EP3329536A1 - Bipolarplatte und membran-elektroden-einheit für eine in einem brennstoffzellenstapel angeordnete brennstoffzelle, brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel - Google Patents

Bipolarplatte und membran-elektroden-einheit für eine in einem brennstoffzellenstapel angeordnete brennstoffzelle, brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel

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Publication number
EP3329536A1
EP3329536A1 EP16742281.5A EP16742281A EP3329536A1 EP 3329536 A1 EP3329536 A1 EP 3329536A1 EP 16742281 A EP16742281 A EP 16742281A EP 3329536 A1 EP3329536 A1 EP 3329536A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
membrane
cathode
bipolar plate
fuel cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16742281.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Martin ZILLICH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Volkswagen AG
Original Assignee
Audi AG
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG, Volkswagen AG filed Critical Audi AG
Publication of EP3329536A1 publication Critical patent/EP3329536A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
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    • H01M8/02—Details
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    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell comprising a profiled anode plate and a profiled cathode plate, each having an active area and two manifold areas for supply and discharge of operating media to or from the active area, wherein the manifold areas each have an anode gas main port for supply and discharge of fuel, a cathode gas main port for supply and removal of oxidant, which is arranged such that extending therefrom from this cathode channels at least over the distribution region of the bipolar plate straight and a
  • the manifold portions have a coolant main port for supplying and discharging coolant, the plates being formed and stacked on each other such that the bipolar plate has channels for the operating media connecting the main equipment ports of both manifold portions and wherein the manifold portions have a first intersecting portion in which Cathode channels and anode channels do not overlap each other fluidly, and have a second overlap portion, in the anode channels and coolant channels do not overlap each other fluidly connecting.
  • the invention relates to a membrane electrode assembly having a quadrangular shape and a fuel cell comprising the bipolar plate and the membrane-electrode assembly.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case one on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the anode where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " )
  • an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " )
  • the electrons provided at the anode are fed via an electrical line to the cathode.
  • the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen taking place of the electrons takes place (V2 0 2 + 2 e -> 0 2 ⁇ ).
  • Rate limiting member of the fuel cell reaction is.
  • the fuel cell is formed by a plurality of stack (stack) arranged membrane electrode assemblies whose electrical power is added. Between two membrane-electrode units of a fuel cell stack, a bipolar plate is arranged in each case, on the one hand channels for supplying the process gases to the anode
  • Bipolar plates also consist of an electrically conductive material to produce the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply to the membrane-electrode units, the cooling and the electrical connection.
  • Bipolar plates are known in different designs. Fundamental goals in the design of bipolar plates are the weight reduction, the reduction in space and the increase in power density. These criteria are particularly important for the mobile use of fuel cells, for example for the electromotive traction of vehicles.
  • Fuel cell stack on one side of the anode and on the other side of the cathode The adjacent MEA facing and serve their supply of air / oxygen or fuel / hydrogen.
  • the bipolar plate shown in WO 03/050905 A2 has a continuous side on one side
  • the invention is based on the object to provide a fuel cell, which is characterized by a compact shape and increased power density.
  • a first aspect of the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell comprising a profiled anode plate and a profiled cathode plate, each having an active area and two manifold areas for supply and discharge of operating media to and from the active area, wherein the manifold areas each have a Anodengashauptport to Supply and discharge of fuel, a cathode gas main port for supply and removal of oxidant, as well as a coolant main port to supply and
  • the cathode gas main port is arranged in such a way that, starting from this, cathode channels extend in a straight line at least over the distributor region of the bipolar plate and have a flow direction which is one
  • Main flow direction of the cathode channels in the active area corresponds.
  • the plates are formed and stacked on each other such that the bipolar plate has channels for the operating media connecting the main body ports of both manifold regions, the manifold regions having a first intersecting portion in which cathode channels and anode channels do not intersect fluidly and have a second intersecting portion the anode channels and
  • Coolant channels do not overlap each other fluidly. According to the invention, it is provided that the main coolant port and the anode gas main port are arranged adjacent to one another, adjacent to the cathode gas main port and out of alignment with the active region.
  • the advantage of the bipolar plate according to the invention is in particular in an elevated
  • the bipolar plate according to the invention has a very compact shape.
  • the bipolar plate according to the invention preferably has a double-L shape and thus only one leg per distribution region.
  • Distributor area can also be reduced due to the arrangement of the main ports.
  • a fuel cell with a bipolar plate according to the invention can generate the same fuel cell performance with a smaller cell area as a fuel cell with a bipolar plate according to the prior art.
  • Fuel cell stack resulting channels for the management of operating media are provided.
  • Channels are understood as meaning open (ie channel-shaped) and / or closed (ie tubular) fluid connections for transporting the equipment. They can be designed as discrete channels and / or as a flow field or flow field which allows a transverse flow.
  • Anodenkanäle preferably arranged in discrete channels and parallel to each other. Furthermore, the cathode channels in the first overlap section are preferably at an angle in FIG Range from 0 ° to 70 ° in particular preferably in the range of 10 ° to 50 ° to each other, arranged.
  • a bipolar plate is subdivided into three regions, comprising two distributor regions and one active region.
  • a first distributor area serves for the supply of
  • a second distribution area of the discharge of the operating media from the active area is designed the same and in particular can be converted into one another by rotational symmetry.
  • the main equipment ports ie anode gas main port, main coolant port and cathode gas main port
  • the cathode gas main port and either the coolant gas main port or the anode gas main port are disposed along a first side edge of the bipolar plate.
  • the coolant gas main port and the anode gas main port are arranged along a second side edge adjacent to the first side edge. The first side edge is preferably at right angles to
  • Extension direction of the active area arranged Extension direction of the active area arranged.
  • the main equipment ports can be classified based on their training, in particular their size ratios.
  • Anode gas main ports are usually smaller than the areas of
  • the active region which is arranged between the two distributor regions, is characterized in that, in the assembled state of the fuel cell stack, this region faces an electrode of the membrane-electrode assembly. It is limited by the distributor areas and usually formed in a rectangular shape. That is, in the active area take place the chemical reactions, which are the basis for the energy production in a fuel cell.
  • the operating media in the present case are fluids, that is, liquid or gaseous substances, which are conducted through the respective main equipment ports via suitable feeds to the plate.
  • These are two reactant fluids, in particular a cathode resource (oxidant) and an anode resource (Fuel) and a coolant, preferably water.
  • Oxygen is preferred as
  • Oxidizing agent and hydrogen used as fuel are Oxidizing agent and hydrogen used as fuel.
  • the cathode channels of a bipolar plate extend at least over the
  • Cathode plate have no sweeping. Preferably, they are arranged parallel to each other. Such an arrangement is found at least in the distribution area. Also preferably, this arrangement over the entire length of the bipolar plate, ie also in the active region, continued.
  • the straight-line course of the cathode channels has the advantage that a
  • bipolar plates according to the invention can be operated with a low-pressure strategy, that is to say an operating medium pressure of less than 2 bar.
  • the anode channels are preferably formed so that they extend over the entire width of a cathode flux field, wherein the cathode flux field of the sum of all
  • Cathode channels corresponds.
  • the fuel is supplied to the flow field over the entire width with a substantially same initial pressure, whereas in conventional construction of a bipolar plate an inhomogeneous pressure distribution of the fuel is already generated in the distributor region.
  • An overlapping section in the sense of the invention is an area within one
  • Distribution area of the bipolar plate in which at least two types of flow channels, so coolant channels, cathode channels and / or anode channels, not superimposed fluidly. It can be enclosed between two types of channels angle in the range of 0 ° to 180 °. If angles are included in the range of 0 ° to 89 °, the flow direction of the guided in the respective channels fluids is considered to be substantially equal, however, the included angle is in the range of 91 ° to 180 °, the flow direction is substantially opposite.
  • anode channels and coolant channels run in the first
  • Intersecting section parallel to each other and close with the cathode channels an angle in the range of 10 ° to 90 °, in particular from 20 ° to 80 °, preferably from 25 ° to 75 °, particularly preferably from 35 ° to 55 °.
  • the first intersecting section is arranged in the direction of extension of the active region in its alignment. This ensures that the cathode channels in the distributor region are rectilinear and also have the same flow direction as in the active region. More preferably, the sum of the width of all cathode channels emanating from the main cathode port substantially corresponds to the width of the active region. More preferably, the coolant gas main port and the Anodengasmaschineport au ßer devis this escape, especially one-sided, arranged.
  • the first overlap section has the form of, in particular
  • the first overlap portion of two mutually perpendicular sides, and thus completely and uniformly, is acted upon by the reaction gases.
  • This preferred form of the first overlap section is preferably achieved by having at least one of the main equipment ports, in particular the
  • Cathode gas main port having a substantially triangular shape.
  • Cathode gas main port is then advantageously arranged in the distributor area such that a corner, in particular the right angle, is arranged on a side of the distributor area facing away from the second overlap section, wherein the side edge of the triangle adjacent to the angle runs along the side edge of the bipolar plate which is adjacent to the angle
  • Extension direction of the bipolar plate is arranged vertically.
