DE102021213135A1

DE102021213135A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102021213135A1
Application number: DE102021213135.2A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023094087A1; CN118318330A

Abstract

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelleneinheit umfassend: eine erste Platte (59), eine zweite Platte (60), wobei die erste Platte (59) und zweite Platte aufeinander gestapelt sind, eine Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel an einem aktiven Bereich (80), eine Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel an dem aktiven Bereich (80), Kanalstrukturen (29) mit Kanälen für Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel an dem aktiven Bereich (80), wobei die Kanäle für Kühlmittel an dem aktiven Bereich (80) zwischen der ersten und zweiten Platte (59) ausgebildet sind, eine äußere Sicke (63), welche an einem äußeren Randbereich (62) der Bipolarplatte (10) ausgebildet ist und die Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel und die Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel umschließt, eine Kühlmittelzuführungssicke (65), welche die Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel umschließt, eine Kühlmittelabführungssicke (66), welche die Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel umschließt, wobei eine erste fluidleitende Verbindung (71) von der Kühlmittelzuführungssicke (65) in die äußere Sicke (63) und eine zweite fluidleitende Verbindung (72) von der äußeren Sicke (63) in die Kühlmittelabführungssicke (66) ausgebildet ist zum Entfernen von Konditionierflüssigkeit aus der äußeren Sicke (63).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Konditionierung einer Bipolarplatte gemäß dem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10, 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.
Bipolarplatten beispielsweise aus Metall sind im Allgemeinen aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte ausgebildet. Zwischen der ersten und zweiten Platte ist ein Strömungsraum für Kühlmittel als Kühlfluid, insbesondere Kühlflüssigkeit, ausgebildet. An einem äußeren Randbereich der Bipolarplatte ist eine äußere umlaufende Schweißnaht und eine äußere umlaufende Sicke ausgebildet. Nach der mechanischen Herstellung der Brennstoffzelleneinheit mit den gestapelten Brennstoffzellen ist vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit eine Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit notwendig beispielsweise zum Befeuchten der Membran. Hierzu wird durch die Kanäle der Brennstoffzelleneinheit eine Konditionierflüssigkeit geleitet. Diese Konditionierflüssigkeit ist ohne Frostschutzmittel und nach der Konditionierung verbleibt an der äußeren umlaufenden Sicke zwischen dem äußeren Rand als Breitseiten der Bipolarplatte und Fluidöffnungen der Bipolarplatte die Konditionierflüssigkeit ohne Frostschutzmittel in der äußeren umlaufenden Sicke. Auch bei und nach einem Durchleiten eines Spülfluides oder Kühlmittels durch die Kanäle der Brennstoffzelleneinheit für Kühlmittel verbleibt diese Konditionierflüssigkeit in diesem Bereich der äußeren umlaufenden Sicke. Dadurch können bei Temperaturen unter 0° an der Brennstoffzelleneinheit Frostschäden auftreten aufgrund der Konditionierflüssigkeit in diesem Teilbereich der äußeren umlaufenden Sicke ohne Frostschutzmittel.
Die EP 3 350 864 B1 zeigt eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System, umfassend: mindestens eine Durchgangsöffnung zur Ausbildung eines Medienkanals zur Medienzufuhr oder zur Medienableitung; mindestens eine um die mindestens eine Durchgangsöffnung herum angeordnete Sickenanordnung zum Abdichten der Durchgangsöffnung, wobei wenigstens eine der Flanken der Sickenanordnung wenigstens einen Durchbruch zum Durchleiten eines Mediums durch die Sickenflanke aufweist und mindestens einen Leitungskanal, der sich an einer Außenseite der Sickenanordnung an den Durchbruch in der Sickenflanke anschließt und der über den Durchbruch in der Sickenflanke in Fluidverbindung mit einem Sickeninnenraum ist, wobei der Leitungskanal derart ausgebildet ist, dass eine parallel zur Planflächenebene der Separatorplatte bestimmte Breite des Leitungskanals zur Sickenanordnung hin wenigstens abschnittweise zunimmt.
Die DE 102 48 531 B4 zeigt ein Brennstoffzellensystem, bestehend aus einem Brennstoffzellenstack mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung oder Medienzu- und -abfuhr zu den Brennstoffzellen aufweisen und der Brennstoffzellenstack in Richtung der Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, wobei um die Öffnungen der Bipolarplatte herum elastische Sickenanordnungen vorgesehen sind, wobei an mindestens einer Flanke der Sickenanordnungen Durchbrüche zur Durchleitung flüssiger oder gasförmiger Medien angeordnet sind.
