WO2017085030A1 - Brennstoffzellenstapel bipolarplatten aufweisend sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2017085030A1
WO2017085030A1 PCT/EP2016/077616 EP2016077616W WO2017085030A1 WO 2017085030 A1 WO2017085030 A1 WO 2017085030A1 EP 2016077616 W EP2016077616 W EP 2016077616W WO 2017085030 A1 WO2017085030 A1 WO 2017085030A1
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channels
gas
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Hannes Scholz
Jan-Philipp Brinkmeier
Daniel Grundei
Christian Schlitzberger
Christian Lucas
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell stack having bipolar plates and fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell stack having bipolar plates, each having two profiled separator plates, each having an active area and two manifold areas, each with two main gas ports for supply and removal of reaction gases from the active area and a main coolant port for supply and removal of coolant from the active region, wherein the separator plates are formed and arranged one above the other, that the respective bipolar plate has separate channels for the reaction gases and the coolant, which are the main gas ports for the reaction gases and the
  • 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 an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case a membrane disposed on both sides of the electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of MEAs arranged in the stack (stack), the electrical powers of which accumulate.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the fuel is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • the electrolyte or the membrane which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, there is a (water-bound or anhydrous) transport of the protons H + from the
  • the fuel cell is formed by a plurality of membrane-electrode units arranged in the stack, so that it is also referred to as a fuel cell stack. Between two membrane-electrode units, a bipolar plate is in each case arranged, which is a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants and a
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies. Furthermore, they ensure a tight separation between anode and cathode space.
  • the bipolar plates are usually constructed of two profiled electrically conductive Separatorplatten, which arranged a structure in the form of either side of the plates
  • the invention is based on the object, a fuel cell stack having bipolar plates and provide a fuel cell system, or in a simple and cost-effective manner, a control of the water balance of the
  • a fuel cell stack bipolar plates each having two profiled separator plates, each having an active area and two Distributor areas each having two main gas ports for supply and removal of reaction gases from the active area and a main coolant port for supply and removal of coolant from the active region, wherein the separator plates are formed and arranged one above the other, that the respective bipolar plate separate channels for the
  • the channels interconnect the main gas ports for the reaction gases and the main coolant port for both manifold regions, the channels for the reaction gases each being bounded by a surface of a separator plate and a surface of a gas diffusion layer.
  • the channels for one of the reaction gases in an inlet region of the active region have an impermeable first separating plate, which divides the channels in the inlet region into two volume regions and extends in the flow direction of the reaction gas, wherein only a volume region of the channels is adjacent to the gas diffusion layer.
  • a second main gas port is arranged adjacent to the first main gas port in a distributor region for supplying the reaction gas to the divided into two volume regions, wherein the gas diffusion layer adjacent volume region is connected to the first main gas port and the volume range, the
  • Gas diffusion layer is not adjacent, is connected to the second main gas port.
  • Main gas ports for a reaction gas preferably air
  • air is supplied, so that the humidified air in contact with the
  • Gas diffusion layer is, has a suitable moisture from the beginning.
  • Claimed is also a fuel cell system having at least one humidifier for at least one reaction gas, wherein advantageously the humidifier or humidifier can be made smaller than usual, since only a subset of the total
  • the separating plate is preferably sealed against the corresponding separator plate and against a membrane-electrode unit (MEA) of which the gas diffusion layer is part, that advantageously the humidified reaction gas remains separated from the dry reaction gas or the humidified air from the dry air, and so on the moisture level set by the humidifier is maintained at the beginning of the active area.
  • the channels for both reaction gases may each be equipped with a separating plate.
  • a second main gas port is also provided for the second reaction gas, so that the volume areas formed by the partition plate are supplied by different main gas ports.
  • the humidifier of the fuel cell system and its interconnection should be adjusted accordingly. If necessary, provide a second humidifier.
  • the inventive design of a fuel cell stack is advantageously suitable for the use of metallic or graphitic bipolar plates.
  • the separation plate extends over not more than half the length of the channels for the reaction gas, since after this route usually sufficient humidification of the reaction gas is given.
  • At least one further impermeable separating plate preferably 2 to 4, particularly preferably 2 to 3 separating plates are arranged in the channels. These have a distance to each other, so that at this point a mixing of the two flow rates of the reaction gas can be carried out to avoid excessive humidification of the reaction gas and excessive depletion of the reactant due to the electrochemical reactions taking place.