  • the first intersecting section is arranged such that a first side edge, in particular a catheter, of the first intersecting section extends in extension to an edge of the active region.
  • the advantage of this embodiment lies in the optimal use of the available area.
  • the membrane can be coated over the entire surface, without areas of the electrodes, ie the catalytic coating, not being involved in the fuel cell reaction.
  • the first intersecting portion is further arranged such that a second side edge, in particular a catheter, of the first intersecting portion with a limiting boundary line of the active area runs.
  • the boundary line runs perpendicular to the extension direction of the active region and delimits this from the distributor region.
  • the bipolar plate according to the invention also has a second one in the distributor region
  • Coolant channels which intersect at an angle greater than 0 °, in particular at an angle in the range of 55 ° to 125 °, preferably in the range of 70 ° to 1 10 °.
  • the second overlap section has no cathode channels and, according to a preferred embodiment, is located outside the alignment of the active area. This allows a maximum extension of the first overlap section and a compact form of the bipolar plate.
  • the anode channels in the second overlap section extend in such a way that a flow direction extends in a direction away from the active region. That is, the anode gas flows in this section substantially opposite to a flow direction of the cathode gas in the cathode channels within the first
  • the anode channels in the second overlapping section extend at an angle in the range of 91 ° to 180 °, in particular in the range of 100 ° to 170 °, to the cathode channels in the first overlap section.
  • the coolant channels in the second overlap section preferably have an angle in the range of 0 ° to 90 °, in particular in the range of 20 ° to 80 °, relative to the cathode channels within the first overlap section.
  • the main coolant port of a distributor region has the largest possible diameter.
  • the coolant channels are arranged such that the coolant is highly directed and distributed evenly distributed in the active area, without going through heavy bends, in which it could lead to an accumulation of sediment or ice.
  • a membrane-electrode assembly comprising a membrane having a quadrangular shape with two parallel longitudinal sides and two opposite short sides, wherein at least one included by a short side and an adjacent longitudinal side angle of 90 ° is different.
  • the membrane-electrode unit comprises two electrodes arranged on both sides of the membrane, wherein the electrode surface has the same shape as the membrane surface.
  • the shape of the electrode surface corresponds to the shape of the membrane surface.
  • the included angle always means the smaller angle enclosed by the short and long sides, even if this is not the inner angle of the quadrangle corresponds.
  • the membrane-electrode unit according to the invention is thus designed such that it can be arranged on the bipolar plate according to the invention.
  • the electrodes of a fuel cell are usually present as a catalytic coating on the gas diffusion layers, which are then referred to as gas diffusion electrodes.
  • electrodes may also be present as a catalytic coating on the membrane.
  • CCM catalytic coated membrane
  • Various techniques are known to coat a membrane material with a catalytic material to produce a CCM, and so
  • Spray method deposition method, brushing method.
  • low cost processes with high production rates are desirable.
  • the membrane according to the invention has the advantage over known membranes that a part of the active region extends functionally into the distribution area of the bipolar plate and thus the power density of the membrane-electrode unit is increased.
  • the membrane of the invention is designed such that advantageously the entire membrane is activated for the production of a membrane-electrode unit, that is, coated with a catalytic material (catalytic coated membrane, CCM).
  • a gas diffusion layer adjacent the membrane is coated with a catalytic material throughout the region adjacent the membrane, thereby maximizing the usable active area and increasing the power density of the membrane-electrode assembly.
  • the activated region occupies only part of the total area of the MEA.
  • the remaining areas which may have a variable shape, serve to supply and distribute the operating media to the activated area and to seal and mechanically stabilize the MEA. These areas are called inactive or inactive areas.
  • the activated region has the shape of the active region of the bipolar plate and thus usually a rectangular shape. In an effort to achieve a high space utilization for the activated area, are also recently
  • the excess coating means a loss of catalytic material.
  • the membrane may have the shape of a trapezoid or a parallelogram.
  • the advantage of this embodiment is that the membrane is individually adapted to the bipolar plate in such a way that a part of the membrane-electrode unit extends into the distributor region.
  • the membrane of the invention in this embodiment has the shape of a parallelogram, wherein the respective opposite angles are equal. If the membrane has the shape of a parallelogram, that is to say a regular rectangle, the manufacture is simplified compared to irregular geometric shapes.
  • the invention relates to a fuel cell, which comprises the bipolar plate according to the invention and the membrane-electrode unit according to the invention.
  • Fuel cell has an increased power density compared to the prior art.
  • the invention relates to a fuel cell stack comprising a plurality of alternately arranged with bipolar plates membrane electrode assemblies according to the invention.
  • the fuel cell stack can be used in particular in a vehicle which has an electric motor drive, wherein the fuel cell stack of the
  • Electricity supply of the electric motor and / or a traction battery is used.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack
  • FIG. 2 shows a schematic schematic diagram of a section of a bipolar plate in a first embodiment of the invention in a plan view
  • FIG. 3 shows a schematic schematic diagram of a detail of a bipolar plate in a further embodiment of the invention in a plan view
  • Figure 4A is a schematic representation of a membrane-electrode assembly according to the
  • FIG. 4B is a schematic representation of a membrane-electrode assembly according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a schematic representation of a membrane according to a preferred embodiment
  • Figure 6A is a schematic representation of the cross section of a membrane according to the
  • Figure 6B is a schematic representation of the cross section of a membrane in the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 100.
  • the fuel cell stack 100 comprises a first end plate 11 and a second end plate 12. Between the end plates 11 1, 12 a plurality of stacked stack elements are arranged, which bipolar plates 1 13 and 13 Include membrane electrode assemblies 1 14.
  • the bipolar plates 1 13 are alternately stacked with the membrane electrode assemblies 1 14.
  • the membrane-electrode units 1 14 each comprise a membrane and on both sides of the Membrane subsequent electrodes, namely an anode and a cathode (not shown). Adjacent to the membrane, the membrane-electrode assemblies 1 14 may also have gas diffusion layers (also not shown). Between the bipolar plates 1 13 and
  • Membrane electrode units 1 14 each sealing elements 1 15 are arranged, which seal the anode and cathode chambers gas-tight outward Shen. Between the end plates 1 1 1 and 1 12 of the fuel cell stack 100 by means of clamping elements 1 16, for example, tie rods or clamping plates, pressed.
  • FIG. 1 only the narrow sides of the bipolar plates 13 and the membrane electrode units 14 are visible.
  • the major surfaces of the bipolar plates 1 13 and the membrane electrode assemblies 1 14 abut each other.
  • the representation in FIG. 1 is partly not dimensionally true.
  • a thickness of a single cell, consisting of a bipolar plate 1 13 and a membrane electrode assembly 1 14, a few mm, the membrane electrode assembly 1 14 is the much thinner component.
  • FIG. 2 shows a schematic schematic diagram of a section of a bipolar plate 1 in a first embodiment of the invention in a plan view of the bipolar plate 1. Shown is a distributor region 2 and the adjacent active region 6 of the bipolar plate 1.
  • Distributor area 2 is formed wider than the active area 6. He has three
  • Resource main ports namely, a cathode gas main port 4, a main coolant port 5, and an anode gas main port 3.
  • Bipolar plate 1 are positioned adjacent to each other. Furthermore, the cathode gas main port 4 is arranged in extension from the active region 6, that is to say in alignment therewith.
  • Anodengassburgport 3 which is adjacent to the coolant main port 5, however, is au ßer distress a flight of the active area 6.
  • the bipolar plate 1 in the section shown an L-shape.
  • a first overlap section 9 and a second overlap section 10 are formed.
  • the first overlap section 9 all the flow channels 31, 41 and 51 overlap, with anode channels 31 and coolant channels 51 extending substantially parallel to one another and intersect with the cathode channels 41 at an angle in the range of 10 ° to 45 °.
  • the overlapping of the flow channels 31, 41 and 51 is not carried fluid, so there is no mixing or exchange of operating media.
  • the first intersecting section 9 extends beyond a width corresponding to the active region 6 and adjoins it via a borderline 12.
  • a further side edge 11 of the first overlap section 9 forms an extension of a longitudinal edge 13 of the active region 6.
  • the first overlap section 9 has the shape of a, in particular right-angled, triangle.
  • the cathode channels 41 extend in a straight line over the distributor region 2 and pass directly into the cathode channels of the active region 6.
  • the second intersecting portion 10 is arranged laterally adjacent to the first intersecting portion 9. He is also outside of an escape of the active area 6. He is also preferably triangular in shape and adjoins with a side edge, in particular a Hypotenuse, on the side edge 1 1 of the first overlap section 9, which forms the extension of the longitudinal edge 13 of the active area 6 , On the other sides of the second overlap section 10, the anode gas main port 3 and the
  • Main coolant port 5 The main coolant port 5 is preferably adjacent to
  • the flow channels 31, 41 and 51 extend in the embodiment shown in the active region 6 parallel to each other and straight.
  • Flow channels 31, 41 and / or 51 meander over the active area run.