Die DE 10 2017 124 498 A1 zeigt eine Bipolarplatte mit mindestens einer Wulst, wobei der Wulst mehrere Kantenabschnitte und mehrere Muldenabschnitte mit mindestens einem Tangentenabschnitt, der zwischen benachbarten Kantenabschnitten und Muldenabschnitten angeordnet ist, umfasst und die Bipolarplatte ferner umfassend mindestens einen Tunnel, der mindestens ein Durchgangsloch innerhalb dem mindestens einen Tangentenabschnitt definiert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit umfassend: eine erste Platte, eine zweite Platte, wobei die erste Platte und zweite Platte aufeinander gestapelt sind, eine Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel an einen aktiven Bereich, eine Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel an dem aktiven Bereich, Kanalstrukturen mit Kanälen für Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel an dem aktiven Bereich, wobei die Kanäle für Kühlmittel an dem aktiven Bereich zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet sind, vorzugsweise eine äußere Sicke, welche vorzugsweise an einem äußeren Randbereich der Bipolarplatte ausgebildet ist und vorzugsweise die Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel und die Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel umschließt, eine Kühlmittelzuführungssicke, welche die Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel umschließt, eine Kühlmittelabführungssicke, welche die Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel umschließt, wobei eine erste fluidleitende Verbindung von der Kühlmittelzuführungssicke in die äußere Sicke und eine zweite fluidleitende Verbindung von der äußeren Sicke in die Kühlmittelabführungssicke ausgebildet ist zum Entfernen von Konditionierflüssigkeit aus der äußeren Sicke. Die erste fluidleitende Verbindung und die zweite fluidleitende Verbindung ermöglicht, insbesondere mit einem Druck kleiner als 1,2 bar oder 2 bar und/oder ohne einen Überdruck größer als 1 bar oder 2 bar, zwischen der ersten und zweiten Platte, ein kontrolliertes Durchströmen der äußeren umlaufenden Sicke an einem Bereich der äußeren umlaufenden Sicke zwischen dem äußeren Rand und den Fluidöffnungen der Bipolarplatte. Damit kann nach der Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit mit der Konditionierflüssigkeit ohne Frostschutzmittel die Konditionierflüssigkeit mit dem Spülfluid im Wesentlichen vollständig aus der äußeren umlaufenden Sicke ausgespült oder ausgeblasen werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist eine Kühlmittelzuführungsschweißnaht zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet und umschließt die Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel.
In einer weiteren Variante ist eine Kühlmittelabführungsschweißnaht zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet und umschließt die Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umschließt die Kühlmittelzuführungsschweißnaht die Kühlmittelzuführungssicke, so dass der Abstand der Kühlmittelzuführungsschweißnaht in einer Richtung parallel zu einer von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene zu der Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel größer ist als Abstand der Kühlmittelzuführungssicke in dieser Richtung zu der Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel.
In einer weiteren Ausführungsform umschließt die Kühlmittelabführungsschweißnaht die Kühlmittelabführungssicke, so dass der Abstand der Kühlmittelabführungsschweißnaht in einer Richtung parallel zu einer von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene zu der Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel größer ist als Abstand der Kühlmittelabführungssicke in dieser Richtung zu der Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen der Bipolarplatte für Kühlmittel.
Vorzugsweise ist die erste fluidleitende Verbindung von der Kühlmittelzuführungssicke in die äußere Sicke als eine Unterbrechung der Kühlmittelzuführungsschweißnaht ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist die zweite fluidleitende Verbindung von der Kühlmittelabführungssicke in die äußere Sicke als eine Unterbrechung der Kühlmittelabführungsschweißnaht ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste fluidleitende Verbindung von der Kühlmittelzuführungssicke in die äußere Sicke und/oder die zweite fluidleitende Verbindung von der äußeren Sicke in die Kühlmittelabführungssicke als eine Verbindungssicke und/oder als ein Verbindungskanal zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet.
