DE202013011724U1 - Bipolarplatte mit Umlenkungskühlung für eine Brennstoffzelle und eine solche enthaltende Brennstoffzelle - Google Patents

Bipolarplatte mit Umlenkungskühlung für eine Brennstoffzelle und eine solche enthaltende Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei auf den sich gegenüberliegenden, den Elektroden zugewandten Außenseiten (2) der Bipolarplatte eine Gasführungsstruktur (3) für die Reaktionsgase vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Bipolarplatte ebenfalls eine Gasführungsstruktur (4) für die Reaktionsgase vorgesehen ist, die mit der Gasführungsstruktur (3) auf den Außenseiten (2) über in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehene Umlenkvorrichtungen (5) in der Weise in Strömungsverbindung steht, dass mindestens eines der Reaktionsgase zunächst in einer Hauptrichtung durch die Gasführungsstruktur (4) im Inneren der Bipolarplatte und nach dessen Umlenkung durch die Gasführungsstruktur (3) auf den Außenseiten (2) entgegen dieser Hauptrichtung geführt werden kann, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Elektrodenraum der Brennstoffzelle und gleichzeitig eine Kühlung der Bipolarplatte erzielt wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte derart ausgeführt ist, dass a) die Medien, besonders die Reaktionsluft als Kühlluft dienen kann und b) die Medienführung eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Zelle ermöglicht.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte. Bei einer solchen Brennstoffzelle kann es sich insbesondere um eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle, z.B. um eine Saure Festelektrolyt-Brennstoffzelle (englisch Solid Acid Fuel Cell, SAFC) handeln, ohne auf diesen Zelltyp beschränkt zu sein.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Saure Festelektrolyt-Brennstoffzellen arbeiten schwerpunktmäßig in einem Temperaturbereich von 210 bis 260 °C, wobei es für einen stabilen und effektiven Betrieb der Zelle auf eine gleichmäßige Temperierung, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 230 bis 250 °C ankommt. Für die Einstellung eines engen Temperaturbandes innerhalb der Zelle stehen prinzipiell etablierte Verfahren einer internen Kühlung mit einem separaten Kühlmedium zur Verfügung.
  • Üblicherweise handelt es sich bei solchen Kühlmedien in diesem Temperaturbereich um Thermoöle, welche aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften diverse Nachteile aufweisen. So haben Thermoöle oft eine nur eingeschränkte chemische Beständigkeit, z.B. unter Anwesenheit von Luftsauerstoff. Weiterhin weisen Thermoöle oft einen Flammpunkt unterhalb des genannten Betriebstemperaturbereichs auf, so dass das System unter Umständen sicherheitskritisch ist. Schließlich bewirkt das Thermoöl bei Kontakt mit den Elektroden eine mindestens teilweise permanente Deaktivierung derselben, so dass sehr hohe Anforderungen an die Dichtungen in jeder einzelnen Bipolarplatte gestellt werden müssen.
  • Stand der Technik
  • Systeme mit einer Kühlung durch ein separates, internes Kühlmedium sind nach dem Stand der Technik möglich, jedoch durch die Notwendigkeit eines Kühlkreislaufs aufwendig und wegen nicht sicherer Abdichtung innerhalb der Brennstoffzelle auch risikobehaftet.