  • the degree of moistening can rise again before it is regulated down again by the next gap.
  • the distance between two successive dividing plates should be chosen so that mixing of the two flows can take place. The distance should therefore be a multiple of the channel depth for this reason.
  • a corresponding effect can be achieved in that the following partition plates preferably have a shorter length than the respective preceding partition plate.
  • the at least one partition plate is preferably aligned parallel to the gas diffusion layer.
  • the design of the at least one partition plate for the channels depends on the specific requirements of the particular fuel cell system.
  • the cross sections of the two volume areas may be different. Important is the design goals corresponding execution of the shape and length of the at least one partition plate, taking into account the moisture profile, pressure drops and
  • Reactant consumption (reaction gases). It should be noted that the less volume flow flows in the volume region adjacent to the gas diffusion layer GDL, the shorter the channel section divided by the partition plate has to be.
  • the at least one partition plate may be flat or spatially formed to the
  • volume regions in the desired manner or to dimension. It should be noted that the volume flows should not be too small.
  • the height of the volume region which adjoins the gas diffusion layer is to be as high as possible, since the respective separator plate presses into it to a certain extent, so that the height of the volume region can decrease again.
  • At least one separator plate can also be formed, so that, in cooperation with the design of the at least one separating plate, further possibilities for adjusting the volume flows of the reaction gas or gases (with different flow rates)
  • the channels are predominantly rectilinear in order to prevent unwanted turbulence of the reaction gas, which may be a uniform
  • channels for the transport of a cathode gas it is preferred to design the channels for the transport of a cathode gas according to the invention and to provide a second main gas port.
  • Such a configuration can, as already stated, also advantageous for the channels for the transport of anode gas be.
  • all channels, that is to say for the cathode and anode gas transport, can be designed in this way.
  • the membranes used in the fuel cell stacks according to the invention are polymer electrolyte membranes.
  • the fuel cell stack or the fuel cell system can be used for mobile or stationary applications. In particular, it serves to supply power to an electric motor for driving a vehicle.
  • the subject of the invention is a fuel cell system fuel cell stack according to the invention and having a vehicle with such a system.
  • cathode channels are the same length due to the arrangement according to the invention. This in turn favors a homogeneous one
  • An inventive fuel cell stack or a fuel cell system according to the invention advantageously has an optimized mass flow distribution with a low pressure loss of the operating media, in particular the coolant, over the individual
  • Bipolar plates but also over the entire fuel cell stack.
  • the water balance in the fuel cell stack can advantageously be improved, resulting in an increase in power density, efficiency and service life of the fuel cell.
  • Figure 1 in a schematic plan view of the structure of an inventive
  • Bipolar plate in section and the course of the water content within a channel for a reaction gas
  • FIG. 3 shows a representation of a CFD simulation (computational fluid dynamics) of the relative humidity of the reaction gases in a membrane electrode assembly
  • Figure 4 is a schematic view of an inventive
  • the bipolar plate 10 has two profiled separator plates 12, 14, which together form an active region 16, on the both sides of the distributor regions 18, 20 adjacent, each having two main gas ports 22, 24 for reaction gases and a main gas port 26 for a coolant, over which the active Area 16, the reaction gases and the coolant are fed.
  • a distributor region 18, in which the reaction gases are supplied has a second main gas port 23, which with the same reaction gas as a first
  • Main gas port 22 is charged, but the reaction gas for the first main gas port 22 is humidified and the reaction gas for the second main gas port 23 is not.
  • the bipolar plate 10 separate channels run 28, 30, 32 for the reaction gases and the coolant, which are not shown here in detail.
  • the active region 16 is in turn subdivided into two subregions 34, 36, the channels 28 for one of the reaction gases being provided in a subregion 34 with a separating plate 38 not shown in detail in FIG. 1, this subregion 34 being located in the input region 40 of the corresponding reaction gas, that about the two
  • Main gas ports 22, 23 is supplied in the active area 16 corresponds.