Zweckmäßig ist eine äußere Sicke, welche an dem äußeren Randbereich der Bipolarplatte ausgebildet ist, vollständig umlaufend an dem äußeren Randbereich ausgebildet.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Brennstoffzellen vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit und in Bipolarplatten der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes, Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und Kanäle zum Durchleiten eines Kühlmittels ausgebildet sind mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Konditionierflüssigkeit, Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und/oder Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Kühlmittel, wobei das Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen mit Bipolarplatten ausgeführt wird und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Kühlmittel die Konditionierflüssigkeit im Wesentlichen vollständig aus den äußeren Sicken der Bipolarplatten ausgeleitet wird. Im Wesentlichen vollständig aus den äußeren Sicken der Bipolarplatten ausgeleitet wird bedeutet vorzugsweise, dass die Konditionierflüssigkeit zu wenigstens 90%, 95%, 98% oder 99% aus den äußeren Sicken ausgeleitet wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit ein Spülfluid durch die Fluidöffnungen zur Zuführung von Kühlmittel und die Fluidöffnungen zur Abführung für Kühlmittel geleitet, so dass die Konditionierflüssigkeit im Wesentlichen vollständig in den äußern Sicken von dem Spülfluid ausgeleitet, insbesondere ersetzt, wird indem das Spülfluid durch die ersten fluidleitenden Verbindungen von den Kühlmittelzuführungssicken in die äußeren Sicken und durch die zweiten fluidleitenden Verbindungen von den äußeren Sicken in die Kühlmittelabführungssicken geleitet wird und vorzugsweise der Druck des Spülfluides kleiner als 5 bar, 2 bar oder 1,2 bar ist.
Vorzugsweise ist das Spülfluid eine Spülgas oder eine Spülflüssigkeit.
In einer weiteren Variante wird nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Brennstoff und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle für Kühlmittel die Konditionierflüssigkeit aus den äußeren Sicken der Bipolarplatten ausgeleitet indem der Druck von Fluiden in den Kanälen für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel erhöht wird, insbesondere größer als 1 bar, 5 bar, 10 bar oder 20 bar, so dass die Ausdehnung des Brennstoffzellenstacks senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgrund Dehnungen vergrößert wird und je ein Spalt zwischen der ersten und zweiten Platte an je einer Bipolarplatte gebildet wird und durch den je einen Spalt das Fluid, insbesondere als Spülfluid, in die äußeren Sicken eingeleitet wird.
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 und Bipolarplatten sind und die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, wobei die die Bipolarplatten als in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Bipolarplatten ausgebildet 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 ergänzenden Variante sind die erste und zweite Platte an je einer Bipolarplatte fluchtend aufeinander gestapelt.
Vorzugsweise ist die Bipolarplatte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Stahl, vorzugsweise Edelstahl, und/oder leitfähigem Kunststoff und/oder Kompositwerkstoff und/oder Graphit ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die erste fluidleitende Verbindung und/oder die zweite fluidleitende Verbindung, insbesondere ausschließlich, zwischen einem äußeren Rand als Breitseite der Bipolarplatte und Fluidöffnungen der Bipolarplatte ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante sind die erste Platte und zweite Platte stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißnaht, miteinander verbunden.
Insbesondere ist die Kühlmittelzuführungsschweißnaht zwischen der äußeren Sicke und der Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Kühlmittelabführungsschweißnaht zwischen der äußeren Sicke und der Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel ausgebildet.
In einer weiteren Variante umfasst die Bipolarplatte eine Fluidöffnungen zur Zuführung von Brennstoff zu Kanälen der Bipolarplatte für Brennstoff an einem aktiven Bereich.
Vorzugsweise umfasst die Bipolarplatte eine Fluidöffnung zur Zuführung von Oxidationsmittel zu Kanälen der Bipolarplatte für Oxidationsmittel an dem aktiven Bereich.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Bipolarplatte eine Fluidöffnungen zur Abführung von Brennstoff von Kanälen der Bipolarplatte für Brennstoff an dem aktiven Bereich.
Zweckmäßig umfasst die Bipolarplatte eine Fluidöffnung zur Abführung von Oxidationsmittel von Kanälen der Bipolarplatte für Oxidationsmittel an dem aktiven Bereich.
In einer weiteren Ausführungsform umschließt die äußere Sicke, welche an einem äußeren Randbereich der Bipolarplatte ausgebildet, sämtliche 3 Fluidöffnungen zur Zuführung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel und sämtliche 3 Fluidöffnungen zur Abführung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer weiteren Variante umschließt die Kühlmittelzuführungssicke, insbesondere vollständig, die Fluidöffnung zur Zuführung von Kühlmittel.