  • FIG. 3 shows a schematic sketch of a section of a bipolar plate in a further embodiment of the invention.
  • the detail of the bipolar plate 1 is also shown in plan view and substantially corresponds to the structure of the embodiment in Figure 2.
  • the difference of the second embodiment compared to that shown in Figure 2 consists in the arrangement of the anode gas main port 3 and the coolant main port 5. These are in Comparison with the first embodiment reversed. This affects the arrangement and the flow direction of coolant channels 51 and anode channels 31.
  • the anode channels 31 at the boundary between the second and first overlap section 9, 10 undergo a flow reversal, this is true in the embodiment shown in Figure 3 for the coolant channels.
  • the anode channels 31 extend in a straight line over the entire distributor region 2.
  • cathode channels 41 and anode channels 31 overlap in the first overlapping section 9 this region is already suitable for the fuel cell reaction since both a fuel and an oxidizing agent are available here and thus can be designated as an activatable region 28.
  • a suitable electrode surface is available in this area. This can be achieved by providing a membrane-electrode unit 20 according to the invention, as can be seen from the following figures.
  • FIG. 4A shows a membrane-electrode unit 20 according to the prior art in a plan view of one of its flat sides.
  • the membrane-electrode unit 20 has the catalytically coated membrane 21.
  • the catalytically coated membrane 21 has a hexagonal contour. Within this hexagonal contour, an active region 6 is arranged, which is indicated by a broken line. Outside the active region 6, the catalytically coated membrane 21 has activatable regions 28 and inactive regions 25.
  • the active region 6 has the shape of the active region 6 of the bipolar plate 1. Depending on whether and how much of the activatable region 28 has a catalytic coating 22, the active region 6 and the activatable region 28 jointly form the activated region 29.
  • the membrane electrode assembly 20 is inserted into a fuel cell stack 100, the fuel cell reactions take place at the anode and cathode and thus the generation of electricity.
  • the inactive regions 25 serve other functions, for example the supply of the operating media to the active region 6.
  • the polymer electrolyte membrane 21 is coated with the catalytic coatings 22 only in the active region 6.
  • the membrane-electrode unit 20 comprises various passage openings 3 to 5, which serve to supply and discharge of the various operating media. These are preferably arranged in a protective and / or supporting layer 26 of the membrane.
  • a first anode gas main port 3 serves to supply the anode working gas to the anodes of the fuel cell stack 100 and an opposite second anode gas main port 3 to exhaust the anode operating gas.
  • a first cathode gas main port 4 serves to supply a cathode working gas to the cathodes of the fuel cell stack 100 and an opposite second cathode gas main port 4 to discharge the gas
  • a first coolant main port 5 serves to supply a coolant to the internal coolant passages 51 of the bipolar plates 1 and 1
  • the bipolar plates 1 have a substantially same blank as the membrane electrode assemblies 20 shown, in particular corresponding ports 3, 4 and 5. In this way, in the stacked state the membrane-electrode assemblies 20 and bipolar plates 1 main channels formed which the
  • Fuel cell stack 100 in its stacking direction S prevail. (These main operating media channels are not shown in Figure 1, which shows only a section through the active region 6 of the fuel cell stack.)
  • the coolant main ports 5 are connected to the internal coolant passages 51 of the bipolar plates 1.
  • connecting distribution channel structures extend in the inactive regions 25.
  • the membrane 21 is usually bordered on both sides by a respective support layer 26, which surrounds the membrane 21 at its edge regions.
  • the membrane 21 may also extend over the entire surface of the membrane-electrode assembly 20 and be laminated with support layers 26 at its edge regions.
  • seals 27 can be seen, which surround the equipment passage openings 3, 4 and 5 as well as the catalytically coated membrane 21 in order to seal them to the outside.
  • the seals 27 may be disposed on the bipolar plates 1 or both instead of on the membrane-electrode unit 20.
  • the fuel cell reaction takes place only in the activated region 29. It is therefore desirable, if possible, only in this area, the catalyst layers 22nd because the catalytic material is by far the most expensive single component of the fuel cell stack.
  • the aim is to make the active region 6 as large as possible and the inactive regions 25 as small as possible in order to achieve the highest possible energy yield or to minimize the required installation space and the weight of the fuel cell.
  • contours of the activated region 29 result, which may deviate from the conventional rectangular contour (as shown in FIG. 4A) and have an irregular contour.
  • the preparation can be carried out by selective coating methods, in which the catalytic material exclusively on the activated region 6 of a
  • Membrane material is applied, for example, by selective printing methods such as screen printing or offset printing. However, these procedures are slow
  • FIG. 4B shows a membrane-electrode unit 20 'according to the invention.
  • the basic structure of the membrane electrode assembly 20 'according to the invention essentially corresponds to that shown in FIG. 4A. The difference is in the shape of the membrane 21 and the electrodes.
  • the membrane 21 has a quadrangular shape with two parallel longitudinal sides.
  • the short sides 23 are at an angle to the longitudinal sides 24, which is different from 90 °.
  • the membrane has the shape of a parallelogram.
  • the main equipment ports 3, 4 and 5 are arranged.
  • the Kathodengashautport 4 is aligned in extension of the active area 6.
  • Coolant main port 5 and the anode gas main port 3 are arranged laterally of the diaphragm 21 in the distributor region 2.
  • FIG 5 shows a schematic representation of a membrane 21 according to the preferred embodiment of the invention in Figure 4B.
  • the membrane 21 has a quadrangular shape in plan view, wherein the longitudinal sides 24 are arranged parallel to each other.
  • the end points of the longitudinal sides 24 are connected by a short side 23 each.
  • a first short side 23 with the two longitudinal sides 24 encloses an angle ⁇ and the second short side 23 with the longitudinal sides 24 an angle ß.
  • At least one of the two angles ⁇ and / or ⁇ is different from 90 °.
  • the angles ⁇ and ⁇ are equal.
  • the two short sides 23 are parallel to each other and the membrane 21 has the shape of a parallelogram.
  • the largest possible rectangle within the membrane 21, which has the same width as the membrane 21, corresponds to the active region 6 of the bipolar plates 1 shown in the preceding figures.
  • a catalytic material 22 is arranged on both sides of the membrane 21. This can be done, for example, by catalytic
  • Coating the membrane 21 or a gas diffusion layer (not shown) take place.
  • the catalytic coating 22 is in the active region 6 and according to the invention additionally in the activatable region 28 and thus over the entire surface, with or without partial deactivation or only in some areas.
  • the goal here is that all areas of the later membrane electrode unit 20 'in the areas have an active catalytic coating 22 in which fuel and oxidant are present simultaneously.
  • FIGS. 6A and 6B show the cross sections of a membrane 21 with adjacent catalytic coating 22 in two embodiments.
  • the embodiment of FIG. 6A shows a partial catalytic coating 22 which adjoins the membrane only in the active region 6. This creates inactive areas 25 that are not available for the fuel cell reaction.
  • Figure 6B shows a preferred embodiment of the membrane 21 according to the invention in cross-section, which has a catalytic coating 22 over the entire surface.
  • the arrangement of this membrane 21 in a membrane-electrode unit 20 for a bipolar plate 1 of the type described in FIGS. 2 and 3 increases the power density of the resulting fuel cell, since the regions in which the fuel cell reaction generates energy extend beyond the active region 6 walk.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (100) umfassend eine profilierte Anodenplatte (7) und eine profilierte Kathodenplatte (8), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (6) sowie zwei Verteilerbereiche (2) zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (6), wobei die Verteilerbereiche (2) jeweils einen Anodengashauptport (3) zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport (4) zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel, welcher derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle (41) zumindest über den Verteilerbereich (2) der Bipolarplatte (1) geradlinig verlaufen und eine Strömungsrichtung aufweisen, die einer Hauptströmungsrichtung in den Kathodenkanälen (41) im aktiven Bereich entspricht, sowie einen Kühlmittelhauptport (5) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlmittelhauptport (5) und der Anodengashauptport (3) einander benachbart, zu dem Kathodengashauptport (4) benachbart und außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit für eine in einem Brennstoffzellenstapel angeordnete Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine profilierte Anodenplatte und eine profilierte Kathodenplatte, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Verteilerbereiche jeweils einen Anodengashauptport zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel, welcher derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle zumindest über den Verteilerbereich der Bipolarplatte geradlinig verlaufen und eine
Strömungsrichtung aufweisen, die einer Hauptströmungsrichtung in den Kathodenkanälen im aktiven Bereich entspricht. Weiter weisen die Verteilerbereiche einen Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel auf, wobei die Platten derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte Kanäle für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports beider Verteilerbereiche verbinden und wobei die Verteilerbereiche einen ersten Überschneidungsabschnitt, in dem Kathodenkanäle und Anodenkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden, und einen zweiten Überschneidungsabschnitt aufweisen, in dem Anodenkanäle und Kühlmittelkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden. Ferner betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer viereckigen Form sowie eine Brennstoffzelle aufweisend die Bipolarplatte und die Membran-Elektroden-Einheit.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e"). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (V2 02 + 2 e -> 02~). Gleichzeitig reagieren im
Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + O2" -> H20). Durch die direkte Umsetzung von chemischer Energie in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen
Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot- Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt unter anderem aufgrund der gegenüber von
Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das
geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode
beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten aufweist sowie Kühlkanäle zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung und der elektrischen Anbindung auf.