  • Als Alternative bietet sich prinzipiell die Möglichkeit einer externen Kühlung an, wie sie z.B. in DE 10 2007 044 634 beschrieben ist. Diese weist jedoch bei Zellen mit einer Breite der Elektrode zwischen den externen Kühleinheiten von mehr als 5 bis 10 cm den Nachteil eines ungleichmäßigen Temperaturverlaufs über die Elektrodenbreite auf, welcher besonders bei Sauren Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SAFC) aufgrund erhöhter Anforderungen an die Temperaturstabilität nicht erwünscht ist.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorzusehen, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Elektrodenraum der Brennstoffzelle und gleichzeitig eine Kühlung der Bipolarplatte ermöglicht. Die mit einer solchen Bipolarplatte durchführbare Kühlung soll weiterhin das Kriterium einer einfachen und sicheren Regelbarkeit aufweisen und es soll die Möglichkeit der Vorerwärmung oder Vorkühlung des jeweils anderen Reaktionsmediums gegeben sein.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu soll die Thermostatisierung der Zelle mit beiden Reaktionsmedien durchgeführt werden können. Schließlich soll eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte vorgesehen werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 13. Bevorzugte beziehungsweise besonders zweckmäßige Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gegenstand der Erfindung ist somit eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei auf den sich gegenüberliegenden, den Elektroden zugewandten Außenseiten der Bipolarplatte eine Gasführungsstruktur für die Reaktionsgase vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Bipolarplatte ebenfalls eine Gasführungsstruktur für die Reaktionsgase vorgesehen ist, die mit der Gasführungsstruktur auf den Außenseiten über in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehene Umlenkvorrichtungen in der Weise in Strömungsverbindung steht, dass mindestens eines der Reaktionsgase zunächst in einer Hauptrichtung durch die Gasführungsstruktur im Inneren der Bipolarplatte und nach dessen Umlenkung durch die Gasführungsstruktur auf den Außenseiten entgegen dieser Hauptrichtung geführt werden kann, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Elektrodenraum der Brennstoffzelle und gleichzeitig eine Kühlung der Bipolarplatte erzielt wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte wird die Kühlung der Brennstoffzelle durch eines oder durch beide Reaktionsmedien durchgeführt.
  • Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann aus einem Stück hergestellt sein, wobei die Gasführungsstrukturen auf den Außenseiten der Bipolarplatte und im Inneren der Bipolarplatte durch geeignete technische Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise durch Fräsen oder Bohren.
  • Vorzugsweise ist jedoch die erfindungsgemäße Bipolarplatte aus zwei Halbschalen zusammengesetzt, wobei die Gasführungsstruktur im Inneren der Bipolarplatte in mindestens einer der beiden Halbschalen ausgebildet ist. Die Gasführungsstruktur im Inneren der Bipolarplatte kann auch in beiden Halbschalen ausgebildet sein, beispielsweise in Form von einem oder mehreren Zwischen- bzw. Hohlräumen.
  • Erfindungsgemäß werden die Reaktionsmedien oder das zur Kühlung eingesetzte Reaktionsmedium in der Weise durch die Bipolarplatte geführt, dass der Medienstrom des oder der zur Kühlung eingesetzten Medien zunächst in einer Hauptrichtung durch den oder die inneren Räume der Bipolarplatte geführt wird, um dann im Randbereich der Bipolarplatte umgelenkt zu werden und anschließend entgegen der genannten Hauptrichtung zwischen der Bipolarplatte und der beziehungsweise den Elektroden wieder zurückgeführt zu werden. Die solcherart geführten Rektionsmedien bzw. Reaktionsgase sind damit einerseits vorerwärmt, so dass eine Exposition der Elektrode mit kalten Medien vermieden wird. Andererseits wird die Reaktionsluft oder das Anodengas auf dem weiteren Weg entlang der Bipolarplatte durch die Bipolarplatte gekühlt, so dass der von der Elektrode her erfolgende Reaktionswämeeintrag mindestens zum Teil in Richtung der durch das entgegenströmende Medium vorgekühlten Bipolarplatte aufgefangen werden kann. Damit wird eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung über den Elektrodenraum erreicht und es kann gleichzeitig eine sehr einfache Kühlung direkt über ein oder über beide Reaktionsmedien erreicht werden.
  • Durch Variation der Halbschalengeometrie kann hierbei eine möglichst gleichmäßige stationäre Temperaturverteilung erzielt werden. Die konkrete Auslegung kann dabei über nach dem Stand der Technik verfügbare Methoden, z.B. Computational Fluid Dynamics (CFD) erfolgen. Ohne auf diese Änderungen beschränkt zu sein, können dabei im Einzelnen die Parameter Plattendicke der Bipolarplatte sowie die Kanal- und Steggeometrie bei den Gasführungskanälen variiert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen den beiden Halbschalen der Bipolarplatte eine gasdichte Folie oder Platte angeordnet sein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, im Inneren jeder Halbschale der Bipolarplatte eine unabhängige Gasführungsstruktur vorzusehen.