In einer ergänzenden Ausführungsform umschließt die Kühlmittelabführungssicke, insbesondere vollständig, die Fluidöffnung zur Abführung von Kühlmittel.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Bipolarplatte eine Oxidationsmittelzuführungssicke, eine Oxidationsmittelabführungssicke, eine Brennstoffzuführungssicke und eine Brennstoffabführungssicke.
Zweckmäßig umschließt die Oxidationsmittelzuführungssicke, insbesondere vollständig, die Fluidöffnung zur Zuführung von Oxidationsmittel.
Insbesondere umschließt die Oxidationsmittelabführungssicke, insbesondere vollständig, die Fluidöffnung zur Abführung von Oxidationsmittel.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umschließt die Brennstoffzuführungssicke, insbesondere vollständig, die Fluidöffnung zur Zuführung von Brennstoff.
In einer weiteren Variante umschließt die Brennstoffabführungssicke, insbesondere vollständig, die Fluidöffnung zur Abführung von Brennstoff.
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 detailliere Draufsicht der Bipolarplatte,
8 einen Schnitt A-A gemäß 7 der Bipolarplatte,
9 einen Schnitt B-B gemäß 7 der Bipolarplatte,
10 einen Schnitt C-C gemäß 7 der Bipolarplatte,
11 einen Schnitt D-D gemäß 7 der Bipolarplatte und
12 einen Schnitt C-C gemäß 7 der Bipolarplatte in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

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: $O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} ↠ {2 H}_{2} O$
Anode: $2 H_{2} ↠ 4 H^{+} + 4 e^{-}$
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: $2 H_{2} + O_{2} ↠ 2 H_{2} O$
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 Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, 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 stark vereinfacht und schematisierte 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 der Bipolarplatte 10 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 52 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58. Die Kanäle 14 sind tatsächlich zwischen einer ersten Platte 59 und zweiten Platte 60 der Bipolarplatte 10 ausgebildet.
In 7 ist eine Draufsicht der Bipolarplatte 10 detailliert mit konstruktiven Details dargestellt. Die Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 der aufeinander gestapelten Bipolarplatten 10 in der Brennstoffzelleneinheit 1 sind gebildet von den einzelnen entsprechend fluchtend übereinander angeordneten Fluidöffnungen 52. Dabei sind in der Bipolarplatte 10 eine Fluidöffnung 53 zur Zuführung von Oxidationsmittel, eine Fluidöffnung 54 zur Abführung von Oxidationsmittel, eine Fluidöffnung 55 zur Zuführung von Brennstoff, eine Fluidöffnung 56 zur Abführung von Brennstoff, eine Fluidöffnung 57 zur Zuführung von Kühlmittel und eine Flutöffnung 58 zur Abführung von Kühlmittel ausgebildet. Die Bipolarplatte 10 aus Metall ist von 2 fluchtend aufeinander gestapelten Platten 59, 60 gebildet, nämlich einer ersten Platte 59 und einer zweiten Platte 60. Die Bipolarplatte 10 und damit auch die erste Platte 59 und die zweite Platte 60 weist einen äußeren Rand 61 als ein äußeres Ende 61 der Bipolarplatte 10 in einer Richtung parallel zu der fiktiven Ebene 37 aufgespannt von der im Wesentlichen ebenen Bipolarplatte 10 auf. Die Bipolarplatte 10 und die erste Platte 59 sowie die zweite Platte 60 weist einen äußeren Randbereich 62 auf beginnend mit dem äußeren Rand 61. Der äußere Rand 61 weist eine Breite auf kleiner als 25% oder 30 % der Breite der Bipolarplatte 10 an der Breitseite. In der Bipolarplatte 10, d. h. zwischen der ersten Platte 59 und der zweiten Platte 60, ist eine äußere umlaufende Sicke 63 ausgebildet. Die äußere umlaufende Sicke 63 ist vollständig umlaufend ohne Unterbrechung in dem äußeren Randbereich 62 der Bipolarplatte 10 ausgebildet. In 8 ist exemplarisch die konstruktive Ausbildung einer Sicke, d. h. hier der äußeren umlaufenden Sicke 63, dargestellt. In der ersten Platte 59 ist eine Teilsicke 76 ausgebildet und in der zweiten Platte 60 ist eine Teilsicke 77 ausgebildet. Die Teilsicken 76, 77 sind gebildet oder begrenzt von 2 Flankenwandungen 78 und einer