an seiner dem Verteilbereich zugewandten Seite mit einer geneigt verlaufenden Kante gebildet ist.
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Zur Angleichung der Kanallänge im Verteilerbereich bei einer E-förmigen Querschnittsform hat es sich ebenfalls als sinnvoll erwiesen, wenn die geneigt verlaufenden Kante eines ersten Schenkels über einen Scheitelpunkt mit einer geneigt verlaufenden Kante eines zweiten Schenkels verbunden ist.
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Für einen zuverlässigen Austrag der Reaktanten aus der Bipolarplatte ist es zweckmäßig, wenn der nutzbare Strömungsquerschnitt der auslassseitigen Medienports größer ist als der nutzbare Strömungsquerschnitt der einlassseitigen Medienports.
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Um die Anzahl an Gleichteilen beim Einsatz in einem Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, und um die Montage des Brennstoffzellenstapels beim Stapeln der Bipolarplatten zu erleichtern, kann es aber auch bevorzugt sein, dass die Reaktantenflussfelder strömungsmechanisch über einen Sammelbereich mit auslassseitigen Medienports verbunden sind, wobei die auslassseitigen Medienports eine zu den einlassseitigen Medienports identische, aber gespiegelte Formgebung aufweisen.
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Um den Brennstoffzellenstapel und damit die Bipolarplatte selbst in ihrer Bauhöhe sehr gering zu halten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens ein Kühlmittelkanal vorhanden ist, der sich senkrecht bezüglich der beiden Plattenseiten durch den aktiven Bereich erstreckt. Auch auf diese Weise kann auf einen Medienport für Kühlmittel verzichtet werden, wodurch die Reaktanten gleichmäßiger auf den aktiven Bereich verteilbar sind.
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Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte genannten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel, dessen Effizienz aufgrund der erhöhten Gleichverteilung der Reaktanten auf den aktiven Bereich erhöht ist. Durch die orthogonale Ausrichtung der Kühlmittelkanäle durch die Bipolarplatten im aktiven Bereich lässt der Brennstoffzellenstapel zudem mit einer geringeren Bauhöhe versehen.
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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 Draufsicht auf eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, und
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel.
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In 1 und 2 ist eine Bipolarplatte 1 gezeigt, die Einsatz in einem nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapel findet, welcher aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen besteht. Jede der Brennstoffzellen 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 (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 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 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 wird über eine Kathodenfrischgasleitung durch einen Verdichter komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenabgasleitung verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel in einem Wasserstofftank bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an die Bipolarplatten 1 übergeben, die für die Verteilung der Gase an die Membran sowie der Ausleitung Medienports 4, 5 aufweisen. Typischerweise wird durch die Bipolarplatten 1 außerdem ein Kühlmedium geleitet, um die bei der Brennstoffzellenreaktion entstandene Wärme abzuführen.
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In den 1 und 2 ist jeweils eine Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle gezeigt, die an ihrer ersten Plattenseite mit einem ersten Reaktantenflussfeld 2 gebildet ist, und die an ihrer der ersten Plattenseite gegenüberliegenden zweiten Plattenseite mit einem zweiten Reaktantenflussfeld 3 gebildet ist. Die Reaktantenflussfelder 3, 4 weisen in einem aktiven Bereich 10 jeweils mehrere von Stegen begrenzte Strömungskanäle 9 für einen der beiden an der Brennstoffzellenreaktion teilnehmenden Reaktanten auf. Der aktive Bereich 10 ist dabei jeweils über einen außerhalb des aktiven Bereichs 10 vorliegenden Verteilbereich 11 strömungsmechanisch mit wenigstens einem sich von der ersten Plattenseite zur zweiten Plattenseite erstreckenden Medienport 4, 5 für einen der beiden Reaktanten verbunden.
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Um ein gleichmäßiges Anströmen des aktiven Bereichs 10 zu realisieren, ist dabei der wenigstens eine Medienport 4 des Einen der beiden Reaktanten mit einer Form seines nutzbaren Strömungsquerschnitts gebildet, die aus wenigstens zwei Schenkeln 7 und einer die beiden Schenkel 7 miteinander verbindenden Basis 8 gebildet ist. Der wenigstens eine Medienport 5 des Anderen der beiden Reaktanten ist dabei verschachtelt zum Medienport 4 des Einen der beiden Reaktanten angeordnet, wobei er zwischen den beiden Schenkeln 7 positioniert ist. In den beiden Ausführungsbeispielen wird über den innenliegenden Medienport 5 der Brennstoff eingeleitet, wobei über den außenliegenden Medienport 4 das Oxidationsmittel, insbesondere die Luft, zugeführt wird.
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Die beiden 1 und 2 zeigen durchgezogen die Strömungskanäle 9 für den Brennstoff, wobei die Aufweitung der Verteilung des Oxidationsmittels im Verteilbereich 11 strichliert dargestellt ist. Der Medienport 4 für den Sauerstoff ist vorliegend deswegen außen liegend positioniert, da für einen höheren Umsetzungsgrad bei der Brennstoffzellenreaktion eine größere Zufuhr der Luft erforderlich ist, als dies für Brennstoff der Fall ist.