  • the partition plate 38 is against the separator plate 12, 14 with a seal 42, which is shown with a dashed line, and against a membrane-electrode unit (MEA), not shown here, with a seal 44, which is shown by a dotted line, sealed.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through one of the channels 28 according to the invention
  • the humidified reaction gas is introduced into the active region 16 via the first main gas port 22, not shown in FIG. 2, but exclusively into the volume region 58 between the separation plate 38 and the gas diffusion layer 52.
  • the dry reaction gas is introduced into the second main gas port 23, which is likewise not shown here active area 16 introduced, but only in the volume range 60 between the separating plate 38 and the separator plate 12, 14th
  • This embodiment results in a splitting of the curve 56.
  • a partial curve 56a is given, which is assigned to the volume region 58 of the channel 28, into which the humidified reaction gas flows.
  • the other volume region 60 of the channel 28 shows a
  • Volume range 58 at a consistently low level since no moistening by product water 54 occurs here and the reaction gas was introduced dry anyway.
  • FIG. 3 schematically shows the course of the flow or the profile of the relative humidity of the reaction gases within a membrane-electrode unit (MEA) 62 with adjoining channels 28, 30 on the basis of a CFD simulation. The result of this simulation corresponds to the curve 56 from FIG. 2.
  • MEA membrane-electrode unit
  • the humidified reaction gas is introduced via the first main gas port 22 into the active region 16 and enters the volume region 58 between the separating plate 38 and the
  • the initially given relative humidity increases continuously and corresponds to the moisture history in the other layers of the MEA 62.
  • the humidified reaction gas is mixed with the dry reaction gas from the volume area 60.
  • the relative humidity of the gas in contact with the active area 16 decreases.
  • the CFD simulation according to FIG. 3 shows that, despite the admixing of the dry or unhumidified reaction gas, the relative humidity in the active region 16 (that is to say in the layers of the MEA 62) remains at a high level, which ensures high conversion efficiency the reaction gases is necessary.
  • FIG. 4 schematically shows a section 64 for a reaction gas in one
  • Fuel cell system 66 The reaction gas is divided by means of a bypass valve 68 into two volume flows, wherein a volume flow of the reaction gas first one
  • Humidifier 70 is supplied and moistened there.
  • the separated volume flow is supplied without moistening the second main gas port 23, so that both volume flows separated from each other by the partition plate 38 into the active area 16 pass.
  • the reaction gas exiting after passing through the active region 16 from the main gas port 22 of the distributor region 20 for the removal of the reaction gases is in turn supplied to the humidifier 70 in order to carry out a moisture exchange. Subsequently, the reaction gas is supplied to the exhaust gas.
  • the above-described supply and removal of the reaction gases via an unspecified pipe system. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • MEA Membrane Electrode Unit
  • the fuel cell system The fuel cell system

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten (10) aufweisend, die jeweils zwei Separatorplatten (12, 14) besitzen mit einem aktiven Bereich (16) sowie zwei Verteilerbereichen (18, 20) mit Hauptgasports (22, 24) sowie einen Kühlmittelhauptport (26), wobei die Separatorplatten (12, 14) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte (10) separate Kanäle (28, 30, 32) für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche die Hauptgasports (22, 24) für die Reaktionsgase und den Kühlmittelhauptport (26) beider Verteilerbereiche (18, 20) miteinander verbinden. Es ist vorgesehen, dass die Kanäle (28) für ein Reaktionsgas in einem Eintrittsbereich (40) des aktiven Bereichs (16) eine undurchlässige erste Trennplatte (38) aufweisen, die die Kanäle (28) in zwei Volumenbereiche (58, 60) teilt, und dass zur Zuführung des Reaktionsgases neben dem ersten Hauptgasport (22) in einem Verteilerbereich (18) ein zweiter Hauptgasport (23) vorgesehen ist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Brennstoffzellensystem einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweisend.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend sowie Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend, die jeweils zwei profilierte Separatorplatten besitzen, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche mit jeweils zwei Hauptgasports zur Zu- und Abführung von Reaktionsgasen aus dem aktiven Bereich sowie einem Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aus dem aktiven Bereich, wobei die Separatorplatten derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte separate Kanäle für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche die Hauptgasports für die Reaktionsgase und den
Kühlmittelhauptport beider Verteilerbereiche miteinander verbinden, wobei die Kanäle für die Reaktionsgase jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht begrenzt werden, sowie ein Brennstoffzellensystem.