Verbindungswandung 79, welche die beiden Flankenwandungen 78 miteinander verbindet. Die Verbindungswandung 79 ist im Wesentlichen, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°, parallel zu der fiktiven Ebene 37 ausgerichtet. Die beiden Teilsicken 76, 77 fluchten und bilden damit die äußere größere umlaufende Sicke 63. Abweichend hiervon kann die Sicke 63 auch dahingehend ausgebildet sein, dass lediglich nur an einer Platte 59, 60 nur eine Teilsicke 76, 77 ausgebildet ist. Die äußere umlaufende Sicke 63 ist somit ein Kanal gebildet und begrenzt von der ersten Platte 59 und der zweiten Platte 60 aufgrund der Geometrie der ersten Platte 59 und der zweiten Platte 60. An dem äußeren Randbereich 62 ist zwischen der äußeren umlaufenden Sicke 63 und dem äußeren Rand 61 vollständig umlaufend eine äußere umlaufende Schweißnaht 64 (8 bis 12, nicht in 7 dargestellt) ausgebildet. Zwischen den beiden Platten 59, 60 ist das Kühlmittel angeordnet bzw. das Kühlmittel strömt zwischen den beiden Platten 59, 60, sodass die äußere umlaufende Schweißnaht 64 nicht nur zum Fügen oder Verbinden der beiden Platten 59, 60 miteinander dient, sondern zum Abdichten des Raumes zwischen der ersten Platte 59 und der zweiten Platte 60 befüllt mit dem Kühlmittel nach außen. Aufgrund der äußeren vollständig umlaufenden Schweißnaht 64 strömt somit keine Kühlmittel aus dem Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte 59, 60 nach außen an dem äußeren Rand 61 der Bipolarplatte 10.
Die Fluidöffnung 57 zur Zuführung von Kühlmittel ist vollständig von einer Kühlmittelzuführungssicke 65 umschlossen. Die Fluidöffnung 58 zur Abführung von Kühlmittel ist vollständig von einer Kühlmittelabführungssicke 66 umschlossen. Die Fluidöffnung 53 zur Zuführung von Oxidationsmittel ist vollständig von einer Oxidationsmittelzuführungssicke 67 umschlossen. Die Fluidöffnung 54 zur Abführung von Oxidationsmittel ist vollständig von einer Oxidationsmittelabführungssicke 68 umschlossen. Die Fluidöffnung 55 zur Zuführung von Brennstoff ist vollständig von einer Brennstoffzuführungssicke 69 umschlossen. Die Fluidöffnung 56 zur Abführung von Brennstoff ist vollständig von einer Brennstoffabführungssicke 70 umschlossen. Zwischen der äußeren umlaufenden Sicke 63 und der Kühlmittelzuführungssicke 65 ist eine Kühlmittelzuführungsschweißnaht 74 ausgebildet (11). Zwischen der äußeren umlaufenden Sicke 63 und der Kühlmittelabführungssicke 66 ist eine Kühlmittelabführungsschweißnaht 75 ausgebildet (9).
Zwischen den gestapelten Bipolarplatten 10 in der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Membranelektrodenanordnungen 6 und die Gasdiffusionsschichten 9 angeordnet. Der aktive Bereich 80 der Bipolarplatten 10 ist der Bereich mit den Kanälen 12, 13, 14 für Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel und dieser aktive Bereich 80 der Bipolarplatten 10 fluchtet in der Brennstoffzelleneinheit 10 mit der Protonenaustauschermembran 5 sowie den Anoden 7 und Kathoden 8. Nach der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wird eine Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 durchgeführt. Hierzu wird eine Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle 12, 13 und 14 und damit auch durch die Fluidöffnungen 52 geleitet. Diese Konditionierflüssigkeit strömt dabei auch in die äußere umlaufende Sicke 63 ein, sodass nach der Konditionierung die äußere umlaufende Sicke 63 mit der Konditionierflüssigkeit ohne Frostschutzmittel befüllt ist. In der Bipolarplatte 10 ist an einem Teilbereich gemäß 10 als dem Schnitt C-C eine Unterbrechung der Kühlmittelzuführungsschweißnaht 74 ausgebildet, sodass gemäß der Darstellung in 10 eine erste fluidleitende Verbindung 71 von der Kühlmittelzuführungssicke 65 in die äußere umlaufende Sicke 63 ausgebildet ist. In analoger Weise ist in der Bipolarplatte 10 ist an einem Teilbereich gemäß 7 eine Unterbrechung der Kühlmittelzuführungsschweißnaht 74 ausgebildet, sodass gemäß der Darstellung in 7 eine zweite fluidleitende Verbindung 72 von der Kühlmittelabführungssicke 66 in die äußere umlaufende Sicke 63 ausgebildet ist.