  • Es ist aber auch möglich, die Gasführungsstruktur im Inneren der Bipolarplatte durch beide Halbschalen gemeinsam auszubilden, indem beispielsweise Halbschalen mit symmetrisch ausgebildeten Gasführungskanälen deckungsgleich übereinander angeordnet werden.
  • Gemäß der einfachsten Ausführungsform bestehen die Umlenkungsvorrichtungen lediglich aus in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehenen Umlenkungskanälen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestehen die Umlenkungsvorrichtungen aus in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehenen Umlenkungskanälen und zusätzlichen Abzweigungskanälen sowie gegebenenfalls zusätzlichen Druckregeleinrichtungen. Durch die zusätzlichen Abzweigungskanäle kann somit ein Teilstrom des zur Kühlung eingesetzten Reaktionsmediums, insbesondere Luft, an die Umgebung abgegeben werden. Diese konstruktive Lösung ermöglicht somit eine Regelung, wie viel Luft umgelenkt und der Gasführungsstruktur auf der Außenseite der Bipolarplatte zugeführt wird. Der Volumenstrom kann beispielsweise durch den Querschnitt der Strömungskanäle und/oder durch Kombination mit einem Gebläse gesteuert werden.
  • In der einfachsten Ausführungsform der Bipolarplatte ist im Inneren dieser lediglich eine Gasführungsstruktur für das Kathodengas, insbesondere Luft, vorgesehen.
  • Die Gasführungsstruktur kann durch herkömmliche Mittel, beispielsweise durch Hindernisse in Form von Pföstchen, Um- bzw. Ablenkungsvorrichtungen etc., welche eine turbulente Strömung mit Vorzugsrichtung ermöglichen, ausgebildet sein. Vorzugsweise wird jedoch die Gasführungsstruktur auf den Außenseiten der Bipolarplatte und/oder die Gasführungsstruktur im Inneren der Bipolarplatte durch Gasführungskanäle gebildet. Wahlweise können auch in den Gasführungskanälen zusätzlich Um- bzw. Ablenkungsvorrichtungen ausgebildet sein, beispielsweise in Form von Pföstchen im Einlassbereich. Ebenfalls können Mischformen aus Gasführungsstrukturen und Gasführungskanälen vorgesehen sein.
  • Die Gasführungskanäle auf den Außenseiten der Bipolarplatte können parallel oder parallel mit einem zickzackförmigen oder schlangenförmigen Verlauf (mäanderförmig) oder als Fingerflowfield angeordnet sein. Ebenso können die Gasführungskanäle im Inneren der Bipolarplatte parallel oder parallel mit einem zickzackförmigen oder schlangenförmigen Verlauf (mäanderförmig) angeordnet sein. Weiterhin sind Anordnungen denkbar, in denen ein in Hauptströmungsrichtung verlaufender Mäander ein- oder mehrfach umgelenkt wird, und diese Anordnung einfach oder mehrfach parallelisiert das Verteilerfeld bedeckt. Des Weiteren sind Anordnungen denkbar, in denen sich die Anzahl der Kanäle in Strömungsrichtung ändert, die Anzahl der Kanäle also durch Verzweigung größer wird oder durch Zusammenführung kleiner wird. Die genannten Anordnungen sind beispielhaft und stellen keine vollständige Aufzählung aller möglichen erfindungsgemäßen Gasverteilerfeldanordnungen dar.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann es sich um eine solche mit einem sauren Festelektrolyten, einem oxidkeramischen Festelektrolyten (SOFC), phosphorsäurebasierten Elektrolyten (PAFC), polymermembranbasierten Elektrolyten (PEMFC), alkalibasierten Elektrolyten (AFC) oder carbonatschmelzbasierten Elektrolyten (MCFC) handeln. Weiterhin kann es sich bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle auch um eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) handeln.
  • Der Aufbau und die Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entsprechen dem Stand der Technik, mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Bipolarplatte auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite, vorzugsweise sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite. Bei den verwendeten Materialien für die Bipolarplatte handelt es sich um die üblicherweise in Polymermembran-, Direktmethanol-, Hochtemperatur-PEM und Phosphorsäure-Brennstoffzellen verwendeten Materialien.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle können die Reaktionsgase an den Elektroden im Gegenstrom, im Gleichstrom, im Kreuzstrom oder in einer gemischten Strömungsform daraus geführt werden, wobei die Gegenstromführung bevorzugt ist.