Bipolarplatten sind in unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Grundsätzliche Ziele bei dem Design von Bipolarplatten stellen die Gewichtsreduzierung, die Bauraumreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
US 2005/0058864 A1 (US 6,974,648 B2) und US 2006/0029840 A1 (US 7,601 ,452 B2) beschreiben Bipolarplatten für Brennstoffzellen, die aus zwei gewellten und ineinander verschachtelten Platten aufgebaut sind. Jede der Platten weist eine Mäanderprofilierung auf, sodass auf beiden Seiten jeweils Rinnen ausgebildet werden, die von wallartigen Erhebungen begrenzt werden. Dabei weisen die beiden Platten unterschiedliche Breiten der ausgebildeten Rinnen beziehungsweise Erhebungen auf. In dem verschachtelten Gefüge der Platten werden geschlossene Kanäle ausgebildet, welche als Kühlkanäle dienen. Die zu beiden Seiten des Gefüges vorhandenen offenen Kanäle (Rinnen) sind im zusammengebauten
Brennstoffzellenstapel auf der einen Seite der Anode und auf der anderen Seite der Kathode der benachbarten MEA zugewandt und dienen ihrer Versorgung mit Luft/Sauerstoff beziehungsweise Brennstoff/Wasserstoff.
Die in WO 03/050905 A2 gezeigte Bipolarplatte weist auf einer Seite durchgehende
Vertiefungen zur Ausbildung von Anodenkanälen und auf der anderen Seite durchgehende Vertiefungen zur Ausbildung von Kathodenkanälen auf. Ferner verfügt die Platte über eingeschlossene Kühlmittelkanäle. Sämtliche Kanäle verlaufen parallel zueinander.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die sich durch eine kompakte Form und eine erhöhte Leistungsdichte auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch das Bereitstellen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden- Einheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst sowie durch eine diese Komponenten aufweisende Brennstoffzelle.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine profilierte Anodenplatte und eine profilierte Kathodenplatte, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Verteilerbereiche jeweils einen Anodengashauptport zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel, sowie einen Kühlmittelhauptport zur Zu- und
Abführung von Kühlmittel aufweisen. Dabei ist der Kathodengashauptport derart angeordnet, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle zumindest über den Verteilerbereich der Bipolarplatte geradlinig verlaufen und eine Strömungsrichtung aufweisen, die einer
Hauptströmungsrichtung der Kathodenkanäle im aktiven Bereich entspricht. Ferner sind die Platten derart ausgebildet und übereinander angeordnet, dass die Bipolarplatte Kanäle für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports beider Verteilerbereiche verbindet, wobei die Verteilerbereiche einen ersten Überschneidungsabschnitt aufweisen, in dem Kathodenkanäle und Anodenkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden und einen zweiten Überschneidungsabschnitt aufweisen, in dem Anodenkanäle und
Kühlmittelkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlmittelhauptport und der Anodengashauptport einander benachbart, zu dem Kathodengashauptport benachbart und außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs angeordnet sind. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Bipolarplatte liegt insbesondere in einer erhöhten
Leistungsdichte. Diese wird dadurch erzielt, dass aufgrund der Anordnung der Hauptports im Verteilerbereich dieser einen größeren Bereich aufweist, in dem sich Kathodenkanäle und Anodenkanäle überlagern. Dieser Bereich wird mit Vorteil bereits für die
Brennstoffzellenreaktion und damit zur Energieerzeugung genutzt. Inaktive Bereiche werden im Verteilerbereich reduziert.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Bipolarplatte eine sehr kompakte Form auf.
Anstelle der bekannten Doppel-T-Form mit zwei Schenkeln je Verteilerbereich weist die erfindungsgemäße Bipolarplatte vorzugsweise eine Doppel-L-Form und damit lediglich einen Schenkel je Verteilerbereich auf. Die Länge der zuführenden Strömungskanäle im
Verteilerbereich kann aufgrund der Anordnung der Hauptports ebenfalls reduziert werden.
Somit kann eine Brennstoffzelle mit erfindungsgemäßer Bipolarplatte bei kleinerer Zellfläche die gleiche Brennstoffzellenleistung generieren wie eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte nach dem Stand der Technik.
Als Port sind vorliegend Öffnungen in der Bipolarplatte zu verstehen, welche in einem
Brennstoffzellenstapel Kanäle zur Führung von Betriebsmedien ergeben.
Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte hat weiterhin den Vorteil, dass aufgrund der Geradlinigkeit der Kathodenkanäle ein Wasseraustrag begünstigt ist und somit eine Verstopfung von
Kathodenkanälen infolge einer Wasseransammlung weitestgehend oder vollständig
unterbunden wird. Ferner führt die erfindungsgemäße Überschneidung von Anoden- und Kathodenkanälen zu einer im Wesentlichen homogenen Verteilung von Brennstoff und
Kühlmittel über den Überschneidungsabschnitt. Dies begünstigt wiederum eine homogene Verteilung des Drucks von Reaktantenfluiden (da diese insbesondere gasförmig vorliegen, werden sie nachfolgend auch als Reaktantengase bezeichnet) innerhalb der Kathodenkanäle über die gesamte Fläche der Bipolarplatte.
Unter Kanälen werden offene (also rinnenförmige) und/oder geschlossene (also röhrenförmige), Fluid-Verbindungen zum Transport der Betriebsmittel verstanden. Sie können als diskrete Kanäle und/oder als Flussfeld beziehungsweise Strömungsfeld, welches eine Querströmung erlaubt, ausgebildet sein. Im ersten Überschneidungsabschnitt sind die Kathoden- und
Anodenkanäle vorzugsweise in diskreten Kanälen und zueinander parallel angeordnet. Ferner sind die Kathodenkanäle im ersten Überschneidungsabschnitt bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 0° bis 70 ° insbesondere bevorzugt im Bereich von 10° bis 50° zueinander, angeordnet.
Vorliegend wird eine Bipolarplatte in drei Bereiche unterteilt, umfassend zwei Verteilerbereiche und einen aktiven Bereich. Ein erster Verteilerbereich dient dabei der Zuleitung von
Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte, ein zweiter Verteilerbereich der Ableitung der Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich. Bevorzugt sind beide Verteilerbereiche gleich ausgeführt und insbesondere durch Rotationssymmetrie ineinander überführbar. In den Verteilerbereichen sind wiederum die Betriebsmittelhauptports, also Anodengashauptport, Kühlmittelhauptport und Kathodengashauptport, angeordnet. Vorzugsweise sind innerhalb eines Verteilerbereichs der Kathodengashauptport und entweder der Kühlmittelgashauptport oder der Anodengashauptport entlang einer ersten Seitenkante der Bipolarplatte angeordnet. Weiterhin bevorzugt sind innerhalb eines Verteilerbereichs der Kühlmittelgashauptport und der Anodengashauptport entlang einer zur ersten Seitenkante benachbarten zweiten Seitenkante angeordnet. Dabei ist die erste Seitenkante bevorzugt im rechten Winkel zur
Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs angeordnet.
Üblicherweise sind die Betriebsmittelhauptports anhand ihrer Ausbildung, insbesondere ihrer Größenverhältnisse klassifizierbar. So weist sowohl im Stand der Technik als auch in vorliegender Erfindung der Kathodengashauptport von den drei verschiedenen
Betriebsmittelhauptports stets die größte lichte Fläche auf, die lichte Fläche des
Anodengashauptports ist hingegen zumeist kleiner ausgeführt als die Flächen von
Kathodengashauptport und Kühlmittelhauptport. So ist in vorliegender Erfindung auch im passiven Zustand die Funktion des jeweiligen Betriebsmittelhauptports eindeutig identifizierbar.
Der aktive Bereich, welcher zwischen den beiden Verteilerbereichen angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels dieser Bereich einer Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit gegenüberliegt. Er ist durch die Verteilerbereiche begrenzt und zumeist in rechteckiger Form ausgebildet. Das heißt, im aktiven Bereich finden die chemischen Reaktionen statt, welche Grundlage für die Energieerzeugung in einer Brennstoffzelle sind.
Bei den Betriebsmedien handelt es sich vorliegend um Fluide, also flüssig oder gasförmig vorliegende Stoffe, welche durch die jeweiligen Betriebsmittelhauptports über geeignete Zuführungen auf die Platte geführt werden. Dabei handelt es sich um zwei Reaktandenfluide, insbesondere ein Kathodenbetriebsmittel (Oxidationsmittel) und ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff) sowie ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser. Bevorzugt wird Sauerstoff als
Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff verwendet.