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 ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (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 von 02 zu Wasser H20 unter Aufnahme der Protonen und der Elektronen stattfindet. Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Membran-Elektroden- Einheiten gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer
Kühlflüssigkeit, sicherstellt. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. Des Weiteren gewährleisten sie eine dichte Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum.
Die Bipolarplatten sind zumeist aus zwei profilierten elektrisch leitfähigen Separatorplatten aufgebaut, welche eine Struktur in Form eines beiderseits der Platten angeordneten
Höhenprofils aufweisen. Durch dieses Profil ergeben sich beiderseits der Platten mehr oder weniger diskrete Kanäle, die ausgebildet sind, die Betriebsmedien zu führen. Die
Betriebsmedien sind wiederum durch die Platten voneinander getrennt, sodass im Inneren der Platte das Kühlmittel geführt wird, während au ßerhalb die Reaktionsgase geführt werden. Die Kanäle der Reaktionsgase sind zum einen von der jeweiligen Platte und zum anderen von einer Gasdiffusionsschicht begrenzt.
Zur Steuerung des Wasserhaushaltes hinsichtlich der Reaktionsgase in den Bipolarplatten zur Erhöhung von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Lebensdauer der Brennstoffzelle ist unter anderem in der WO 2012/143781 A1 und US 20090197134 A1 vorgeschlagen worden, in den Kanal für das zu befeuchtende Reaktionsgas eine Vielzahl von Metallstreifen aus Titan einzubringen, was jedoch teuer und auch aufwendig in der Herstellung ist, da diese schwer zu fixieren und zu positionieren sind, beziehungsweise eine gelochte Metallplatte in den Kanal einzubringen, was ebenfalls teuer und aufwendig in der Herstellung ist. Zudem lassen sich diese Lösungen nicht in Kombination mit graphitischen Bipolarplatten anwenden.
Bekannt ist es zudem aus dem Stand der Technik, ein Reaktionsgas mittels eines Befeuchters bereits au ßerhalb eines Brennstoffzellenstapels auf eine definierte Feuchte zu bringen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend sowie ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, der beziehungsweise das in einfacher und kostengünstiger Weise eine Steuerung des Wasserhaushaltes der
Reaktionsgase ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend gelöst, die jeweils zwei profilierte Separatorplatten besitzen, die jeweils einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche mit jeweils zwei Hauptgasports zur Zu- und Abführung von Reaktionsgasen aus dem aktiven Bereich sowie einem Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aus dem aktiven Bereich aufweisen, wobei die Separatorplatten derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte separate Kanäle für die
Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist. Die Kanäle verbinden die Hauptgasports für die Reaktionsgase und den Kühlmittelhauptport beide Verteilerbereiche miteinander, wobei die Kanäle für die Reaktionsgase jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht begrenzt werden. Erfindungsgemäß weisen die Kanäle für eins der Reaktionsgase in einem Eintrittsbereich des aktiven Bereichs eine undurchlässige erste Trennplatte auf, die die Kanäle im Eintrittsbereich jeweils in zwei Volumenbereiche teilt und sich in Strömungsrichtung des Reaktionsgases erstreckt, wobei nur ein Volumenbereich der Kanäle der Gasdiffusionsschicht benachbart ist. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Zuführung des Reaktionsgases zu den in zwei Volumenbereiche unterteilten Kanälen neben dem ersten Hauptgasport in einem Verteilerbereich ein zweiter Hauptgasport angeordnet ist, wobei der der Gasdiffusionsschicht benachbarte Volumenbereich mit dem ersten Hauptgasport verbunden ist und der Volumenbereich, der der
Gasdiffusionsschicht nicht benachbart ist, mit dem zweiten Hauptgasport verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des einen Verteilerbereichs mit zwei
Hauptgasports für ein Reaktionsgas, vorzugsweise Luft, ist es vorteilhafter Weise möglich, dem der Gasdiffusionsschicht benachbarten Volumenbereich bereits befeuchtete Luft zuzuführen, während über den anderen Hauptgasport trockenes, unbefeuchtetes Reaktionsgas,
vorzugsweise Luft zugeführt wird, sodass die befeuchtete Luft, die im Kontakt zur
Gasdiffusionsschicht steht, von Anfang an eine geeignete Feuchte aufweist.