  • Vorteilhafterweise weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle keinen zusätzlichen Kühlkreislauf mit einem separaten Kühlmedium auf.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1a ist eine schematische Querschnittsansicht einer aus zwei Halbschalen gebildeten, erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
  • 1b ist eine schematische Querschnittsansicht der in 1a gezeigten Bipolarplatte mit zugehöriger Elektrode-Membran-Einheit.
  • 2a ist eine schematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte aus zwei Halbschalen, bei der zwischen den Halbschalen eine gasdichte Folie angeordnet ist.
  • 2b ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte aus zwei Halbschalen, bei der zwischen den Halbschalen eine gasdichte Folie angeordnet ist.
  • 3 zeigt schematisch die Umlenkung eines Reaktionsgases im Randbereich der Bipolarplatte.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine Umlenkungsvorrichtung mit Umlenkungskanälen und Abzweigungskanälen.
  • 5 zeigt ein Zeitdiagramm beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • Die Ausführungsform gemäß 1a zeigt eine aus einer oberen Halbschale 6 und einer unteren Halbschale 7 zusammengesetzte Bipolarplatte 1, wobei auf den Außenseiten 2 Gasführungskanäle 3 und im Inneren der Bipolarplatte Gasführungskanäle 4 für die Reaktionsgase vorgesehen sind.
  • 1b zeigt die in 1a dargestellte Bipolarplatte 1 mit zugehöriger Elektrode-Membran-Einheit, bestehend aus der Gasdiffusionslage 12, Katalysatorschicht 13 und Membran 14.
  • 2a zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, wobei zwischen der oberen Halbschale 6 und der unteren Halbschale 7 eine gasdichte Folie 8 angeordnet ist.
  • 2b zeigt eine Variante der in 2a dargestellten Ausführungsform, bei der die Kanäle in der oberen Halbschale 6 und die Kanäle in der unteren Halbschale 7 nicht alle symmetrisch aufeinander gepasst sind. Beispielsweise können auf einer Seite mehr oder weniger Kanäle vorhanden sein oder auch die Kanalbreiten auf der Ober- und Unterseite können unterschiedlich sein.
  • 3 zeigt schematisch die Umlenkung eines Reaktionsgases in den Randbereichen der Bipolarplatte. Ein aus dem Gasführungskanal 4 des Innenbereichs der Bipolarplatte zuströmendes Reaktionsgas wird im Randbereich umgelenkt und in einen Gasführungskanal 3 weitergeführt. Im Randbereich besteht die Umlenkungsvorrichtung 5 im einfachsten Fall darin, dass eine Aussparung in der Gaskanalwand vorgesehen ist. Wie gezeigt, können die zuströmenden Reaktionsgase im Umlenkbereich auch auf zwei Seiten strömen.
  • 4 zeigt schematisch eine weitere Variante einer Umlenkungsvorrichtung, wobei im Randbereich der Bipolarplatte, vorliegend in der oberen Halbschale 6, ein Umlenkungskanal 9 vorgesehen ist, um das Reaktionsgas der Gasführungsstruktur 3 auf der Außenseite der Bipolarplatte zuzuführen. Ebenso ist ein Abzweigungskanal 10 vorgesehen, um einen Teil des Reaktionsgases an die Außenumgebung abströmen zu lassen. Hierbei kann der Volumenstrom im Abzweigungskanal beispielsweise durch ein Gebläse oder eine Drossel 11 gesteuert werden.
  • 5 zeigt das beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle (HT-PEMFC) gemäß dem Ausführungsbeispiel erhaltene Zeitdiagramm. Hierbei sind der Umsatz an der Kathode, die Temperatur der Luft am Kathodenauslass, die Temperatur der Luft am Kühlmitteleinlass, der Zellstrom und die Zellspannung im Verlauf der Zeit wiedergegeben.