Beim Durchleiten des Kühlmittels durch die Brennstoffzelleneinheit 1 weist das Kühlmittel an dem Zuführkanal 57 für Kühlmittel und an den Fluidöffnungen 57 zur Zuführung von Kühlmittel einen größeren Druck auf als an dem Abführkanal 58 für Kühlmittel und den Fluidöffnungen 58 zur Abführung von Kühlmittel. Dies gilt analog auch für das Durchleiten von anderen Fluiden durch die Kanäle 14 für Kühlmittel sowie den Zuführkanal 57 sowie dem Abführkanal 58. Nach der Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 wird durch den Zuführkanal 57 bzw. die Fluidöffnungen 57, die Kanäle 14 für Kühlmittel und den Abführkanal 58 bzw. die Fluidöffnungen 58 für Kühlmittel ein Spülfluid geleitet. Aufgrund des Druckes dieses Spülfluides in dem Zuführkanal 57 und dem Abführkanal 58, d. h. dem größeren Druck des Spülfluides in dem Zuführkanal 57 als in dem Abführkanal 58, strömt das Spülfluid von den Fluidöffnungen 57 durch den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte 59, 60 in die Kühlmittelzuführungssicke 65 und aufgrund der Unterbrechung der Schweißnaht 74 und der damit verbundenen Ausbildung der ersten fluidleitenden Verbindung 71 kann ein kleiner Volumenstrom des Spülfluides in die äußere umlaufende Sicke 63 einströmen. Dieser Volumenstrom des Spülfluides, welcher durch die erste fluidleitende Verbindung 71 in die äußere umlaufende Sicke 63 einströmt, nimmt die Konditionierflüssigkeit mit, d. h. bläst die Konditionierflüssigkeit aus beispielsweise bei Spülfluid als einem Spülgas. Dieser Volumenstrom des Spülfluides strömt anschließend mit der Konditionierflüssigkeit durch die beiden äußeren umlaufenden Sicken 63 an den Längsseiten der Bipolarplatte 10 zu der zweiten fluidleitenden Verbindung 72. Dieser Volumenstrom des Spülfluides mit der Konditionierflüssigkeit strömt anschließend durch die zweite fluidleitende Verbindung 72 von der äußeren umlaufenden Sicke 63 in die Kühlmittelabführungssicke 66 und von der Kühlmittelabführungssicke 66 durch den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte 59, 60 in den Abführkanal 58 für Kühlmittel.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Bipolarplatte 10 ist die erste fluidleitende Verbindung 71 als eine Verbindungssicke 73 oder als ein Verbindungskanal 73 gemäß der Darstellung in 12 von der Kühlmittelzuführungssicke 65 in die äußere umlaufende Sicke 63 ausgebildet. Die die erste fluidleitende Verbindung 71 ist somit nicht wie in dem ersten Ausführungsbeispiel der Bipolarplatte 10 als eine kurze Unterbrechung der Kühlmittelzuführungsschweißnaht 74 ausgebildet, sondern aufgrund der Geometrie der ersten Platte 59 und der zweiten Platte 60 ist der Verbindungskanal 73 mit einer sehr kleinen Querschnittsfläche ausgebildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt das Spülen der Konditionierflüssigkeit aus der äußeren umlaufenden Sicke 63 dadurch, dass durch die Kanäle 12, 13, 14 und die Fluidöffnungen 52 ein Spülfluid mit einem großen Druck, beispielsweise größer als 5 bar, 10 bar oder 20 bar, in den Kanälen 12, 13, 14 und den Fluidöffnungen 52 geleitet wird, sodass der Brennstoffzellenstapel 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 in der Ausdehnung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 aufgrund von Dehnungen sich vergrößert und dadurch zwischen der ersten Platte 59 und der zweiten Platte 60 je einer Bipolarplatte 10 ein kleiner Spalt entsteht und dadurch die Konditionierflüssigkeit aus der äußeren umlaufenden Sicke 63 mit dem Spülfluid ausgespült werden kann.