Beansprucht wird zudem ein Brennstoffzellensystem, das zumindest einen Befeuchter für zumindest ein Reaktionsgas aufweist, wobei vorteilhafter Weise der oder die Befeuchter kleiner als üblich ausgelegt werden können, da lediglich nur eine Teilmenge des insgesamt
eingesetzten Reaktionsgases befeuchtet werden muss.
Die Trennplatte ist vorzugsweise derart gegen die entsprechende Separatorplatte und gegen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA), deren Bestandteil die Gasdiffusionsschicht ist, gedichtet, dass vorteilhafter Weise das befeuchtete Reaktionsgas vom trockenen Reaktionsgas beziehungsweise die befeuchtete Luft von der trockenen Luft getrennt bleibt und so der mittels des Befeuchters eingestellte Feuchtigkeitsgrad am Anfang des aktiven Bereichs erhalten bleibt. Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Kanäle für beide Reaktionsgase jeweils mit einer Trennplatte ausgerüstet sein. Diese unterscheiden sich vorzugsweise, da durch die unterschiedlichen Reaktionsgase sich auch unterschiedliche Anforderungen an deren
Ausgestaltung ergeben. Dementsprechend ist für das zweite Reaktionsgas ebenfalls ein zweiter Hauptgasport vorgesehen, sodass die durch die Trennplatte gebildeten Volumenbereiche von unterschiedlichen Hauptgasports versorgt werden. Der Befeuchter des Brennstoffzellensystems und dessen Verschaltung ist dementsprechend anzupassen. Gegebenenfalls ist ein zweiter Befeuchter vorzusehen.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird vorteilhafter Weise erreicht, dass aufgrund der undurchlässigen Trennplatte das durch die Gasdiffusionsschicht hindurchtretende Wasser nur den Teil des Reaktionsgases befeuchtet, der bereits über eine gewünschte Feuchtigkeit verfügt. Dieser Teil befindet sich naturgemäß in dem Bereich des Kanals, der an die
Gasdiffusionsschicht angrenzt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brennstoffzellenstapels eignet sich vorteilhafter Weise für den Einsatz von metallischen oder graphitischen Bipolarplatten.
Vorzugsweise erstreckt sich die Trennplatte über nicht mehr als die Hälfte der Länge der Kanäle für das Reaktionsgas, da nach dieser Strecke üblicherweise eine ausreichende Befeuchtung des Reaktionsgases gegeben ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind in den Kanälen zumindest eine weitere undurchlässige Trennplatte, vorzugsweise 2 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 Trennplatten angeordnet. Diese weisen zueinander jeweils einen Abstand auf, sodass an dieser Stelle eine Durchmischung der beiden Volumenströme des Reaktionsgases erfolgen kann, um eine zu starke Befeuchtung des Reaktionsgases sowie eine zu starke Verarmung des Reaktanden aufgrund der stattfindenden elektrochemischen Reaktionen zu vermeiden. Nach dem Abstand beziehungsweise der Lücke zwischen zwei Trennplatten kann der Befeuchtungsgrad wieder ansteigen, bevor er durch die nächste Lücke wieder heruntergeregelt wird. So kann über die gesamte Länge der Kanäle eine relativ gleichmäßige Befeuchtung erzielt werden. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Trennplatten ist so zu wählen, dass eine Vermischung beider Volumenströme stattfinden kann. Der Abstand sollte aus diesem Grund ein Vielfaches der Kanaltiefe betragen. Ein entsprechender Effekt kann dadurch erzielt werden, dass die folgenden Trennplatten vorzugsweise eine geringere Länge aufweisen als die jeweils vorhergehende Trennplatte.
Um keine Druckdifferenzen im Kanal hervorzurufen, ist die zumindest eine Trennplatte vorzugsweise parallel zur Gasdiffusionsschicht ausgerichtet.
Die Ausgestaltung der zumindest einen Trennplatte für die Kanäle hängt von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Brennstoffzellensystems ab.
Die Querschnitte der beiden Volumenbereiche können verschieden sein. Wichtig ist eine den Auslegungszielen entsprechende Ausführung der Form und Länge der zumindest einen Trennplatte unter Berücksichtigung von Feuchteverlauf, Druckverlusten und
Reaktandenverbrauch (Reaktionsgase). Dabei ist zu beachten, dass je weniger Volumenstrom in dem zur Gasdiffusionsschicht GDL benachbarten Volumenbereich fließt, desto kürzer muss der durch die Trennplatte geteilte Kanalabschnitt sein.