  • Bevorzugte Ausführungsformen
  • Bei einer Sauren Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SAFC) mit einer aktiven Fläche von 200 cm2 und einer Kantenlänge des Gasverteilerfeldes von 10 bzw. 20 cm wird eine aus zwei Halbschalen bestehende Bipolarplatte so ausgeführt, dass der über einen Sammelkanal zugeführte Kaltluftstrom zunächst zwischen den Halbschalen der Bipolarplatte geführt und anschließend in einer Umlenkungsvorrichtung gemäß 3 in den Raum zwischen Bipolarplatte und Luftelektrode geführt wird. In diesem Raum strömt die Luft in entgegengesetzter Richtung an der Bipolarplatte vorbei. Hierbei reagiert der Luftsauerstoff an der Elektrode zu Wasser und die vorbeiströmende Luft nimmt den Hauptteil der Reaktionswärme auf. Während des Vorbeiströmens wird die Luft dabei von der Bipolarplatte gekühlt.
  • Die zweite Halbschale ist konventionell ausgeführt, das heißt, das über einen Sammelkanal zugeführte Anodengas wird direkt in den Raum zwischen Bipolarplatte und Wasserstoffelektrode (Anode) geführt, an der Elektrode vorbeigeführt und anschließend in einen weiteren Sammelkanal geleitet, über den das abgereicherte Anodengas aus dem Brennstoffzellen-Stack herausgeführt wird.
  • In weiteren Ausführungsformen können dabei entsprechende Medienführungen auch oder nur für die Anodenseite vorgesehen sein. Weiterhin können in abweichenden Ausführungsformen der oder die Medienströme in vom geraden Verlauf abweichenden Kanalmustern über das Verteilerfeld geführt werden. Ohne auf diese Ausführungsformen beschränkt zu sein, kann die Medienführung auf der elektrodenzugewandten Seite der Halbschale parallel in zickzackförmigen oder schlangenförmig um eine gerade Linie geführten Kanälen ausgeführt sein. Weiterhin können nach dem Stand der Technik bekannte Gasverteilerfelder wie ein Mäanderflowfield (Mäander parallel oder senkrecht zur Hauptströmungsrichtung), Fingerflowfield, Fingerflowfield mit Stichkanälen, Pföstchenflowfield oder fraktale Flowfields eingesetzt werden. Entscheidend für den Erfindungsgedanken ist nicht das konkret ausgewählte Gasverteilerfeld, sondern die Medienführung innerhalb und außerhalb der Bipolarplatte in entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung zwecks Bipolarplattenkühlung und Temperaturausgleich.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird anhand einer Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEMFC) in Form eines 10-Zell-Stacks ohne und mit Wärmeisolierung unter Bezugnahme auf das in 5 wiedergegebene Zeitdiagramm näher erläutert.
  • Die Aktivfläche der Zelle beträgt 100 cm2. Es werden Graphit-Komposit-Bipolarplatten aus zwei Halbschalen eingesetzt. Auf der Anodenseite besteht die Gasführungsstruktur der Bipolarplatte aus einem 23-fach Parallel-Mäander mit je zwei 90°- und zwei 180°-Umlenkungen. Die Kanalbreite und -tiefe beträgt jeweils 0,5 mm. Die Rückseite der Anodenplatte ist glatt und weist keine Gasführungsstruktur auf.
  • Auf der Kathodenseite (Kühlseite) bestehet die Gasführungsstruktur ebenfalls aus einem 23-fach Parallel-Mäander mit je zwei 90°- und zwei 180°-Umlenkungen. Die Kanalbreite beträgt 0,8 mm und die Kanaltiefe beträgt 1,0 mm. Auf der Innenseite (Kühlseite) besteht die Gasführungsstruktur aus 21 parallelen Kanälen mit einer Kanaltiefe von 0,6 mm und einer Kanalbreite variierend von 1,1 bis 2 mm.
  • Auf der Kathodenseite wird somit die Kathodenluft einer Umlenkungsführung gemäß 3 unterzogen, während beim Anodengas keine Umlenkung erfolgt.
  • In der beschriebenen Anordnung wird die Kühlmittelauslassleitung direkt mit der Kathodenluftzuleitung des Stacks verbunden.