Vorliegend verlaufen die Kathodenkanäle einer Bipolarplatte zumindest über den
Verteilerbereich geradlinig beziehungsweise umlenkungsfrei, also ohne Richtungsänderung. Darunter ist vorliegend zu verstehen, dass die Kathodenkanäle in Aufsicht auf die
Kathodenplatte keine Kehren aufweisen. Vorzugsweise sind sie parallel zueinander angeordnet. Eine derartige Anordnung findet sich zumindest im Verteilerbereich. Ebenfalls bevorzugt wird diese Anordnung über die gesamte Länge der Bipolarplatte, also auch im aktiven Bereich, fortgeführt. Der geradlinige Verlauf der Kathodenkanäle hat den Vorteil, dass eine
Wasseransammlung und eine damit einhergehende Verstopfung der Kathodenkanäle durch eine Verbesserung des hydraulischen Querschnitts im gesamten Kathodenkanalbereich verhindert werden. Ferner können erfindungsgemäße Bipolarplatten mit Niederdruckstrategie, also einem Betriebsmitteldruck von kleiner 2 bar, betrieben werden.
Die Anodenkanäle sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie sich über die gesamte Breite eines Kathodenflussfeldes erstrecken, wobei das Kathodenflussfeld der Summe aller
Kathodenkanäle entspricht. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Brennstoff dem Flussfeld über die gesamte Breite mit einem im Wesentlichen gleichen Anfangsdruck zugeführt wird, wohingegen bei herkömmlichem Aufbau einer Bipolarplatte bereits im Verteilerbereich eine inhomogene Druckverteilung des Brennstoffs erzeugt wird.
Ein Überschneidungsabschnitt im Sinne der Erfindung ist ein Bereich innerhalb eines
Verteilerbereichs der Bipolarplatte, in dem sich mindestens zwei Sorten von Strömungskanälen, also Kühlmittelkanäle, Kathodenkanäle und/oder Anodenkanäle, nicht fluidführend überlagern. Dabei können zwischen jeweils zwei Sorten von Kanälen Winkel im Bereich von 0° bis 180° eingeschlossen werden. Werden Winkel im Bereich von 0° bis 89 ° eingeschlossen, wird die Strömungsrichtung der in den entsprechenden Kanälen geführten Fluide als im Wesentlichen gleich angesehen, liegt der eingeschlossene Winkel hingegen im Bereich von 91 ° bis 180°, ist die Strömungsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzt.
Mit besonderem Vorteil verlaufen Anodenkanäle und Kühlmittelkanäle im ersten
Überschneidungsabschnitt parallel zueinander und schließen mit den Kathodenkanälen einen Winkel im Bereich von 10° bis 90°, insbesondere von 20 ° bis 80 °, vorzugsweise von 25° bis 75°, besonders bevorzugt von 35° bis 55°, ein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass der erste Überschneidungsabschnitt in Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs in dessen Flucht angeordnet ist. Dies stellt sicher, dass die Kathodenkanäle im Verteilerbereich geradlinig verlaufen und zudem die gleiche Strömungsrichtung aufweisen wie im aktiven Bereich. Weiter bevorzugt entspricht die Summe der Breite aller vom Kathodenhauptport ausgehenden Kathodenkanäle im Wesentlichen der Breite des aktiven Bereichs. Weiter bevorzugt sind der Kühlmittelgashauptport und der Anodengashauptport au ßerhalb dieser Flucht, insbesondere einseitig, angeordnet.
Mit Vorteil weist der erste Überschneidungsabschnitt die Form eines, insbesondere
rechtwinkligen, Dreiecks auf. Diese Form zeichnet sich durch ihre Einfachheit aus.
Insbesondere durch diese Ausgestaltung wird der erste Überschneidungsabschnitt von zwei senkrecht zueinander angeordneten Seiten, und damit vollständig und gleichmäßig, mit den Reaktionsgasen beaufschlagt. Somit steht der erste Überschneidungsabschnitt für die
Brennstoffzellenreaktion zur Verfügung.
Diese bevorzugte Form des ersten Überschneidungsabschnitts wird vorzugsweise dadurch erreicht, indem zumindest einer der Betriebsmittelhauptports, insbesondere der
Kathodengashauptport, eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweist. Der
Kathodengashauptport ist dann mit Vorteil derart im Verteilerbereich angeordnet, dass eine Ecke, insbesondere der rechte Winkel auf einer dem zweiten Überschneidungsabschnitt abgewandten Seite des Verteilerbereichs angeordnet ist, wobei die zu dem Winkel benachbarte Seitenkante des Dreiecks entlang der Seitenkante der Bipolarplatte verläuft, die zur
Erstreckungsrichtung der Bipolarplatte senkrecht angeordnet ist.
Ferner ist bevorzugt, dass der erste Überschneidungsabschnitt derart angeordnet ist, dass eine erste Seitenkante, insbesondere eine Kathete, des ersten Überschneidungsabschnitts in Verlängerung zu einer Kante des aktiven Bereichs verläuft. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der optimalen Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche. Im Zusammenhang mit einer Membran-Elektroden-Einheit, die an der Bipolarplatte angeordnet wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Membran vollflächig beschichtet werden kann, ohne dass Bereiche der Elektroden, also der katalytischen Beschichtung, nicht an der Brennstoffzellenreaktion beteiligt sind.
Mit Vorteil ist der erste Überschneidungsabschnitt ferner derart angeordnet, dass eine zweite Seitenkante, insbesondere Kathete, des ersten Überschneidungsabschnitts mit einer begrenzenden Grenzlinie des aktiven Bereichs verläuft. Dabei verläuft die Grenzlinie senkrecht zur Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs und grenzt diesen von dem Verteilerbereich ab.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist im Verteilerbereich ferner einen zweiten
Überschneidungsabschnitt auf. In diesem verlaufen nur die Anodenkanäle und die
Kühlmittelkanäle, welche sich in einem Winkel größer 0 ° insbesondere in einem Winkel im Bereich von 55° bis 125° vorzugsweise im Bereich von 70° bis 1 10° überschneiden. Der zweite Überschneidungsabschnitt weist keine Kathodenkanäle auf und liegt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung au ßerhalb der Flucht des aktiven Bereichs. Dies ermöglicht eine maximale Ausdehnung des ersten Überschneidungsabschnitts sowie eine kompakte Form der Bipolarplatte.
Weiter bevorzugt verlaufen die Anodenkanäle im zweiten Überschneidungsabschnitt derart, dass eine Strömungsrichtung in einer dem aktiven Bereich abgewandten Richtung verläuft. Das heißt, das Anodengas strömt in diesem Abschnitt im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Strömungsrichtung des Kathodengases in den Kathodenkanälen innerhalb des ersten
Überschneidungsabschnitts. Mit anderen Worten verlaufen die Anodenkanäle im zweiten Überschneidungsabschnitt in einem Winkel im Bereich von 91 ° bis 180°, insbesondere im Bereich von 100° bis 170°, zu den Kathodenkanälen im ersten Überschneidungsabschnitt. Die Kühlmittelkanäle im zweiten Überschneidungsabschnitt weisen zu den Kathodenkanälen innerhalb des ersten Überschneidungsabschnitts hingegen bevorzugt einen Winkel im Bereich von 0 ° bis 90 °, insbesondere im Bereich von 20° bis 80 °, auf. In dieser Ausgestaltung weist der Kühlmittelhauptport eines Verteilerbereichs den größtmöglichen Durchmesser auf. Zudem sind die Kühlmittelkanäle derart angeordnet, dass das Kühlmittel stark gerichtet und gleichmäßig verteilt in den aktiven Bereich geführt wird, ohne starke Kehren zu durchlaufen, in welchen es zu einer Ansammlung von Sedimenten oder Eis kommen könnte.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit, die eine Membran umfasst, die eine viereckige Form mit zwei parallelen Längsseiten und zwei einander gegenüberliegenden Kurzseiten aufweist, wobei zumindest ein durch eine Kurzseite und eine dazu benachbarte Längsseite eingeschlossener Winkel von 90° verschieden ist. Ferner umfasst die Membran-Elektroden-Einheit zwei beidseitig der Membran angeordnete Elektroden, wobei die Elektrodenfläche die gleiche Form aufweist, wie die Membranfläche. Erfindungsgemäß entspricht die Form der Elektrodenfläche der Form der Membranfläche. Vorliegend ist unter dem eingeschlossenen Winkel stets der kleinere von den Kurz- und Längsseiten eingeschlossene Winkel zu verstehen, auch wenn dieser nicht dem Innenwinkel des Vierecks entspricht. Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit ist somit derart gestaltet, dass sie an die erfindungsgemäße Bipolarplatte angeordnet werden kann.
Die Elektroden einer Brennstoffzelle liegen üblicherweise als katalytische Beschichtung auf den Gasdiffusionslagen vor, die dann als Gasdiffusionselektroden bezeichnet werden. Die
Elektroden können jedoch auch als katalytische Beschichtung auf der Membran vorliegen. In diesem Fall spricht man auch von katalytisch beschichteten Membranen oder CCM (für catalytic coated membrane). Es sind verschiedene Techniken bekannt, um zur Herstellung einer CCM ein Membranmaterial mit einem katalytischen Material zu beschichten und so die
Katalysatorschichten zu erzeugen. Hierzu zählen unter anderem Druckverfahren,
Sprühverfahren, Abscheidungsverfahren, Aufstreichverfahren. Für die Massenherstellung sind preiswerte Verfahren mit hohen Produktionsraten wünschenswert.
