DE102021210493A1

DE102021210493A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102021210493A1
Application number: DE102021210493.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer; Juergen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Ausgangsplatte mit einer Oxidationsmittelseite (59) zur Begrenzung eines Gasraumes für Oxidationsmittel und einer Brennstoffseite zur Begrenzung eines Gasraumes für Brennstoff, Herstellung von Erhebungen (63) an der Oxidationsmittelseite (59), so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Oxidationsmittelseite ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet wird und/oder Herstellung von Erhebungen (63) an der Brennstoffseite, so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Brennstoffseite (60) ein Strömungsraum für den Brennstoff ausgebildet wird, wobei wenigstens zwei Erhebungen (63) mit einem Abstand (d1) zueinander hergestellt werden, so dass zwischen den je zwei Erhebungen (63) ein Zwischenraum (66) mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht gemäß dem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7, eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. In dem Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Brennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert.
Die Brennstoffzellen umfassen unter anderem eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode jeweils mit einer Katalysatorschicht, eine Gasdiffusionsschicht und eine Bipolarplatte. Die Protonenaustauschermembran mit der Anode und Kathode bildet dabei eine Membranelektrodenanordnung. Zwischen der Anode und der Bipolarplatte ist ein Gasraum für Brennstoff ausgebildet und in diesem Gasraum ist auch eine Gasdiffusionsschicht angeordnet. In analoger Weise ist zwischen der Kathode und der Bipolarplatte ein Gasraum für Oxidationsmittel ausgebildet und in diesem Gasraum ist auch die Gasdiffusionsschicht angeordnet. Die Bipolarplatte ist elektrisch leitfähig, aber für Gase und Ionen undurchlässig und verteilt aufgrund einer entsprechenden Strukturierung (Erhebungen), z.B. als Stege, Stutzen, Wandungen oder tiefgezogene Struktur mit Kanälen, als Kanalstruktur oder Flussfeld, das Oxidationsmittel und den Brennstoff. Die Gasdiffusionsschicht hat die Aufgabe, zusätzlich eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels von der Kanalstruktur oder dem Flussfeld an der Bipolarplatte zu der Anode und Kathode mit dem Katalysator mit Katalysatorpartikeln zu ermöglichen. Aufgrund der elektrochemischen Reaktion bildet sich an der Kathode Wasser. Die Protonenaustauschermembran benötigt für die lonenleitfähigkeit einen bestimmten Mindestwassergehalt. Andererseits würde ein zu großer Wassergehalt an dem Gasraum die Verteilung und Leitung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels als die Prozessgase behindern und dies würde somit zu einer unzureichenden Versorgung der Anode und Kathode mit Prozessgasen in nachteiliger Weise führen. In unterschiedlichen Betriebsweisen der Brennstoffzelleneinheit kann pro Zeiteinheit sich eine unterschiedliche Menge an Wasser in den Gasräumen bilden. Dies kann somit, sofern keine Speicherung von Wasser möglich ist, in bestimmten Betriebsweisen zu einer Unterversorgung der Protonenaustauschermembran mit Wasser führen und in anderen Betriebsweisen zu einem nachteiligen Überschuss von Wasser.
Die DE 11 2010 002 739 T5 zeigt eine Brennstoffzelle, welche aufweist: eine erste Elektroden-Katalysatorschicht, die auf eine anodenseitige Oberfläche einer Elektrolytmembran aufgelegt ist; eine zweite Elektroden-Katalysatorschicht, die auf eine kathodenseitige Oberfläche der Elektrolytmembran aufgelegt ist; ein erstes Gaskanal-Ausbildungselement, das auf eine Oberfläche der ersten Elektroden-Katalysatorschicht aufgelegt ist und einen ersten Gaskanal zum Zuführen von Brennstoffgas aufweist; ein zweites Gaskanal-Ausbildungselement, das auf eine Oberfläche der zweiten Elektroden-Katalysatorschicht aufgelegt ist und einen zweiten Gaskanal zum Zuführen von Oxidationsgas aufweist; einen ersten Separator, der in dem ersten Gaskanal-Ausbildungselement angeordnet ist; einen zweiten Separator, der auf eine Oberfläche des zweiten Gaskanal-Ausbildungselementes aufgelegt ist; einen Einführungskanal und einen Abführungskanal für das Brennstoffgas; und einen Einführungskanal und einen Abführungskanal für das Oxidationsgas; wobei das zweite Gaskanal-Ausbildungselement eine flache Platte und eine Mehrzahl von einstückig mit der flachen Platte ausgebildeten Vorsprüngen zum Ausbilden des zweiten Gaskanals aufweist, ein Wasserkanal zwischen einer Oberfläche der flachen Platte des zweiten Gaskanal-Ausbildungselementes und einer dem zweiten Gaskanal-Ausbildungselement entsprechenden Rückseite des zweiten Separators ausgebildet ist, der Wasserkanal und der zweite Gaskanal durch ein Verbindungsloch miteinander kommunizieren, das durch jeden der Vorsprünge hindurch ausgebildet ist, die durch Stanzen und Aufspreizen in dem zweiten Gaskanal-Ausbildungselement geformt sind, der Wasserkanal eine Tiefe besitzt, die auf einen kleineren Wert als die Tiefe des zweiten Gaskanals eingestellt ist, und Wasser, das mittels Kapillarwirkung aus dem zweiten Gaskanal über die Verbindungslöcher in den Wasserkanal gezogen wird, durch den Druck aufgrund des in dem zweiten Gaskanal strömenden Oxidationsgases zum Oxidationsgas-Abführkanal hin abgeleitet wird.