  • Der Stack kann auf einfache Weise aufgeheizt werden, indem der Kühl-/Kathodenluftstrom auf eine Temperatur von 120 bis 130 °C, zum Beispiel durch eine elektrische Heizung oder durch Restwärme aus einem Gaserzeugungssystem, aufgeheizt und dieser der Zelle zugeführt wird. Im Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Luftvorwärmung eingesetzt. Nach Erreichen einer Temperatur von 80 °C wird die Zelle anodenseitig mit Wasserstoff versorgt und mittels einer elektronischen Last ein Strom von 20 A eingestellt und anschließend in Stufen bis auf 50A erhöht. Dieser Betriebspunkt wird bis zu einer am Kathodenluftauslass eingestellten Temperatur von 120 °C gehalten. Nach Erreichen einer Temperatur von 120 °C wird die Kühl-/Kathodenluftheizung abgestellt. Während des gesamten Versuchs wird anodenseitig ein Umsatz von 70 % eingestellt, während der kathodenseitige Umsatz variabel gehalten wird. Während der Aufheizphase wird zunächst ein Umsatzgrad von 8 % eingestellt und dieser nach Abschalten der Kathodenluftheizung in Stufen auf 25 % erhöht, bis die Kathodenluftauslasstemperatur einen Wert von 160 °C erreicht hat. An diesem Punkt wird der Kathodenluftumsatz auf einen Wert von 20 % eingestellt. Bei diesem Umsatzgrad ist ein stationärer Betrieb ohne nennenswerte Temperaturänderung möglich, was bedeutet, dass die im Stack freiwerdende Reaktionswärme über die Kathodenluft in Verbindung mit Strahlungswärme und natürlicher Konvektion vollständig abgeführt werden kann. Die Zellspannung beträgt hierbei etwa 540 mV. Isoliert man den Stack und reduziert dadurch den durch Strahlung/Konvektion abgeführten Wärmeanteil, ist ein stabiler stationärer Betrieb mit praktisch ausschließlicher Wärmeabführung über die Kathoden-/Kühlluft bei einem Umsatzgrad von 8 bis 12 % möglich (im Zeitdiagramm nicht wiedergegeben).
  • In der beschriebenen Anordnung können Strom-Spannungskennlinien auf einfache Weise gefahren werden, indem die Stromstärke bei konstant gehaltenen Umsatzgraden variiert wird.
  • Eine zu Testzwecken durchgeführte Beaufschlagung des Stacks mit einem Wasserstoff/CO-Gemisch mit einem CO-Gehalt von 1,2 % zeigt, dass lediglich ein geringfügiger Abfall der Zellspannung von ca. 10 mV stattfindet, was auf eine hinreichend gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Zellen schließen lässt. Insbesondere zeigt sich während des Versuchs, dass die Temperatur am Kühlluftauslass/Kathodeneinlass sich bereits weitgehend der Zelltemperatur genähert hat (im Diagramm nicht enthalten). Damit kann bei der gegebenen Anordnung der Stack ohne weiteres mit Reaktionsluft auf Umgebungstemperaturniveau versorgt werden, ohne das Vorhandensein von Zonen mit niedriger Temperatur in der Elektrode befürchten zu müssen.
  • Ein Abschalten der Zelle ist ebenfalls auf einfache Weise möglich. Hierbei wird unter Erhalt des bei 40 A an liegenden Kathodenluftstroms der Zellstrom auf 5 A reduziert, bis die am Kathodenluftauslass gemessene Zelltemperatur einen Wert von 80 °C unterschreitet. Der Kathodenluftstrom wird gestoppt und nach Einstellen einer Zellspannung nahe 0 V wird die Last getrennt sowie der Anodengasstrom abgeschaltet.
  • Bei der wie beschrieben aufgebauten Zelle ist die Regelung der Betriebstemperatur auf einfache Weise möglich, da bei umsatzkonstantem Betrieb die Luftmenge und damit die Kühlleistung mit wechselndem Zellstrom bereits in erster Näherung korrekt mit dem variierenden Kathodenluftstrom geregelt wird. Eine zusätzliche Feinregelung der Temperatur ist unproblematisch und über eine geringfügige Variation des kathodenseitigen Umsatzgrades möglich.