Die erfindungsgemäße Membran hat gegenüber bekannten Membranen den Vorteil, dass sich ein Teil des aktiven Bereichs funktional in den Verteilerbereich der Bipolarplatte erstreckt und somit die Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erhöht ist. Die erfindungsgemäße Membran ist derart ausgestaltet, dass vorteilhafter Weise die gesamte Membran zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit aktiviert wird, also mit einem katalytischen Material beschichtet wird (catalytic coated membrane, CCM). Alternativ ist eine an die Membran angrenzende Gasdiffusionsschicht im gesamten an die Membran angrenzenden Bereich mit einem katalytischen Material beschichtet, wodurch die nutzbare aktive Fläche maximiert und die Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erhöht wird.
Derjenige Bereich einer MEA, der im Brennstoffzellenstapel mit beiden Reaktantengasen für die Anode und Kathode beaufschlagt wird und an dem die Brennstoffzellenreaktion unter
Erzeugung von Elektrizität stattfindet, wird als aktivierter Bereich bezeichnet. Der aktivierte Bereich nimmt jedoch nur einen Teil der Gesamtfläche der MEA ein. Die übrigen Bereiche, die eine variable Form aufweisen können, dienen der Zuführung und Verteilung der Betriebsmedien zu dem aktivierten Bereich und der Abdichtung sowie der mechanischen Stabilisierung der MEA. Diese Bereiche werden als nicht aktive beziehungsweise inaktive Bereiche bezeichnet. In herkömmlichen Brennstoffzellen weist der aktivierte Bereich die Form des aktiven Bereichs der Bipolarplatte und damit zumeist eine rechteckige Form auf. In dem Bestreben, eine hohe Flächenausnutzung für den aktivierten Bereich zu erzielen, sind in jüngster Zeit auch
Anordnungen mit nicht rechteckigen aktivierten Bereichen entwickelt worden, beispielsweise mit einer regelmäßigen oder unregelmäßigen sechseckigen Kontur wie in Figur 2 gezeigt. Aus Kostengründen wünschenswert ist grundsätzlich, einzig den aktivierten Bereich mit der katalytischen Schicht auszustatten. Die selektive Beschichtung des aktivierten Bereichs ist mit Druckverfahren, beispielsweise Offset- oder Siebdruck möglich. Diese Verfahren sind jedoch im Falle des Siebdrucks vergleichsweise zeitaufwendig oder erfordern eine kostenintensive Maschinerie (Offsetdruck). Schneller und mit wenig Aufwand verbunden sind demgegenüber kontinuierliche Beschichtungsverfahren, bei denen das Membranmaterial kontinuierlich mit dem katalytischen Material beschichtet wird und die katalytisch beschichtete Membran später durch einen Konfektionsschritt ausgeschnitten wird. Nachteilig ist hier, dass im Falle nicht rechteckiger aktivierter Bereiche die Beschichtung von inaktiven Bereichen der Membran oder des
Membranverschnitts unvermeidlich ist. Sofern inaktive Bereiche unerwünscht mit katalytischem Material beschichtet werden, müssen diese Bereiche nachträglich beispielsweise durch
Aufbringen von Diffusionsbarriereschichten blockiert werden. In jedem Fall bedeutet die überschüssige Beschichtung einen Verlust an katalytischem Material.
In bevorzugter Ausgestaltung sind alle Innenwinkel des Vierecks von 90 ° verschieden. Somit kann die Membran die Form eines Trapezes oder eines Parallelogramms aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Membran individuell an die Bipolarplatte derart angepasst ist, dass sich ein Teil der Membran-Elektroden-Einheit in den Verteilerbereich erstreckt.
Weiterhin bevorzugt sind die gegenüberliegenden Kurzseiten parallel zueinander. Damit hat die erfindungsgemäße Membran in dieser Ausgestaltung die Form eines Parallelogramms, wobei die jeweils gegenüberliegenden Winkel gleich groß sind. Weist die Membran die Form eines Parallelogramms, also eines regelmäßigen Rechtecks auf, so ist die Herstellung gegenüber unregelmäßigen geometrischen Formen vereinfacht.
Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die die erfindungsgemäße Bipolarplatte und die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit umfasst. Die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle weist gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Leistungsdichte auf.
Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl abwechselnd mit Bipolarplatten gestapelter Membran-Elektroden-Einheiten gemäß der Erfindung umfasst. Der Brennstoffzellenstapel kann insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt werden, das über einen elektromotorischen Antrieb verfügt, wobei der Brennstoffzellenstapel der
Elektrizitätsversorgung des Elektromotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
Figur 2 eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht,
Figur 3 eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht,
Figur 4A eine schematische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem
Stand der Technik,
Figur 4B eine schematische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Membran gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 6A eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Membran nach dem
Stand der Technik, und
Figur 6B eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Membran in der
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine erste Endplatte 1 1 1 sowie eine zweite Endplatte 1 12. Zwischen den Endplatten 1 1 1 , 1 12 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 1 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 umfassen. Die Bipolarplatten 1 13 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 1 13 und
Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 sind jeweils Dichtungselemente 1 15 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach au ßen abdichten. Zwischen den Endplatten 1 1 1 und 1 12 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Spannelementen 1 16, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In Figur 1 sind von den Bipolarplatten 1 13 und den Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptflächen der Bipolarplatten 1 13 und der Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 liegen aneinander an. Die Darstellung in Figur 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 1 13 und einer Membran-Elektroden-Einheit 1 14, wenige mm, wobei die Membran- Elektroden-Einheit 1 14 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der
Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
Figur 2 zeigt eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 1 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht auf die Bipolarplatte 1 . Gezeigt ist ein Verteilerbereich 2 und der daran angrenzende aktive Bereich 6 der Bipolarplatte 1 .Der
Verteilerbereich 2 ist breiter ausgebildet als der aktive Bereich 6. Er weist drei
Betriebsmittelhauptports, nämlich einen Kathodengashauptport 4, einen Kühlmittelhauptport 5 und einen Anodengashauptport 3 auf. Diese sind derart angeordnet, dass der
Kathodengashauptport 4 und der Kühlmittelhauptport 5 entlang einer Seitenkante der
Bipolarplatte 1 benachbart zueinander positioniert sind. Ferner ist der Kathodengashauptport 4 in Verlängerung zum aktiven Bereich 6, also mit diesem fluchtend, angeordnet. Der
Anodengashauptport 3, welcher zum Kühlmittelhauptport 5 benachbart ist, liegt hingegen au ßerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs 6. Somit zeigt die Bipolarplatte 1 in dem gezeigten Ausschnitt eine L-Form.
Ausgehend von den Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 führen Strömungskanäle 31 , 41 und 51 über den Verteilerbereich 2 in den aktiven Bereich 6. Dabei überlagern sich zumindest zwei Sorten Strömungskanäle bereichsweise. Es bilden sich ein erster Überschneidungsabschnitt 9 und ein zweiter Überschneidungsabschnitt 10 aus.
Im ersten Überschneidungsabschnitt 9 überlagern sich alle Strömungskanäle 31 , 41 und 51 , wobei Anodenkanäle 31 und Kühlmittelkanäle 51 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und sich mit den Kathodenkanälen 41 in einem Winkel im Bereich von 10 ° bis 45° überschneiden. Das Überschneiden der Strömungskanäle 31 , 41 und 51 erfolgt nicht fluidführend, sodass es nicht zu einer Vermischung oder einem Austausch von Betriebsmedien kommt. Der erste Überschneidungsabschnitt 9 erstreckt sich in gezeigter Ausführungsform über eine Breite, die dem aktiven Bereich 6 entspricht, hinaus und grenzt über eine Grenzlinie 12 an diesen an. Eine weitere Seitenkante 1 1 des ersten Überschneidungsabschnitts 9 bildet eine Verlängerung einer Längskante 13 des aktiven Bereichs 6. In Abhängigkeit von der Ausformung des Kathodenhauptports 4 weist der erste Überschneidungsabschnitt 9 die Form eines, insbesondere rechtwinkligen, Dreiecks auf. Die Kathodenkanäle 41 verlaufen geradlinig über den Verteilerbereich 2 und gehen direkt in die Kathodenkanäle des aktiven Bereichs 6 über.