Die DE 10 2019 203 373 A1 zeigt eine Gasdiffusionsschicht als Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, umfassend ein Verbundmaterial, das elektrisch leitfähige Partikel, ein Bindemittel und Fasern, bevorzugt Carbonfasern, enthält, wobei die Partikel und die Fasern in dem Verbundmaterial in Mischung vorliegen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Ausgangsplatte mit einer Oxidationsmittelseite zur Begrenzung eines Gasraumes für Oxidationsmittel und einer Brennstoffseite zur Begrenzung eines Gasraumes für Brennstoff, Herstellung von Erhebungen an der Oxidationsmittelseite, so dass zwischen den Erhebungen an der Oxidationsmittelseite ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet wird und/oder Herstellung von Erhebungen an der Brennstoffseite, so dass zwischen den Erhebungen an der Brennstoffseite ein Strömungsraum für den Brennstoff ausgebildet wird, wobei wenigstens zwei Erhebungen mit einem Abstand zueinander hergestellt werden, so dass zwischen den je zwei Erhebungen ein Zwischenraum mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet wird. Die zur Verfügung gestellte Ausgangsplatte und damit auch die hergestellte Bipolarplatte umfasst beispielsweise wenigstens einen Kanal, vorzugsweise mehrere Kanäle, für Kühlmittel. Die zur Verfügung gestellte Ausgangsplatte und damit auch die hergestellte Bipolarplatte umfasst vorzugsweise zwei Trennplatten und zwischen den zwei Trennplatten sind der wenigstens eine Kanal, vorzugsweise mehrere Kanäle, für Kühlmittel ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform werden die Erhebungen mit additiver Fertigung auf der Oxidationsmittelseite und/oder Brennstoffseite der Ausgangsplatte hergestellt.
In einer ergänzenden Variante werden als additive Fertigung selektives Laserschmelzen und/oder dreidimensionale Metalldruckverfahren und/oder Drucken angewendet. Das Drucken wird beispielsweise mit Graphitmischungen und Binder auf Bipolarplatten aus Graphit ausgeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Erhebungen mit subtraktiver Fertigung auf der Oxidationsmittelseite und/oder Brennstoffseite der Ausgangsplatte hergestellt indem an der Oxidationsmittelseite und/oder Brennstoffseite der Ausgangsplatte außerhalb der herzustellenden Erhebungen das Material der Ausgangsplatte mit der subtraktiven Fertigung abgetragen wird.
Vorzugsweise werden als subtraktive Fertigung Lithographie und/oder Ätzverfahren angewendet.
In einer ergänzenden Variante werden Bipolarplatten aus Metall, insbesondere Edelstahl, oder Kohlenstoff, insbesondere Graphit, hergestellt.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht mit einer Elektrodenseite zur Anordnung in einer Brennstoffzelle zugewandt zu einer Elektrode und einer Bipolarplattenseite zur Anordnung in einer Brennstoffzelle zugewandt zu einer Bipolarplatte mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Gasdiffusionsschicht, wobei in einem weiteren Schritt eine Herstellung von Erhebungen an der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht ausgeführt wird, so dass zwischen den Erhebungen an der Bipolarplattenseite ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet wird und wenigstens zwei Erhebungen mit einem Abstand zueinander hergestellt werden, so dass sich zwischen den je zwei Erhebungen ein Zwischenraum mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird das zur Verfügung stellen der Gasdiffusionsschicht ausgeführt indem die Bipolarplattenseite von einer mikroporösen partikelbasierten Schicht der Gasdiffusionsschicht ausgebildet wird.
Zweckmäßig wird das zur Verfügung stellen der Gasdiffusionsschicht ausgeführt indem die Gasdiffusionsschicht aus einer, insbesondere nur einer, mikroporösen partikelbasierten Schicht gebildet wird, so dass die Bipolarplattenseite und die Elektrodenseite von der mikroporösen partikelbasierten Schicht ausgebildet werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die Erhebungen an der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht mit additiver Fertigung, insbesondere Drucken, hergestellt.
Vorzugsweise werden die Bipolarplattenseiten der Gasdiffusionsschichten mit einer bindemittelhaltigen Graphitmischung bedruckt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstand zwischen den je zwei Erhebungen in dem Zwischenraum mit Kapillarwirkung für Wasser zwischen 5 µm und 300 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 50 µm. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den 2 Erhebungen bestimmt als der, vorzugsweise minimale, Abstand zwischen den 2 Erhebungen aus der Mitte der Rauigkeit der Oberfläche der Erhebungen. Der kleine Abstand ermöglicht somit die Kapillarwirkung des Zwischenraumes, sodass sich aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers das Wasser in dem Zwischenraum ansammelt.