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Nach der Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 verbleibt in der äußeren umlaufenden Sicke 63 an den Breitseiten, d. h. an den Bereichen der äußeren umlaufenden Sicke 63 zwischen den Fluidöffnungen 52 und dem äußeren Rand 61, die Konditionierflüssigkeit ohne Frostschutzmittel. Aufgrund der Ausbildung der ersten und zweiten fluidleitenden Verbindungen 71, 72 zwischen den Fluidöffnungen 52 und dem äußeren Rand 61 als den Breitseiten der Bipolarplatte 10 kann das Spülfluid in diese Bereiche der äußeren umlaufenden Sicke 63 eingeleitet werden und damit die Konditionierflüssigkeit ohne Frostschutzmittel ausgespült oder ausgeblasen werden. Die Länge der Breitseiten der Bipolarplatte 10 entspricht der Breite der Bipolarplatte 10. Die Länge der Längsseiten der Bipolarplatte 10 entspricht der Länge der Bipolarplatte 10. Die äußere umlaufende Sicke 63 zwischen dem äußeren Rand 61 als den Längsseiten und dem aktiven Bereich 80 wird aufgrund der Durchleitung von Kühlmittel zwischen der ersten und zweiten Platten 59, 60 ohnehin von dem Spülfluid durchströmt. Die Querschnittsflächen der ersten fluidleitenden Verbindung 71 und der zweiten fluidleitenden Verbindung 72 sind dahingehend ausgebildet, dass nur ein sehr kleiner Volumenstrom an Spülfluid durch die erste und zweiten die fluidleitende Verbindung 71, 72 strömt. Nach der vollständigen Fertigstellung der Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. dem Entfernen der Konditionierflüssigkeit aus der äußeren umlaufenden Sicke 63, strömt während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 ständig das Kühlmittel durch die erste und zweiten fluidleitende Verbindung 71, 72. Dadurch bildet sich ein Bypass für das Kühlmittel von dem Zuführkanal 57 zu dem Abführkanal 58 durch die äußere umlaufende Sicke 63 als ein ständiges kontrolliertes Durchströmen der äußeren umlaufenden Sicke 63, jedoch sind die Energieverluste aufgrund dieses Bypasses für die Förderung des Kühlmittels gering, weil nur ein sehr kleiner Volumenstrom an Kühlmittel durch die erste und zweiten die fluidleitende Verbindung 71, 72 strömt. Die notwendige zusätzliche mechanische Antriebsleistung für eine Kühlmittelpumpe aufgrund des Volumenstromes des Kühlmittels durch die erste und zweiten die fluidleitende Verbindung 71, 72 ist dabei vernachlässigbar. In vorteilhafter Weise treten damit an der Brennstoffzelleneinheit 1 auch bei einem Betrieb von Temperaturen unter 0° keine Frostschäden auf, weil Konditionierflüssigkeit nach der Konditionierung vollständig mit dem Spülfluid aus der äußeren umlaufenden Sicke 63 entfernt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3350864 B1 [0005]
DE 10248531 B4 [0006]
DE 102017124498 A1 [0007]

Claims

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) umfassend: - eine erste Platte (59), - eine zweite Platte (60), wobei die erste Platte (59) und zweite Platte (60) aufeinander gestapelt sind, - eine Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel an einem aktiven Bereich (80), - eine Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel an dem aktiven Bereich (80), - Kanalstrukturen (29) mit Kanälen (12, 13, 14) für Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel an dem aktiven Bereich (80), wobei die Kanäle (14) für Kühlmittel an dem aktiven Bereich (80) zwischen der ersten und zweiten Platte (59, 60) ausgebildet sind, - eine äußere Sicke (63), welche an einem äußeren Randbereich (62) der Bipolarplatte (10) ausgebildet ist und die Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel und die Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel umschließt, - eine Kühlmittelzuführungssicke (65), welche die Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel umschließt, - eine Kühlmittelabführungssicke (66), welche die Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste fluidleitende Verbindung (71) von der Kühlmittelzuführungssicke (65) in die äußere Sicke (63) und eine zweite fluidleitende Verbindung (72) von der äußeren Sicke (63) in die Kühlmittelabführungssicke (66) ausgebildet ist zum Entfernen von Konditionierflüssigkeit aus der äußeren Sicke (63).
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelzuführungsschweißnaht (74) zwischen der ersten und zweiten Platte (59, 60) ausgebildet ist und die Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel umschließt
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelabführungsschweißnaht (75) zwischen der ersten und zweiten Platte (59, 60) ausgebildet ist und die Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel umschließt.