Der zweite Überschneidungsabschnitt 10 ist seitlich zu dem ersten Überschneidungsabschnitt 9 benachbart angeordnet. Damit liegt er au ßerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs 6. Er ist ebenfalls bevorzugt dreieckig ausgebildet und grenzt mit einer Seitenkante, insbesondere einer Hypotenuse, an die Seitenkante 1 1 des ersten Überschneidungsabschnitts 9 an, die die Verlängerung der Längskante 13 des aktiven Bereichs 6 bildet. An die anderen Seiten des zweiten Überschneidungsabschnitts 10 grenzen der Anodengashauptport 3 und der
Kühlmittelhauptport 5. Der Kühlmittelhauptport 5 liegt dabei bevorzugt benachbart zum
Kathodengashauptport 4, sodass die vom Kühlmittelhauptport 5 ausgehenden Kühlmittelkanäle 51 in einem Winkel zu den Kathodenkanälen 41 auf den ersten Überschneidungsabschnitt 9 treffen und im Wesentlichen die gleiche Strömungsrichtung aufweisen wie die Kathodenkanäle 41 . Sie verlaufen ferner geradlinig über den zweiten Überschneidungsabschnitt 10. Die
Anodenströmungskanäle 31 hingegen treffen ausgehend vom Anodenhauptport 3 in einem Winkel größer Null auf den ersten Überschneidungsabschnitt 9, sodass sie nach ihrem geradlinigen Verlauf über den zweiten Überschneidungsabschnitt 10 eine Strömungsumkehr erfahren, um im ersten Überschneidungsabschnitt 9, bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodengases, im Wesentlichen gleichgerichtet zu den Kathodenkanälen 41 zu verlaufen.
Die Strömungskanäle 31 , 41 und 51 verlaufen in der gezeigten Ausführungsform im aktiven Bereich 6 parallel zueinander und geradlinig. Alternativ können zumindest eine Sorte
Strömungskanäle 31 , 41 und/oder 51 mäanderförmig über den aktiven Bereich laufen.
Vorzugsweise ist ferner die Strömungsrichtung der Fluide in den Strömungskanälen 31 , 41 , und/oder 51 gleichgerichtet, obwohl auch Ausführungsformen gewählt werden können, in denen zwei Sorten, beispielsweise Anodenkanäle 31 und Kathodenkanäle 41 , gegenläufig strömen. Figur 3 zeigt eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Ausschnitt der Bipolarplatte 1 ist ebenfalls in Aufsicht gezeigt und entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Ausführungsform in Figur 2. Der Unterschied der zweiten Ausführungsform im Vergleich zu der in Figur 2 gezeigten besteht in der Anordnung des Anodengashauptports 3 und des Kühlmittelhauptports 5. Diese sind im Vergleich zur ersten Ausführungsform vertauscht. Dies wirkt sich auf die Anordnung und die Strömungsrichtung von Kühlmittelkanälen 51 und Anodenkanälen 31 aus. Während in der ersten Ausführungsform die Anodenkanäle 31 an der Grenze zwischen zweitem und ersten Überschneidungsabschnitt 9, 10 eine Strömungsumkehr erfahren, trifft dies in der in Figur 3 gezeigten Ausführung für die Kühlmittelkanäle zu. Im Gegenzug verlaufen die Anodenkanäle 31 hier geradlinig über den gesamten Verteilerbereich 2.
Da sich im ersten Überschneidungsabschnitt 9 Kathodenkanäle 41 und Anodenkanäle 31 überlagern, ist dieser Bereich bereits für die Brennstoffzellenreaktion geeignet, da hier sowohl ein Brennstoff als auch ein Oxidationsmittel zur Verfügung steht und somit als aktivierbarer Bereich 28 bezeichnet werden kann. Um diese der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen, ist es erforderlich, dass in diesem Bereich eine geeignete Elektrodenoberfläche zur Verfügung steht. Dies kann durch die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 20, wie sie den folgenden Figuren zu entnehmen ist, realisiert werden.
Figur 4A zeigt eine Membran-Elektroden-Einheit 20 nach dem Stand der Technik in Aufsicht auf eine ihrer Flachseiten. Die Membran-Elektroden-Einheit 20 weist die katalytisch beschichtete Membran 21 auf. Im dargestellten Beispiel besitzt die katalytisch beschichtete Membran 21 eine sechseckförmige Kontur. Innerhalb dieser sechseckförmigen Kontur ist ein aktiver Bereich 6 angeordnet, welcher durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Außerhalb des aktiven Bereichs 6 weist die katalytisch beschichtete Membran 21 aktivierbare Bereiche 28 und inaktive Bereiche 25 auf. Der aktive Bereich 6 weist die Form des aktiven Bereichs 6 der Bipolarplatte 1 auf. Je nachdem, ob und wieviel des aktivierbaren Bereichs 28 eine katalytische Beschichtung 22 aufweist, bildet der aktive Bereich 6 und der aktivierbare Bereich 28 gemeinsam den aktivierten Bereich 29. In diesem aktivierten Bereich 29 findet im Einbauzustand der Membran- Elektroden-Einheit 20 in einen Brennstoffzellenstapel 100 die Brennstoffzellenreaktionen an der Anode und Kathode statt und somit die Erzeugung von Elektrizität. Die inaktiven Bereiche 25 dienen hingegen anderen Funktionen, beispielsweise der Zuführung der Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich 6. Idealerweise ist die Polymerelektrolytmembran 21 lediglich im aktiven Bereich 6 mit den katalytische Beschichtungen 22 beschichtet. Die Membran-Elektroden-Einheit 20 umfasst verschiedene Durchgangsöffnungen 3 bis 5, welche der Zu- und Abführung der verschiedenen Betriebsmedien dienen. Diese sind vorzugsweise in einer Schutz- und/oder Stützschicht 26 der Membran angeordnet. So dient ein erster Anodengashauptport 3 der Zuführung des Anodenbetriebsgases zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 und ein gegenüberliegender zweiter Anodengashauptport 3 der Abführung des Anodenbetriebsgases. Desgleichen dient ein erster Kathodengashauptport 4 der Zuführung eines Kathodenbetriebsgases an die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 100 und ein gegenüberliegender zweiter Kathodengashauptport 4 der Abführung des
Kathodenbetriebsgases. Schließlich dient ein erster Kühlmittelhauptport 5 der Zuführung eines Kühlmittels zu den internen Kühlmittelkanälen 51 der Bipolarplatten 1 und ein
gegenüberliegender zweiter Kühlmittelhauptport 5 der Abführung des Kühlmittels 52. Die im Einzelnen nicht dargestellten Bipolarplatten 1 weisen einen im Wesentlichen gleichen Zuschnitt wie die dargestellte Membran-Elektroden-Einheiten 20 auf, insbesondere korrespondierende Ports 3, 4 und 5. Auf diese Weise werden im gestapelten Zustand der Membran-Elektroden- Einheiten 20 und Bipolarplatten 1 Betriebsmittelhauptkanäle ausgebildet, welche den
Brennstoffzellenstapel 100 in seiner Stapelrichtung S (siehe Figur 1 ) durchsetzen. (Diese Betriebsmedienhauptkanäle sind in Figur 1 nicht dargestellt, welche lediglich einen Schnitt durch den aktiven Bereich 6 des Brennstoffzellenstapels zeigt.) Die Anoden- und
Kathodengashauptports 3 bis 4 sind über offene Verteilerkanäle der im Stapel 100
angrenzenden Bipolarplatten 1 mit den entsprechenden Anoden- beziehungsweise
Kathodenkanälen 31 , 41 der Bipolarplatten 1 fluidführend verbunden. Die Kühlmittelhauptports 5 sind mit den internen Kühlmittelkanälen 51 der Bipolarplatten 1 verbunden. Die Ports 3, 4 und 5 und die Anoden- beziehungsweise Kathodenkanäle 31 , 41 des aktiven Bereich 6
verbindenden Verteilerkanalstrukturen verlaufen in den inaktiven Bereichen 25.
Zur mechanischen Abstützung ist die Membran 21 üblicherweise beidseitig von jeweils einer Stützschicht 26 eingefasst, welche die Membran 21 an ihren Randbereichen umschließt.
Optional kann sich die Membran 21 auch über die gesamte Fläche der Membran-Elektroden- Einheit 20 erstrecken und an ihren Randbereichen mit Stützschichten 26 laminiert sein. Ferner sind in Figur 4A Dichtungen 27 erkennbar, welche die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 3, 4 und 5 sowie die katalytisch beschichtete Membran 21 einfassen, um diese nach außen abzudichten. Optional können die Dichtungen 27 statt auf der Membran-Elektroden-Einheit 20 auf den Bipolarplatten 1 oder auf beiden angeordnet sein.
Wie bereits ausgeführt, findet die Brennstoffzellenreaktion lediglich im aktivierten Bereich 29 statt. Es wird daher angestrebt, möglichst nur in diesem Bereich die Katalysatorschichten 22 aufzubringen, da das katalytische Material mit Abstand die teuerste Einzelkomponente des Brennstoffzellenstapels darstellt. Auf der anderen Seite wird angestrebt, den aktiven Bereich 6 möglichst groß und die inaktiven Bereiche 25 möglichst klein zu gestalten, um eine möglichst hohe Energieausbeute zu erzielen beziehungsweise den erforderlichen Bauraum und das Gewicht der Brennstoffzelle zu minimieren. Diesem Bestreben entsprechend resultieren Konturen des aktivierten Bereichs 29, die von der herkömmlichen rechteckigen Kontur (wie in Figur 4A gezeigt) abweichen können und eine unregelmäßige Kontur aufweisen.