In einer zusätzlichen Variante ist die Anzahl der Zwischenräume mit Kapillarwirkung für Wasser zwischen je zwei Erhebungen an je einer Bipolarplatte und/oder je einer Gasdiffusionsschicht größer als 5, 10, 30 oder 50.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten mit einer Elektrodenseite zur Anordnung in einer Brennstoffzelle zugewandt zu einer Elektrode und einer Bipolarplattenseite zur Anordnung in einer Brennstoffzelle zugewandt zu einer Bipolarplatte und Bipolarplatten mit einer Oxidationsmittelseite zur Begrenzung eines Gasraumes für Oxidationsmittel und einer Brennstoffseite zur Begrenzung eines Gasraumes für Brennstoff sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in den Brennstoffzellen je ein Gasraum für Brennstoff zwischen der Bipolarplatte und der Anode ausgebildet ist, in den Brennstoffzellen je ein Gasraum für Oxidationsmittel zwischen der Bipolarplatte und der Kathode ausgebildet ist, wobei an der Oxidationsmittelseite der Bipolarplatten Erhebungen ausgebildet sind, so dass zwischen den Erhebungen an der Oxidationsmittelseite ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet ist und/oder an der Brennstoffseite der Bipolarplatten Erhebungen ausgebildet sind, so dass zwischen den Erhebungen an der Brennstoffseite ein Strömungsraum für den Brennstoff ausgebildet ist und wenigstens zwei Erhebungen mit einem Abstand zueinander ausgebildet sind, so dass zwischen den je zwei Erhebungen ein Zwischenraum mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet ist und/oder an der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht Erhebungen ausgebildet sind, so dass zwischen den Erhebungen an der Bipolarplattenseite ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet ist und wenigstens zwei Erhebungen mit einem Abstand zueinander ausgebildet sind, so dass zwischen den je zwei Erhebungen ein Zwischenraum mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet ist und/oder die Bipolarplatten mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt sind und/oder die Gasdiffusionsschichten mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, wenigstens einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördereinrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Erhebungen an je einer Oxidationsmittelseite der Bipolarplatte und/oder an je einer Brennstoffseite der Bipolarplatte und/oder an je einer Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht in einem Muster angeordnet, insbesondere sind dabei je 2 Erhebungen mit dem Zwischenraum zwischen den je 2 Erhebungen in einem im Wesentlichen identischen Winkel, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 5°, zueinander ausgerichtet.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Erhebungen an je einer Oxidationsmittelseite der Bipolarplatte und/oder an je einer Brennstoffseite der Bipolarplatte und/oder an je einer Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht eine im Wesentlichen identische Länge und/oder im Wesentlichen identische Breite und/oder im Wesentlichen identische Höhe auf, vorzugsweise als maximale Länge und/oder maximale Breite und/oder maximale Höhe. Im Wesentlichen identisch bedeutet vorzugsweise, mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 %, 10 % oder 5 %.
In einer ergänzenden Variante beträgt die Breite, insbesondere maximale Breite, und/oder die Länge, insbesondere die maximale Länge, und/oder die Höhe, insbesondere die maximale Höhe, der Erhebung zwischen 0 und 2000 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 1000 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 700 µm.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Zwischenräume, insbesondere sämtliche Zwischenräume, in den Gasräumen und/oder in den Strömungsräumen zwischen den Bipolarplatten und Gasdiffusionsschichten ausgebildet, wobei vorzugsweise hierfür fiktiv die Erhebungen nicht als Bestandteil der Bipolarplatten und/oder Gasdiffusionsschichten berücksichtigt sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Ausdehnung der Zwischenräume zwischen je zwei Erhebungen in einer Richtung senkrecht einer fiktiven Ebene, aufgespannt von den Komponenten der Brennstoffzellen, wesentlich größer, insbesondere um das 2-, 3-, 5-, 10-, 15- oder 20-Fache größer, als der, insbesondere minimale, Abstand, vorzugsweise in einer Richtung parallel zu der fiktiven Ebene, zwischen den je zwei Erhebungen als Dicke des Zwischenraumes. Die Höhe ist senkrecht zu der fiktiven Ebene ausgerichtet und die Länge und Breite parallel zu der fiktiven Ebene ausgerichtet.
In einer weiteren Variante ist der Abstand zwischen den je zwei Erhebungen bestimmt in einer Richtung parallel oder senkrecht zu der fiktiven Ebene. Bei einer Bestimmung des Abstandes zwischen den je zwei Erhebungen in einer Richtung parallel zu der fiktiven Ebene sind die je zwei Erhebungen nebeneinander auf der Oxidationsmittelseite und/oder Brennstoffseite der Bipolarplatte und/oder auf der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht angeordnet. Bei einer Bestimmung des Abstandes zwischen den je zwei Erhebungen in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene sind die je zwei Erhebungen übereinander auf der Oxidationsmittelseite und/oder Brennstoffseite der Bipolarplatte und/oder auf der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Zwischenraum zwischen den 2 Erhebungen mit einem Laserstrahl hergestellt. An der Bipolarplatte und/oder an der Gasdiffusionsschicht wird somit zunächst eine doppelte Erhebung ausgebildet, beispielsweise mittels Umformen, und anschließend wird mit dem Laserstrahl in die doppelte Erhebung ein Schlitz als der Zwischenraum eingearbeitet.
In einer weiteren Variante ist der Abstand zwischen den je zwei Erhebungen in dem Zwischenraum kleiner als 0,7 mm, insbesondere kleiner als 0,5 mm.
Vorzugsweise ist die Ausdehnung des Strömungsraumes zwischen den Erhebungen in einer Richtung parallel zu der fiktiven Ebene wesentlich größer, insbesondere wenigstens um das 2-, 3-, 5-, 10-, 15- oder 20-Fache größer, als senkrecht der fiktiven Ebene.