  • 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 102007044634 [0006]

Claims (16)

  1. Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei auf den sich gegenüberliegenden, den Elektroden zugewandten Außenseiten (2) der Bipolarplatte eine Gasführungsstruktur (3) für die Reaktionsgase vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Bipolarplatte ebenfalls eine Gasführungsstruktur (4) für die Reaktionsgase vorgesehen ist, die mit der Gasführungsstruktur (3) auf den Außenseiten (2) über in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehene Umlenkvorrichtungen (5) in der Weise in Strömungsverbindung steht, dass mindestens eines der Reaktionsgase zunächst in einer Hauptrichtung durch die Gasführungsstruktur (4) im Inneren der Bipolarplatte und nach dessen Umlenkung durch die Gasführungsstruktur (3) auf den Außenseiten (2) entgegen dieser Hauptrichtung geführt werden kann, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Elektrodenraum der Brennstoffzelle und gleichzeitig eine Kühlung der Bipolarplatte erzielt wird.
  2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die Bipolarplatte aus zwei Halbschalen (6, 7) zusammengesetzt ist, wobei die Gasführungsstruktur (4) im Inneren der Bipolarplatte in mindestens einer der beiden Halbschalen ausgebildet ist.
  3. Bipolarplatte nach Anspruch 2, wobei zwischen den beiden Halbschalen (6, 7) eine gasdichte Platte oder Folie (8) angeordnet ist.
  4. Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die Bipolarplatte aus zwei Halbschalen (6, 7) zusammengesetzt ist, wobei die Gasführungsstruktur (4) im Inneren der Bipolarplatte durch beide Halbschalen gemeinsam ausgebildet ist.
  5. Bipolarplatte nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umlenkungsvorrichtungen (5) lediglich aus in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehenen Umlenkungskanälen bestehen.
  6. Bipolarplatte nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, wobei die Umlenkungsvorrichtungen (5) in den Randbereichen der Bipolarplatte vorgesehene Umlenkungskanäle (9) und zusätzliche Abzweigungskanäle (10) sowie gegebenenfalls zusätzliche Druckregeleinrichtungen (11) umfassen.
  7. Bipolarplatte nach Anspruch 6, wobei die Abzweigungskanäle (10) mit der Außenumgebung in Verbindung stehen und als Druckregeleinrichtungen (11) Gebläse oder Drosselventile vorgesehen sind.
  8. Bipolarplatte nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Inneren der Bipolarplatte lediglich eine Gasführungsstruktur (4) für das Kathodengas vorgesehen ist.
  9. Bipolarplatte nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem Kathodengas um Luft handelt.
  10. Bipolarplatte nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gasführungsstruktur (3) auf den Außenseiten der Bipolarplatte und/oder die Gasführungsstruktur (4) im Inneren der Bipolarplatte durch Gasführungskanäle gebildet wird.
  11. Bipolarplatte nach Anspruch 10, wobei die Gasführungskanäle (3) auf den Außenseiten der Bipolarplatte parallel oder parallel mit einem zickzackförmigen oder schlangenförmigen Verlauf oder als Fingerflowfield angeordnet sind.
  12. Bipolarplatte nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Gasführungskanäle (4) im Inneren der Bipolarplatte parallel oder parallel mit einem zickzackförmigen oder schlangenförmigen Verlauf angeordnet sind.
  13. Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche.
  14. Brennstoffzelle nach Anspruch 13, welche einen sauren Festelektrolyten, oxidkeramischen Festelektrolyten, phosphorsäurebasierten Elektrolyten, polymermembranbasierten Elektrolyten, alkalibasierten Elektrolyten oder carbonatschmelzebasierten Elektrolyten aufweist.
  15. Brennstoffzelle nach Anspruch 13 und/oder 14, bei der die Reaktionsgase an den Elektroden im Gegenstrom, im Gleichstrom, im Kreuzstrom oder in einer gemischten Strömungsform daraus geführt werden.
  16. Brennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 13–15, welche keinen zusätzlichen Kühlkreislauf mit einem separaten Kühlmedium aufweist.
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