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Damit die Reaktanten möglichst gleichmäßig am aktiven Bereich 10 angelangen, ist es erforderlich, dass die Länge der Kanäle im Verteilbereich 11 weitestgehend konstant gehalten ist. Aus diesem Grunde sieht die Formgebung der Medienports 4, 5 eine vorgegebene Form des nutzbaren Strömungsquerschnitts vor, die an ihrer dem Verteilbereich 11 zugewandten Seite vor. Der Medienport 5 für Brennstoff ist ausgehend von einem Scheitel 12 mit zwei sich spreizenden Flanken 13 gebildet. Durch die beiden sich spreizenden Flanken 13 verlagert sich die Position des Eintritts des Reaktanten in den Verteilbereich 11, sodass sich durch die geeignete Formung der Flanken 13 eine Längenangleichung der im Verteilbereich 11 vorliegenden Kanäle erzielen lässt. Um eine solche Längenangleichung bei unterschiedlichen Geometrien der Bipolarplatten 1 realisieren zu können, ist zudem die Möglichkeit vorhanden, dass eine oder beide der Flanken 13 gebogen oder parabelartig verlaufen. Um auch für die Verteilung des Oxidationsmittels eine möglichst gleichmäßige Kanallänge im Verteilbereich 11 zu erwirken, ist vorliegend vorgesehen, dass wenigstens einer der Schenkel 7 an seiner dem Verteilbereich 11 zugewandten Seite mit einer geneigt verlaufenden Kante 14 gebildet ist. Vorliegend sind alle Schenkel 7 mit einer geneigt verlaufenden Kante 14 versehen.
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Vorliegend sind die Reaktantenflussfelder strömungsmechanisch über einen Sammelbereich 16 mit auslassseitigen Medienports 4, 5 verbunden.
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Um eine möglichst gleichmäßige Anströmung des aktiven Bereichs 10 zu bewirken, sind alle gezeigten Bipolarplatten 1 frei von Kühlmittelports oder Kühlmittelhauptkanälen gebildet. Um aber die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Wärme abführen zu können, sind vorliegend strichliert dargestellte Kühlmittelkanäle 6 vorhanden, die sich senkrecht bezüglich der beiden Plattenseiten durch den aktiven Bereich 10 erstrecken.
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Bei der Bipolarplatte 1 nach 1 ist die Form des nutzbaren Strömungsquerschnitts des Medienports 4 des Einen der beiden Reaktanten im Wesentlichen C-förmig mit genau zwei der über die Basis 8 verbundenen Schenkel 7 gebildet. Zwischen diesen beiden Schenkeln 7 ist dabei der Medienport 5 des Anderen der beiden Reaktanten angeordnet. Bei dieser Konfiguration ist zu erkennen, dass eine entsprechende Aufweitung für die Kathodenkanäle im Verteilbereich 11 mit einem Winkel α2 vorliegt. Entsprechend steil ist daher die Flanke 14 zu wählen, um eine möglichst gleichmäßige Länge der im Verteilbereich 11 vorliegenden Kanäle zu erzielen und damit eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Reaktanten auf die aktive Fläche oder den aktiven Bereich 10.
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Die Bipolarplatte 1 nach 2 unterscheidet sich von der Bipolarplatte 1 nach 1 dadurch, dass die Form des nutzbaren Strömungsquerschnitts des Medienports 4 des Einen der beiden Reaktanten im wesentlichen E-förmig gebildet ist, und dass zwischen jedem Schenkelpaar genau ein Medienport 5 des Anderen der beiden Reaktanten angeordnet ist. Dies führt dazu, dass ein geringerer Anstellwinkel α1 (kleiner als α2) vorliegt, sodass die Flanken 14 nicht so steil zu wählen sind, da geringere Unterschiede der Kanallängen im Verteilbereich 11 vorliegen, die durch den Winkel der Flanke 14 auszugleichen wären.
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Im Ergebnis zeichnen sich die vorliegende Bipolarplatten 1 sowie ein mit solchen Bipolarplatten 1 gebildeter Brennstoffzellenstapel durch eine verbesserte Verteilung und Vergleichmäßigung der Reaktanten auf den aktiven Bereich 10 aus, wobei zudem die Bauhöhe eines Brennstoffzellenstapels deutlich reduziert wird. Durch die gewählte verschachtelte Anordnung der Medienports 4, 5 lässt sich der Verteilbereich 11 auch schmaler bilden, sodass der aktive Bereich 10 maximiert werden kann, was die Effizienz eines derart gebildeten Brennstoffzellenstapels drastisch erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- erstes Reaktantenflussfeld (z.B. Anodenflussfeld)
- 3
- zweites Reaktantenflussfeld (z.B. Kathodenflussfeld)
- 4
- Medienport (z.B. Oxidationsmittel/Kathode)
- 5
- Medienport (z.B. Brennstoff/Anode)
- 6
- Kühlmittelkanal
- 7
- Schenkel
- 8
- Basis
- 9
- Strömungskanal
- 10
- Aktiver Bereich
- 11
- Verteilbereich
- 12
- Scheitel
- 13
- Flanke
- 14
- Kante (Schenkel)
- 15
- Scheitelpunkt (Schenkel)
- 16
- Sammelbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004043513 A1 [0005]
- CN 110212213 A [0006]
- DE 102015224994 A1 [0006]
- DE 112005003103 T5 [0006]