In einer weiteren Variante erstrecken sich die Erhöhungen, insbesondere als Höhe der Erhebung, in einer Richtung senkrecht zu der von den Komponenten, insbesondere der Bipolarplatte und/oder der Gasdiffusionsschicht, aufgespannten fiktiven Ebene.
In einer weiteren Variante wird als additive Fertigung das Laserstrahlschmelzen und/oder Rapid Prototyping und/oder das Elektronenstrahlschmelzen und/oder das Lasersintern und/oder das Digital Light Processing und/oder das Fused Layer Modeling ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die Erhebungen an der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionsschicht mit subtraktiver Fertigung hergestellt. Bei der Herstellung der Erhebungen auf der Bipolarplatten der Gasdiffusionsschicht mit subtraktiver Fertigung erfolgt somit ein zur Verfügung stellen einer Ausgangsschicht der Gasdiffusionsschicht mit einer größeren Dicke und anschließend wird die subtraktive Fertigung ausgeführt, jedoch nicht an den Bereichen mit den Erhebungen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Oberfläche der Erhebungen, welche den Zwischenraum begrenzt, eine hydrophile Eigenschaft auf. Die hydrophile Eigenschaft verbessert die Kapillarwirkung für das Wasser, d. h. es kann mehr Wasser in dem Zwischenraum gespeichert werden. Dies wird beispielsweise dadurch ermöglicht, indem als Bindemittel bei dem Bedrucken mit der Graphitmischung PVDF mit einer hydrophilen Eigenschaft eingesetzt wird.
In einer weiteren Variante umfasst die mikroporöse partikelbasierte Gasdiffusionsschicht ein Verbundmaterial, das elektrisch leitfähige Partikel, ein Bindemittel und Fasern, bevorzugt Carbonfasern, enthält, wobei die Partikel und die Fasern in dem Verbundmaterial in Mischung vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gasdiffusionsschicht eine, insbesondere nur eine, mikroporöse partikelbasierte Schicht und die Schicht das Verbundmaterial umfasst.
Vorzugsweise weisen die Fasern der Gasdiffusionsschicht eine Länge von mindestens 0,2 mm, bevorzugt von mindestens 2 mm, auf, insbesondere beträgt die Länge nicht mehr als 12 mm.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weisen die Fasern der Gasdiffusionsschicht einen Durchmesser von 5 µm bis 15 µm auf.
In einer zusätzlichen Variante weist das Verbundmaterial der Gasdiffusionsschicht elastische Eigenschaften auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Gasdiffusionsschicht eine Dicke von 10 µm bis 300 µm, bevorzugt von 20 µm bis 150µm, auf.
Die Offenbarung der Patentanmeldung DE 10 2019 203 373 A1 wird hinsichtlich der optionalen Ausbildung der Gasdiffusionsschicht als Gasdiffusionslage für die Brennstoffzelle in diese Schutzrechtsanmeldung aufgenommen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst das Verbundmaterial der Gasdiffusionsschicht zu 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bevorzugt zu 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%, ein erstes Bindemittel, bevorzugt Polyvinylidenfluorid (PVDF), zu 0 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bevorzugt zu 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise ein zweites Bindemittel, bevorzugt Polytetrafluorethylen (PTFE), zu 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugt zu 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, die Fasern zu 0 Gew.-% bis 96 Gew.-%, bevorzugt zu 10 Gew.- % bis 50 Gew.-%, die elektrisch leitfähigen Partikel, vorzugsweis mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 µm bis 50 µm und/oder zu 2 Gew.-% bis 98 Gew.-%, bevorzugt zu 10 Gew.-% bis 78 Gew.-%, vorzugsweise die elektrisch leitfähigen Partikel mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 0,5 µm aufweisen.
Vorzugsweise sind die Partikel der Gasdiffusionsschicht aus Kohlenstoff ausgebildet.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördereinrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen (Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse,
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse,
6 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 eine Draufsicht auf Erhebungen in einem zweiten Ausführungsbeispiel an einer Bipolarplattenseite einer Gasdiffusionsschicht,
8 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte mit Erhebungen in einem ersten Ausführungsbeispiel,
9 eine Draufsicht der Bipolarplatte mit Erhebungen in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer zusätzlichen vergrößerten perspektivischen Detailansicht,
10 eine perspektivische Ansicht einer Gasdiffusionsschicht mit Erhebungen in dem ersten Ausführungsbeispiel,
11 eine Draufsicht der Gasdiffusionsschicht gemäß 10 mit einer zusätzlichen vergrößerten perspektivischen Detailansicht,
12 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte mit Erhebungen in einem dritten Ausführungsbeispiel,
13 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte mit Erhebungen in einem vierten Ausführungsbeispiel und
14 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte mit Erhebungen in verschiedenen Ausführungsbeispielen.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf graphitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nafion®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Graphit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 im Brennstoffzellenstapel 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 als fluchtende Fluidöffnungen 52 an Abdichtplatten 50 als Verlängerung am Endbereich 51 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 37 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 52 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 zwischen den Fluidöffnungen 52 bilden somit einen Zuführkanal 53 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 54 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 55 für Brennstoff, einen Abführkanal 56 für Brennstoff, einen Zuführkanal 57 für Kühlmittel und einen Abführkanal 58 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 40 als Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Brennstoff aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelement 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet (nicht dargestellt).