Die kostengünstige und zeitsparende Massenherstellung katalytisch beschichteter Membranen 21 mit einem nicht rechteckigen aktiven Bereich ist bisher nur unzufriedenstellend gelöst. Beispielsweise kann die Herstellung durch selektive Beschichtungsverfahren erfolgen, bei denen das katalytische Material ausschließlich auf den aktivierten Bereich 6 eines
Membranmaterials aufgebracht wird, beispielsweise durch selektive Druckverfahren wie Siebdruck oder Offsetdruck. Diese Verfahren sind jedoch durch eine langsame
Produktionsgeschwindigkeit (Siebdruck) oder durch kostenintensive Maschinen (Offsetdruck) gekennzeichnet. Schneller und kosteneffizienter sind auf der anderen Seite kontinuierliche Beschichtungsverfahren, bei denen das katalytische Material unter Erzeugung einer konstanten Beschichtungsbreite auf das Membranmaterial aufgebracht wird.
Figur 4B zeigt eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 20'. Der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 20' entspricht im Wesentlichen der in Figur 4A gezeigten. Der Unterschied besteht in der Form der Membran 21 und der Elektroden.
Vorliegend weist die Membran 21 eine viereckige Form mit zwei parallelen Längsseiten auf. Die Kurzseiten 23 stehen in einem Winkel zu den Längsseiten 24, der von 90° verschieden ist. In Figur 4B weist die Membran die Form eines Parallelogramms auf.
Im Verteilerbereich 2 sind die Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 angeordnet. Dabei liegt der Kathodengashautport 4 fluchtend in Verlängerung des aktiven Bereichs 6. Der
Kühlmittelhauptport 5 und der Anodengashauptport 3 sind im Verteilerbereich 2 seitlich von der Membran 21 angeordnet.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Membran 21 gemäß der in Figur 4B bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Membran 21 weist in Aufsicht eine viereckige Form auf, wobei die Längsseiten 24 parallel zueinander angeordnet sind. Die Endpunkte der Längsseiten 24 sind durch je eine Kurzseite 23 miteinander verbunden. Dabei schließt eine erste Kurzseite 23 mit den beiden Längsseiten 24 einen Winkel α ein und die zweite Kurzseite 23 mit den Längsseiten 24 einen Winkel ß. Zumindest einer der beiden Winkel α und/oder ß ist von 90° verschieden. In der gezeigten Ausführungsform sind zudem die Winkel α und ß gleich groß. Damit sind die beiden Kurzseiten 23 zueinander parallel und die Membran 21 weist die Form eines Parallelogramms auf. Das größtmögliche Rechteck innerhalb der Membran 21 , welches die gleiche Breite wie die Membran 21 aufweist, entspricht dem aktiven Bereich 6 der in den vorigen Figuren gezeigten Bipolarplatten 1 .
Zur Anordnung in einer Membran-Elektroden-Einheit 20' wird beidseits der Membran 21 ein katalytisches Material 22 angeordnet. Dies kann beispielsweise durch katalytische
Beschichtung der Membran 21 oder einer Gasdiffusionslage (nicht gezeigt) erfolgen. Die katalytische Beschichtung 22 wird im aktiven Bereich 6 und erfindungsgemäß zusätzlich im aktivierbaren Bereich 28 und damit vollflächig, mit oder ohne bereichsweise Deaktivierung oder nur bereichsweise erfolgen. Ziel ist es dabei, dass alle Bereiche der späteren Membran- Elektroden-Einheit 20' in den Bereichen eine aktive katalytische Beschichtung 22 aufweisen, in denen Brennstoff und Oxidationsmittel gleichzeitig vorliegen.
Die Figuren 6A und 6B zeigen die Querschnitte einer Membran 21 mit angrenzender katalytischer Beschichtung 22 in zwei Ausführungen. Die Ausführung der Figur 6A zeigt eine partielle katalytische Beschichtung 22, die nur im aktiven Bereich 6 an die Membran angrenzt. Es entstehen inaktive Bereiche 25, die nicht zur Brennstoffzellenreaktion zur Verfügung stehen. Im Gegensatz dazu zeigt Figur 6B eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Membran 21 im Querschnitt, die über die gesamte Fläche eine katalytische Beschichtung 22 aufweist. Die Anordnung dieser Membran 21 in einer Membran-Elektroden-Einheit 20 für eine Bipolarplatte 1 der in den Figuren 2 und 3 beschriebenen Art erhöht die Leistungsdichte der entstehenden Brennstoffzelle, da die Bereiche, in denen die Brennstoffzellenreaktion Energie erzeugt, über den aktiven Bereich 6 hinaus gehen.
Bezugszeichenliste Bipolarplatte
Verteilerbereich
Anodengashauptport
Kathodengashauptport
Kühlmittelhauptgasport
aktiver Bereich
Anodenplatte
Kathodenplatte
erster Überschneidungsabschnitt
zweiter Überschneidungsabschnitt
Seitenkante des ersten Überschneidungsabschnitts Grenzlinie
Längskante des aktiven Bereichs Membran-Elektroden-Einheit
Membran-Elektroden-Einheit nach dem Stand der Technik Membran
katalytische Beschichtung
Kurzseite
Längsseite
inaktiver Bereich
Stützschicht
Dichtung
aktivierbarer Bereich
aktivierter Bereich Anodenkanäle
Kathodenkanäle
Kühlmittelkanäle
Kühlmittel Brennstoffzellenstapel
erste Endplatte 1 12 zweite Endplatte
1 13 Bipolarplatte (Stand der Technik)
1 14 Membran-Elektroden-Einheit
1 15 Dichtungselement
1 16 Spannelement
S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Bipolarplatte (1 ) für eine Brennstoffzelle (100) umfassend eine profilierte Anodenplatte (7) und eine profilierte Kathodenplatte (8), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (6) sowie zwei Verteilerbereiche (2) zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (6), wobei die Verteilerbereiche (2) jeweils
- einen Anodengashauptport (3) zur Zu- und Abführung von Brennstoff,
- einen Kathodengashauptport (4) zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel,
welcher derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle (41 ) zumindest über den Verteilerbereich (2) der Bipolarplatte (1 ) geradlinig verlaufen und eine Strömungsrichtung aufweisen, die einer Hauptströmungsrichtung in den Kathodenkanälen (41 ) im aktiven Bereich (6) entspricht, sowie
einen Kühlmittelhauptport (5) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aufweisen, wobei die Platten (7, 8) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte (1 ) Kanäle (31 , 41 , 51 ) für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports (3, 4, 5) beider Verteilerbereiche (2) verbinden, und wobei die Verteilerbereiche (2) einen ersten Überschneidungsabschnitt (9), in dem Kathodenkanäle (41 ) und Anodenkanäle (31 ) einander nicht fluidverbindend überschneiden, und einen zweiten Überschneidungsabschnitt (10) aufweisen, in dem Anodenkanäle (31 ) und Kühlmittelkanäle (51 ) einander nicht fluidverbindend überschneiden,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelhauptport (5) und der
Anodengashauptport (3) einander benachbart, zu dem Kathodengashauptport (4) benachbart und außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs angeordnet sind.
2. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste
Überschneidungsabschnitt (9) in Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs (6) zu dessen Flucht angeordnet ist.
3. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überschneidungsabschnitt (9) die Form eines, insbesondere rechtwinkligen, Dreiecks aufweist.
4. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überschneidungsabschnitt (9) derart angeordnet ist, dass eine erste Seitenkante (1 1 ) des ersten Überschneidungsabschnitts (9) in Verlängerung zu einer Kante des aktiven Bereichs (6) verläuft.
5. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überschneidungsabschnitt (9) derart angeordnet ist, dass eine zweite Seitenkante (1 1 ) des ersten Überschneidungsabschnitts (9) mit einer Grenzlinie (12) des aktiven Bereichs (6) senkrecht zu dessen Erstreckungsrichtung verläuft.
6. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Überschneidungsabschnitt (10) außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs (6) angeordnet ist.
7. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsrichtung des Anodengases in den Anodenströmungskanälen (31 ) im zweiten Überschneidungsabschnitt (10) in einer dem aktiven Bereich (6)
abgewandten Richtung verläuft.
8. Membran-Elektroden-Einheit (20) umfassend
eine Membran (21 ) aufweisend eine viereckige Form mit zwei parallelen Längsseiten (24) und zwei einander gegenüberliegenden Kurzseiten (23), wobei zumindest ein durch eine Kurzseite (23) und eine dazu benachbarte Längsseite (24)
eingeschlossener Winkel (a) von 90° verschieden ist und
zwei beidseits der Membran (21 ) angeordnete Elektroden,
dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Elektrodenfläche der Membranfläche entspricht.
9. Membran-Elektroden-Einheit (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Innenwinkel des Vierecks der Membran (21 ) von 90° verschieden sind.
10. Brennstoffzelle (100) aufweisend eine Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sowie eine Membran-Elektroden-Einheit (20) nach einem der Ansprüche 8 und 9.
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