So kann die zumindest eine Trennplatte plan oder räumlich ausgeformt sein, um die
Volumenbereiche in gewünschter Weise zu gestalten beziehungsweise zu dimensionieren. Zu beachten ist dabei, dass die Volumenströme nicht zu klein ausgebildet werden sollten. Zudem ist die Höhe des Volumenbereiches, der an die Gasdiffusionsschicht angrenzt, möglichst hoch zu bemessen, da sich die jeweilige Separatorplatte bis zu einem gewissen Grad in diese eindrückt, sodass sich die Höhe des Volumenbereiches wieder verringern kann.
Entsprechend kann auch zumindest eine Separatorplatte ausgeformt werden, sodass sich im Zusammenwirken mit der Ausgestaltung der zumindest einen Trennplatte weitere Möglichkeiten zur Einstellung der Volumenströme des oder der Reaktionsgase (mit unterschiedlichem
Wassergehalt) und eines Kühlmittels ergeben.
Zudem wird es bevorzugt, dass die Kanäle vorwiegend geradlinig verlaufen, um unerwünschte Verwirbelungen des Reaktionsgases zu unterbinden, die eventuell eine gleichmäßige
Befeuchtung beeinträchtigen könnten.
Bevorzugt ist es, die Kanäle für den Transport eines Kathodengases erfindungsgemäß auszugestalten und einen zweiten Hauptgasport vorzusehen. Eine derartige Ausgestaltung kann, wie bereits ausgeführt, auch für die Kanäle für den Transport von Anodengas vorteilhaft sein. Auch können erfindungsgemäß alle Kanäle, das heißt für den Kathoden- und Anodengastransport, derart beschaffen sein.
Vorzugsweise handelt es sich bei den in den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln verwendeten Membranen um Polymerelektrolytmembranen.
Der Brennstoffzellenstapel beziehungsweise das Brennstoffzellensystem kann für mobile oder stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere dient sie der Stromversorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Fahrzeugs. Somit ist auch Gegenstand der Erfindung ein Brennstoffzellensystem erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel aufweisend sowie ein Fahrzeug mit einem solchen System.
Eine Bipolarplatte des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels hat insbesondere 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 sind aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung alle Kathodenkanäle gleich lang. Dies begünstigt wiederum eine homogene
Verteilung des Drucks und Volumenstroms von Reaktionsgasen.
Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist mit Vorteil eine optimierte Massenstromverteilung mit niedrigem Druckverlust der Betriebsmedien, insbesondere des Kühlmittels, über die einzelnen
Bipolarplatten aber auch über den gesamten Brennstoffzellenstapel auf. Zudem lässt sich vorteilhafter Weise der Wasserhaushalt im Brennstoffzellenstapel verbessern, sodass sich eine Erhöhung von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Lebensdauer der Brennstoffzelle ergibt.
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 in einer schematischen Aufsicht den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Bipolarplatte,
Figur 2 in schematischen Ansichten den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Bipolarplatte im Schnitt und den Verlauf des Wasseranteils innerhalb eines Kanals für ein Reaktionsgas,
Figur 3 eine Darstellung einer CFD-Simulation (computational fluid dynamics) der relativen Feuchte der Reaktionsgase in einer Membran-Elektroden-Einheit, und
Figur 4 in einer schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßes
Brennstoffzellensystem.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete Bipolarplatte 10 für einen
erfindungsgemäßen, nicht gezeigten Brennstoffzellenstapel dargestellt.