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 52 an den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 50 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58. Die Kanäle 14 sind tatsächlich zwischen zwei Trennplatten der Bipolarplatte 10 ausgebildet.
Die Bipolarplatte 10 weist eine Oxidationsmittelseite 59 auf, welche den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel begrenzt. Ferner weist die Bipolarplatte 10 eine Brennstoffseite 60 auf, welche den Gasraum 31 für Brennstoff begrenzt. Die Oxidationsmittelseite 59 und die Brennstoffseite 60 sind im Wesentlichen eben und parallel zu der fiktiven Ebene 37 ausgerichtet. Dabei kann die Oxidationsmittelseite 59 und die Brennstoffseite 60 optional mit der Kanalstruktur 29 gemäß der Darstellung in 2 oder 3 ausgebildet sein oder gemäß der Darstellung in 8 und 9 eben ohne der Kanalstruktur 29 ausgebildet sein.
Die Gasdiffusionsschicht 9 weist eine Elektrodenseite 61 auf, welche zugewandt zu der Anode 7 oder Kathode 8 ist als Elektrode 7, 8 und eine Bipolarplattenseite 62, welche zugewandt zu der Bipolarplatte 10 in der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist.
in 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die geometrische Ausbildung von Erhebungen 63 dargestellt. Die Erhebungen 63 sind im Wesentlichen wandförmig und/oder quaderförmig ausgebildet und weisen eine Schmalseite 64 und eine Breitseite 65 auf. Die Geometrie der Schmalseite 64 und der Breitseite 65 sind in 7 für das erste Ausführungsbeispiel der Erhebungen 63 dargestellt. Die Erhebungen 63 weisen eine Breite a, eine Länge b und eine Höhe h auf. Zwischen je 2 Erhebungen als Paare ist ein Zwischenraum 66 ausgebildet und die je 2 Erhebungen 63 sind in einem Winkel w von ungefähr 90° zueinander ausgerichtet. Der Zwischenraum 63 ist begrenzt von 2 Schmalseiten 64 der Erhebungen 63. Der Winkel w zwischen den je 2 Erhebungen 63 ergibt sich auch aus dem Winkel w zwischen 2 fiktiven Mittelebenen (nicht dargestellt) der je 2 Erhebungen 63. Der Abstand d1 zwischen den 2 Erhebungen 63 an dem Zwischenraum 66 liegt zwischen 10 µm und 50 µm. Zwischen den je 2 Paaren der Erhebungen 63 mit dem Zwischenraum 66 ist ein Abstand d2 vorhanden von ungefähr 2 bis 5 mm. Die Erhebungen 63 sind an der Oxidationsmittelseite 59 der Bipolarplatte 10 ausgebildet, d. h. an der Seite der Bipolarplatte 10 mit der Bildung von Wasser aufgrund der elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8. Zur Führung des Oxidationsmittels sind auf der Oxidationsmittelseite 59 zwei Trennwandung 69 zur Leitung des Oxidationsmittels ausgebildet, sodass sich 3 Bereiche mit einer jeweils entgegengesetzt gerichteten Strömungsrichtung 67 des Oxidationsmittels ausbilden (9). Die je 2 Paare der Erhebungen 63 sind dabei zu den Strömungsrichtungen 67 in den 3 Bereichen identisch ausgerichtet, d. h. die sich verjüngenden Breitseiten 65 der Erhebungen 63 in Richtung zu dem Zwischenraum 66 sind in Richtung zu der Strömungsrichtung 67 ausgerichtet.
Aufgrund des Abstandes zwischen 10 µm und 50 µm des Zwischenraumes 66 zwischen den je 2 Paaren der Erhebungen 63 weist der Zwischenraum 66 eine Kapillarwirkung für Wasser aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers, d. h. des Dipolcharakters der Moleküle des Wassers, auf. In dem Zwischenraum 66 kann somit Wasser die gespeichert werden. Bei einer Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 4 mit einem Überschuss an Wasser in dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel kann somit in den Zwischenräumen 66 Wasser aufgrund der Kapillarwirkung gespeichert werden. Bei einer Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 4 mit einer Unterversorgung an Wasser in dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel kann das in den Zwischenräumen 66 gespeicherte Wasser an das Oxidationsmittel abgegeben werden indem das Wasser in den Zwischenräumen 66 verdunstet und/oder aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel einzelne Wassertröpfchen von dem strömenden Oxidationsmittel aus dem Zwischenraum 66 mitgerissen werden, d. h. das Wasser kann aus den Zwischenräumen 66 leicht ausgeblasen werden. Die geometrische Ausrichtung der je 2 Paare der Erhebungen 63 begünstigt das Mitreißen von Wassertröpfchen aus dem Zwischenraum 66, weil die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels aufgrund der Ausrichtung der Breitseiten 65 in Richtung zu der Strömungsrichtung 67 eine Erhöhung des Druckes oder eines Staus des Oxidationsmittels an dem Zwischenraum 66 bewirkt. Die Außenseite des Wassers in dem Zwischenraum 66 ist ausreichend dimensioniert, sodass ausreichend Verdunstungsoberfläche für die Verdunstung des Wassers vorhanden ist.