Bipolarplatte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführungsschweißnaht (74) die Kühlmittelzuführungssicke (65) umschließt, so dass der Abstand der Kühlmittelzuführungsschweißnaht (74) in einer Richtung parallel zu einer von der Bipolarplatte (10) aufgespannten fiktiven Ebene (37) zu der Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel größer ist als Abstand der Kühlmittelzuführungssicke (65) in dieser Richtung zu der Fluidöffnung (57) zur Zuführung von Kühlmittel zu Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel.
Bipolarplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelabführungsschweißnaht (75) die Kühlmittelabführungssicke (66) umschließt, so dass der Abstand der Kühlmittelabführungsschweißnaht (75) in einer Richtung parallel zu einer von der Bipolarplatte (10) aufgespannten fiktiven Ebene (37) zu der Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel größer ist als Abstand der Kühlmittelabführungssicke (66) in dieser Richtung zu der Fluidöffnung (58) zur Abführung von Kühlmittel von Kanälen (14) der Bipolarplatte (10) für Kühlmittel.
Bipolarplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste fluidleitende Verbindung (71) von der Kühlmittelzuführungssicke (65) in die äußere Sicke (63) als eine Unterbrechung der Kühlmittelzuführungsschweißnaht (74) ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite fluidleitende Verbindung (72) von der Kühlmittelabführungssicke (66) in die äußere Sicke (63) als eine Unterbrechung der Kühlmittelabführungsschweißnaht (75) ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste fluidleitende Verbindung (71) von der Kühlmittelzuführungssicke (65) in die äußere Sicke (63) und/oder die zweite fluidleitende Verbindung (72) von der äußeren Sicke (63) in die Kühlmittelabführungssicke (66) als eine Verbindungssicke (73) und/oder als ein Verbindungskanal (73) zwischen der ersten und zweiten Platte (59, 60) ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Sicke (63), welche an dem äußeren Randbereich (62) der Bipolarplatte (10) ausgebildet ist, vollständig umlaufend an dem äußeren Randbereich (62) ausgebildet ist.
Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit gestapelten Brennstoffzellen (2) vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit (1) und in Bipolarplatten (10) der Brennstoffzellen (2) der Brennstoffzelleneinheit Kanäle (12) zum Durchleiten eines Brennstoffes, Kanäle (13) zum Durchleiten eines Oxidationsmittels und Kanäle (14) zum Durchleiten eines Kühlmittels ausgebildet sind mit den Schritten: - zur Verfügung stellen einer Konditionierflüssigkeit, - Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (14) für Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2) mit Bipolarplatten (10) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (14) für Kühlmittel die Konditionierflüssigkeit im Wesentlichen vollständig aus den äußeren Sicken (63) der Bipolarplatten (10) ausgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit ein Spülfluid durch die Fluidöffnungen (57) zur Zuführung von Kühlmittel und die Fluidöffnungen (58) zur Abführung für Kühlmittel geleitet wird, so dass die Konditionierflüssigkeit im Wesentlichen vollständig in den äußern Sicken (63) von dem Spülfluid ausgeleitet, insbesondere ersetzt, wird indem das Spülfluid durch die ersten fluidleitenden Verbindungen (71) von den Kühlmittelzuführungssicken (65) in die äußeren Sicken (63) und durch die zweiten fluidleitenden Verbindungen (72) von den äußeren Sicken (63) in die Kühlmittelabführungssicken (66) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülfluid eine Spülgas oder eine Spülflüssigkeit ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (12) für Brennstoff und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel und/oder nach dem Durchleiten der Konditionierflüssigkeit durch Kanäle (14) für Kühlmittel die Konditionierflüssigkeit aus den äußeren Sicken (63) der Bipolarplatten (10) ausgeleitet wird indem der Druck von Fluiden in den Kanälen (12, 13, 14) für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel erhöht wird, so dass die Ausdehnung des Brennstoffzellenstacks (40) senkrecht zu den fiktiven Ebenen (37) aufgrund Dehnungen vergrößert wird und je ein Spalt zwischen der ersten und zweiten Platte (59, 60) an je einer Bipolarplatte (10) gebildet wird und durch den je einen Spalt das Fluid, insbesondere als Spülfluid, in die äußeren Sicken (63) eingeleitet wird.
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) und Bipolarplatten (10) sind und die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet 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.