Die Bipolarplatte 10 weist zwei profilierte Separatorplatten 12, 14 auf, die gemeinsam einen aktiven Bereich 16 ausbilden, an den beidseitig Verteilerbereiche 18, 20 angrenzen, die jeweils zwei Hauptgasports 22, 24 für Reaktionsgase und einen Hauptgasport 26 für ein Kühlmittel aufweisen, worüber dem aktiven Bereich 16 die Reaktionsgase und das Kühlmittel zugeleitet werden. Zudem weist ein Verteilerbereich 18, in dem die Reaktionsgase zugeführt werden, einen zweiten Hauptgasport 23 auf, der mit demselben Reaktionsgas wie ein erster
Hauptgasport 22 beschickt wird, jedoch ist das Reaktionsgas für den ersten Hauptgasport 22 befeuchtet und das Reaktionsgas für den zweiten Hauptgasport 23 nicht. In der Bipolarplatte 10 verlaufen separate Kanäle 28, 30, 32 für die Reaktionsgase und das Kühlmittel, die hier nicht eingehend dargestellt sind. Der aktive Bereich 16 ist wiederum in zwei Teilbereiche 34, 36 gegliedert, wobei in einem Teilbereich 34 die Kanäle 28 für eins der Reaktionsgase mit einer in Figur 1 nicht detailliert dargestellten Trennplatte 38 versehen sind, wobei dieser Teilbereich 34 dem Eingangsbereich 40 des entsprechenden Reaktionsgases, das über die zwei
Hauptgasports 22, 23 zugeführt wird, in dem aktiven Bereich 16 entspricht.
Die Trennplatte 38 ist gegen die Separatorplatte 12, 14 mit einer Dichtung 42, die mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, und gegen eine hier nicht dargestellte Membran-Elektroden- Einheit (MEA) mit einer Dichtung 44, die durch eine gepunktete Linie dargestellt ist, gedichtet. Zudem verfügt die Separatorplatte 12, 14 für das befeuchtet und unbefeuchtet zugeführte Reaktionsgas über eine weitere Dichtung 46 gegen die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die durch eine durchgezogene Line verkörpert wird.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen der Kanäle 28 der erfindungsgemäß
ausgestalteten Bipolarplatte 10 für ein Reaktionsgas, wobei die Strömungsrichtung 48 durch einen Pfeil angegeben wird. Von einer Seite 50 der Kanäle 28, die, wie nachfolgend noch erläutert wird, an eine Gasdiffusionsschicht 52 grenzt, dringt Produktwasser 54, durch Pfeile symbolisiert, in diesen ein, sodass das Reaktionsgas zusätzlich befeuchtet wird.
Der Wasseranteil im Reaktionsgas (H20/Vol.) wird in einem Diagramm durch eine Kurve 56 in Relation zur Länge I des aktiven Bereichs 16 dargestellt.
Das befeuchtete Reaktionsgas wird über den in Figur 2 nicht dargestellten ersten Hauptgasport 22 in den aktiven Bereich 16 eingeleitet, jedoch ausschließlich in den Volumenbereich 58 zwischen Trennplatte 38 und der Gasdiffusionsschicht 52. Das trockene Reaktionsgas wird über den hier ebenfalls nicht dargestellten zweiten Hauptgasport 23 in den aktiven Bereich 16 eingeleitet, jedoch lediglich in den Volumenbereich 60 zwischen Trennplatte 38 und der Separatorplatte 12, 14.
Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine Aufspaltung der Kurve 56. So ist eine Teilkurve 56a gegeben, die dem Volumenbereich 58 des Kanals 28 zuzuordnen ist, in den das befeuchtete Reaktionsgas einströmt. Der andere Volumenbereich 60 des Kanals 28 zeigt einen
Kurvenverlauf gemäß Teilkurve 56b (gestrichelt gezeichnet).
Während die Teilkurve 56a des Volumenbereichs 58 durch das Eindringen von Produktwasser 54, einen steilen Anstieg, ausgehend von dem durch die Befeuchtung vorgegebenen
Wassergehalt, zeigt, verbleibt der Wassergehalt gemäß Kurve 56b des anderen
Volumenbereichs 58 auf gleichbleibend niedrigem Niveau, da hier keine Befeuchtung durch Produktwasser 54 auftritt und das Reaktionsgas ohnehin trocken eingeleitet wurde.
Sobald das Reaktionsgas der Kanäle 28 die Trennplatte 38 hinter sich lässt, vereinigen sich die Teilkurven 56a und 56b rasch, da sich der Wassergehalt im gesamten Volumen des
Reaktionsgases verteilt. Nachfolgend zeigt die Kurve 48 wieder einen kontinuierlichen Anstieg des Wassergehaltes durch die Aufnahme des Produktwassers 54 in das Reaktionsgas. Figur 3 zeigt schematisch den Strömungsverlauf beziehungsweise den Verlauf der relativen Feuchte der Reaktionsgase innerhalb einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 62 mit angrenzenden Kanälen 28, 30 auf der Basis einer CFD-Simulation. Das Ergebnis dieser Simulation entspricht der Kurve 56 aus Figur 2.