In den 7, 8, 10 und 11 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die geometrische Anordnung der Erhebungen 63 zueinander auf der Bipolarplattenseite 62 der Gasdiffusionsschicht 9 dargestellt. Die einzelnen Erhebungen 63 in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel weisen eine identische Geometrie auf und unterscheiden sich in der Anordnung und Ausrichtung der Erhebungen 63 zueinander. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 9 beschrieben. Die je 2 Paare der Erhebungen 63 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet mit einem Winkel w von ungefähr 0°, sodass der Zwischenraum 66 mit Kapillarwirkung von den 2 zueinander ausgerichteten Breitseiten 65 der im Wesentlichen quaderförmigen oder wandförmigen Erhebungen 63 begrenzt ist. Im Vergleich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ist damit das Volumen des Zwischenraumes 66 wesentlich größer, sodass damit auch eine größere Menge an Wasser in je einem Zwischenraum 66 gespeichert werden kann. Aufgrund der Ausrichtung der 2 Erhebungen 63 zueinander und der Ausrichtung zu der Strömungsrichtung 67 wird von dem Oxidationsmittel, welches in der Strömungsrichtung 67 durch den Gasraum 32 geleitet wird, ein geringfügigeres Mitreißen von Wassertröpfchen aus dem Zwischenraum 66 ausgeführt als in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9. Die Ausrichtung der Erhebungen 63 hat somit Auswirkungen auf die Fähigkeit der Abgabe von Wasser aus den Zwischenräumen 66, sodass die Ausführungsbeispiele einerseits gemäß 9 und andererseits gemäß 7, 8, 10 und 11 für unterschiedliche Anwendungen der Brennstoffzelleneinheit 1, beispielsweise für Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, eingesetzt werden können. Aufgrund der Ausrichtung der Erhebungen 63 bildet sich Wirbelbereiche 68 des Oxidationsmittels in Strömungsrichtung 67 an den Erhebungen 63 aus (7). In 8 sind die Erhebungen 63 in dem ersten Ausführungsbeispiel an der Bipolarplatte 10 und in 10 und 11 an der Gasdiffusionsschicht 9 ausgebildet. 7 dient auch zur Erläuterung der Geometrie der Erhebungen 63 in dem ersten Ausführungsbeispiel, insbesondere zur Darstellung der Schmalseiten 64 und Breitseiten 65 der Erhebungen 63.
In den 12 bis 14 sind weitere Ausführungsbeispiel für die Geometrie der Erhebungen 63 und/oder für die Ausrichtung der Erhebungen 63 zueinander dargestellt.
In 12 sind die Erhebungen 63 je an einem Bereich mit einer konstanten Höhe h und an je einem anderen Bereich mit einer stetig abnehmenden Höhe h als einer Rampe ausgebildet. Dabei ist der Zwischenraum 66 begrenzt von den Breitseiten 65 der Erhebungen 63 mit der konstanten Höhe h.
In 13 sind je zwei Erhebungen 63 als doppelte Kegelstümpfe 63 ausgebildet und der Zwischenraum 66 ist von dem Bereich zwischen den doppelten Kegelstümpfen 63 der zwei Erhebungen 63 begrenzt. Der Zwischenraum 66 ist somit von zwei übereinander angeordneten Erhebung 63 begrenzt. Die zwei doppelten Kegelstümpfe 63 sind übereinander angeordnet mit einer gemeinsamen Längsachse der zwei doppelten Kegelstümpfe 63 und die sich konisch verjüngenden Kegelstümpfe 63 sind am Bereich mit dem kleinsten Durchmesser miteinander verbunden, sodass der Zwischenraum 66 zwischen je zwei doppelten Kegelstümpfen 63 einen unterschiedlichen Abstand d1 in Richtung der Längsachse und/oder senkrecht zu der fiktiven Ebene 37 aufweist. Der Abstand d1 nimmt in radialer Richtung, d. h. senkrecht zu der Längsachse der doppelten Kegelstümpfe und parallel zu der Ebene der Oxidationsmittelseite 59 und parallel zu der fiktiven Ebene 37, in einer Richtung weg von den doppelten Kegelstümpfen 63 zu. Der Abstand d1 in je einem Zwischenraum 66 ist somit nicht konstant. Die je zwei Kegelstümpfe 63 als die je zwei Erhebungen 63 sind einteilig mittels additiver oder subtraktiver Fertigung hergestellt und bilden aufgrund der Geometrie je zwei Erhebungen 63.
In 14 sind die Erhebungen 63 neben der Ausbildung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 7, 8, 10 und 11 sowie dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 auch noch mit anderen Geometrien ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel weist die Oberseite der Erhebungen 63 eine im Wesentlichen V-förmige Kerbe auf und in einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Oberseite der Erhebungen 63 eine Aussparung auf und zwischen der Aussparung ist an den Endbereichen je einer Erhebung 63 eine im Wesentlichen zylinderförmige Geometrie ausgebildet.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erhebungen 63 als Kegelstümpfe 63 ausgebildet und der Zwischenraum 66 ist von dem Bereich des Kegels der zwei nebeneinander angeordneten Erhebungen 63 begrenzt, sodass der Zwischenraum 66 zwischen je 2 Erhebungen 63 einen unterschiedlichen Abstand d1 aufweist, der in Richtung mit einem sich vergrößernden Abstand zu der Oxidationsmittelseite 59 der Bipolarplatte 10 zunimmt. Der Abstand d1 in je einem Zwischenraum 66 ist somit nicht konstant. Die Kegelstümpfe 63 weisen an der Oxidationsmittelseite 59 den maximalen Durchmesser auf, der mit zunehmendem Abstand zu der Oxidationsmittelseite 59 abnimmt.
Die Bipolarplatte 10 ist aus Metall, insbesondere Stahl oder aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit hergestellt. Aufgrund des kleinen Abstandes d1 zwischen den 2 Erhebungen 63 an dem Zwischenraum 66 ist im Allgemeinen eine spanabhebende Einarbeitung des Zwischenraumes 66 nicht mit einer ausreichend hohen Genauigkeit möglich. Aus diesem Grund werden auf der Oxidationsmittelseite 59 und/oder der Brennstoffseite 10 der Bipolarplatte 10 die Erhebungen 63 mittels additiver Fertigung oder subtraktiver Fertigung hergestellt. Als additive Fertigung wird beispielsweise selektives Laserschmelzen eingesetzt. Es erfolgt somit zunächst für die Herstellung der Bipolarplatte 10 ein zur Verfügung stellen einer Ausgangsplatte und auf die Oxidationsmittelseite 59 und/oder Brennstoffseite 60 dieser Ausgangsplatte werden mittels der additiven Fertigung die Erhebungen 63 ausgebildet. Bei der Herstellung der Erhebungen 63 mittels der subtraktiven Fertigung erfolgt ein zur Verfügung stellen der Ausgangsplatte mit einer größeren Dicke und anschließend wird an der Oxidationsmittelseite 59 und/oder der Brennstoffseite 60 der Ausgangsplatte die subtraktive Fertigung ausgeführt, jedoch nicht an den Bereichen mit den Erhebungen 63. Als subtraktive Fertigung wird beispielsweise Lithographie oder ein Ätzverfahren eingesetzt. Bei einer Ausbildung der Bipolarplatte 10 aus Graphit wird auf die Oxidationsmittelseite 59 und/oder die Brennstoffseite 60 der Ausgangsplatte eine Graphitmischung mit Binder mittels eines Druckverfahrens aufgebracht, welches anschließend aushärtet zu den Erhebungen 63.
Die Gasdiffusionsschicht 9 ist aus nur einer mikroporösen, partikelbasierten Schicht ausgebildet. Dadurch weist die Gasdiffusionsschicht 9 auch auf der Bipolarplattenseite 62 eine kleine Rauigkeit auf. Aufgrund dieser kleinen Rauigkeit auch der Bipolarplattenseite 62 der Gasdiffusionsschicht 9 können auf der Bipolarplattenseite 62 der Gasdiffusionsschicht 9 die Erhebungen 63 mittels additiver Fertigung hergestellt werden, beispielsweise indem eine Graphitmischung mit Binder als bindemittelhaltige Graphitmischung auf die Bipolarplattenseite 62 der Gasdiffusionsschicht 9 aufgedruckt wird, welche anschließend zu den Erhebungen 63 erhärtet. Die bindemittelhaltigen Graphitmischung kann dabei mit einer unterschiedlichen Viskosität ausgewählt werden, sodass nach dem Bedrucken ein Fließen oder kein Fließen der noch nicht erhärteten und aufgedruckten bindemittelhaltigen Graphitmischung eintritt. Bei einem nachträglichen, geringen Fließen der aufgedruckten bindemittelhaltigen Graphitmischung kann aufgrund des Fließens der Abstand d1 zwischen den Erhebungen 63 nachträglich nach dem Bedrucken verkleinert werden. Dabei wird vorzugsweise als Bindemittel PVDF eingesetzt mit einer hydrophilen Eigenschaft. Aufgrund dieses Bindemittels mit der hydrophilen Eigenschaft weist auch die Oberfläche der Erhebungen 63, welche den Zwischenraum 66 begrenzt, eine hydrophile Eigenschaft auf, sodass dadurch in dem Zwischenraum 66 mit Kapillarwirkung eine größere Menge an Wasser gespeichert werden kann.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte 10, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 9, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. In den Zwischenräumen 66 zwischen den Erhebungen 63 kann aufgrund der auftretenden Kapillarwirkung Wasser einfach und zuverlässig gespeichert werden. Bei Betriebsweisen oder Betriebszuständen mit einem Überangebot an Wasser in dem Gasraum 31 für Brennstoff oder dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel kann dieses Wasser in den Zwischenräumen 66 mit Kapillarwirkung gespeichert werden und anschließend während Betriebsweisen oder Betriebszuständen mit einem Mangel an Wasser an das Oxidationsmittel oder den Brennstoff abgegeben werden. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, ein Überangebot an Wasser in den Gasräumen 31, 32 vermeiden, was zu einer Unterversorgung der Elektroden 7, 8 mit den Prozessgasen Oxidationsmittel und Brennstoff führen würde. Außerdem kann eine Unterversorgung der Protonenaustauschermembran 5 mit Wasser vermieden werden, d. h. die Protonenaustauschermembran 5 weist im Regelfall stets einen ausreichenden Mindestwassergehalt auf, sodass im Regelfall die Ionenleitfähigkeit der Protonenaustauschermembran 5 stets und kontinuierlich gewährleistet ist.
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 112010002739 T5 [0004]
DE 102019203373 A1 [0005, 0040]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen einer Ausgangsplatte mit einer Oxidationsmittelseite (59) zur Begrenzung eines Gasraumes (32) für Oxidationsmittel und einer Brennstoffseite (60) zur Begrenzung eines Gasraumes (31) für Brennstoff, - Herstellung von Erhebungen (63) an der Oxidationsmittelseite (59), so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Oxidationsmittelseite (59) ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet wird und/oder Herstellung von Erhebungen (63) an der Brennstoffseite (60), so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Brennstoffseite (60) ein Strömungsraum für den Brennstoff ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Erhebungen (63) mit einem Abstand (d1) zueinander hergestellt werden, so dass zwischen den je zwei Erhebungen (63) ein Zwischenraum (66) mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (63) mit additiver Fertigung auf der Oxidationsmittelseite (59) und/oder Brennstoffseite (60) der Ausgangsplatte hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als additive Fertigung selektives Laserschmelzen und/oder dreidimensionale Metalldruckverfahren und/oder Drucken angewendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (63) mit subtraktiver Fertigung auf der Oxidationsmittelseite (59) und/oder Brennstoffseite (60) der Ausgangsplatte hergestellt werden indem an der Oxidationsmittelseite (59) und/oder Brennstoffseite (60) der Ausgangsplatte außerhalb der herzustellenden Erhebungen (63) das Material der Ausgangsplatte mit der subtraktiven Fertigung abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als subtraktive Fertigung Lithographie und/oder Ätzverfahren angewendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bipolarplatten (10) aus Metall, insbesondere Edelstahl, oder Kohlenstoff, insbesondere Graphit, hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht (9) mit einer Elektrodenseite (61) zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (2) zugewandt zu einer Elektrode (7, 8) und einer Bipolarplattenseite (62) zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (2) zugewandt zu einer Bipolarplatte (10) mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Gasdiffusionsschicht (9), dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt eine Herstellung von Erhebungen (63) an der Bipolarplattenseite (62) der Gasdiffusionsschicht (9) ausgeführt wird, so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Bipolarplattenseite (62) ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet wird und wenigstens zwei Erhebungen (63) mit einem Abstand (d1) zueinander hergestellt werden, so dass sich zwischen den je zwei Erhebungen (63) ein Zwischenraum (66) mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Verfügung stellen der Gasdiffusionsschicht (9) ausgeführt wird indem die Bipolarplattenseite (62) von einer mikroporösen partikelbasierten Schicht der Gasdiffusionsschicht (9) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Verfügung stellen der Gasdiffusionsschicht (9) ausgeführt wird indem die Gasdiffusionsschicht aus einer, insbesondere nur einer, mikroporösen partikelbasierten Schicht (9) gebildet wird, so dass die Bipolarplattenseite (62) und die Elektrodenseite (61) von der mikroporösen partikelbasierten Schicht (9) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (63) an der Bipolarplattenseite (52) der Gasdiffusionsschicht (9) mit additiver Fertigung, insbesondere Drucken, hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplattenseiten (62) der Gasdiffusionsschichten (9) mit einer bindemittelhaltigen Graphitmischung bedruckt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d1) zwischen den je zwei Erhebungen (53) in dem Zwischenraum (66) mit Kapillarwirkung für Wasser zwischen 5 µm und 300 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 50 µm, ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zwischenräume (66) mit Kapillarwirkung für Wasser zwischen je zwei Erhebungen (63) an je einer Bipolarplatte (10) und/oder je einer Gasdiffusionsschicht (9) größer als 5, 10, 30 oder 50 ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) mit einer Elektrodenseite (61) zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (2) zugewandt zu einer Elektrode (7, 8) und einer Bipolarplattenseite (62) zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (2) zugewandt zu einer Bipolarplatte (10) und Bipolarplatten (10) mit einer Oxidationsmittelseite (59) zur Begrenzung eines Gasraumes (32) für Oxidationsmittel und einer Brennstoffseite (60) zur Begrenzung eines Gasraumes (31) für Brennstoff sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - in den Brennstoffzellen (2) je ein Gasraum (31) für Brennstoff zwischen der Bipolarplatte (10) und der Anode (7) ausgebildet ist, - in den Brennstoffzellen (2) je ein Gasraum (32) für Oxidationsmittel zwischen der Bipolarplatte (10) und der Kathode (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oxidationsmittelseite (59) der Bipolarplatten (10) Erhebungen (63) ausgebildet sind, so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Oxidationsmittelseite (59) ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet ist und/oder an der Brennstoffseite (60) der Bipolarplatten (10) Erhebungen (63) ausgebildet sind, so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Brennstoffseite (60) ein Strömungsraum für den Brennstoff ausgebildet ist und wenigstens zwei Erhebungen (63) mit einem Abstand (d1) zueinander ausgebildet sind, so dass zwischen den je zwei Erhebungen (63) ein Zwischenraum (66) mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet ist und/oder an der Bipolarplattenseite (62) der Gasdiffusionsschicht (9) Erhebungen (63) ausgebildet sind, so dass zwischen den Erhebungen (63) an der Bipolarplattenseite (62) ein Strömungsraum für das Oxidationsmittel ausgebildet ist und wenigstens zwei Erhebungen (63) mit einem Abstand (d1) zueinander ausgebildet sind, so dass zwischen den je zwei Erhebungen (63) ein Zwischenraum (66) mit Kapillarwirkung für Wasser ausgebildet ist und/oder die Bipolarplatten (10) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6 sowie 12 und 13 hergestellt sind und/oder die Gasdiffusionsschichten (9) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 7 bis 13 hergestellt sind.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (40) mit Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördereinrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) gemäß Anspruch 14 ausgebildet ist.