Das befeuchtete Reaktionsgas wird über den ersten Hauptgasport 22 in den aktiven Bereich 16 eingeleitet und gelangt in den Volumenbereich 58 zwischen Trennplatte 38 und der
Gasdiffusionsschicht 52. Die anfänglich gegebene relative Feuchte steigt kontinuierlich an und entspricht dem Feuchtigkeitsverlauf in den anderen Schichten der MEA 62.
Nach dem Ende des Eingangsbereichs 40 mit der Trennplatte 38 erfolgt eine Mischung des befeuchteten Reaktionsgases mit dem trockenen Reaktionsgas aus dem Volumenbereich 60. Dies hat zur Folge, dass die relative Feuchte des Gases im Kontakt zum aktiven Bereich 16 sinkt. Die CFD-Simulation gemäß Figur 3 zeigt, dass trotz der Beimischung des trockenen beziehungsweise unbefeuchteten Reaktionsgases die relative Feuchte in dem aktiven Bereich 16 (das heißt in den Schichten der MEA 62) auf einem hohen Niveau verbleibt, das für einen hohen Wirkungsgrad bei der Umsetzung der Reaktionsgase notwendig ist.
Figur 4 zeigt schematisch eine Strecke 64 für ein Reaktionsgas in einem
Brennstoffzellensystem 66. Es wird das Reaktionsgas mittels eines Bypass-Ventils 68 in zwei Volumenströme aufgeteilt, wobei ein Volumenstrom des Reaktionsgases zuerst einem
Befeuchter 70 zugeführt und dort befeuchtet wird. Anschließend erfolgt eine Einspeisung des befeuchteten Reaktionsgases in den ersten Hauptgasport 22. Parallel dazu wird der abgetrennte Volumenstrom ohne Befeuchtung dem zweiten Hauptgasport 23 zugeleitet, sodass beide Volumenströme voneinander getrennt durch die Trennplatte 38 in den aktiven Bereich 16 gelangen. Das nach Durchströmen des aktiven Bereichs 16 aus dem Hauptgasport 22 des Verteilerbereichs 20 zur Abfuhr der Reaktionsgase austretende Reaktionsgas wird wiederum dem Befeuchter 70 zugeführt, um einen Feuchtigkeitsaustausch vorzunehmen. Anschließend wird das Reaktionsgas dem Abgas zugeführt. Die vorab beschriebene Zu- und Abfuhr der Reaktionsgase erfolgt über ein nicht näher bezeichnetes Leitungssystem. Bezugszeichenliste
Bipolarplatte
, 14 Separatorplatten
aktiver Bereich
, 20 Verteilerbereiche
, 23 Hauptgasports für ein Reaktionsgas, befeuchtet und unbefeuchtet
Hauptgasports für ein Reaktionsgas
Hauptgasport für Kühlmittel
, 30,32 Kanäle für Betriebsmedien
, 3 6 Teilbereiche
Trennplatte
Eingangsbereich
, 44, 46 Dichtung
Strömungsrichtung
Seite
Gasdiffusionsschicht
Produktwasser
Kurve
, 60 Volumenbereich
Membran-Elektroden-Einheit (MEA)
Strecke
Brennstoffzellensystem
Bypass-Ventil 68
Befeuchter
Länge

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten (10) aufweisend, die jeweils zwei profilierte
Separatorplatten (12, 14) besitzen, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (16) sowie zwei Verteilerbereiche (18, 20) mit jeweils zwei Hauptgasports (22, 24) zur Zu- und
Abführung von Reaktionsgasen aus dem aktiven Bereich (16) sowie einem
Kühlmittelhauptport (26) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aus dem aktiven Bereich (16), wobei die Separatorplatten (12, 14) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte (10) separate Kanäle (28, 30, 32) für die
Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche die Hauptgasports (22, 24) für die Reaktionsgase und den Kühlmittelhauptport (26) beider Verteilerbereiche (18, 20) miteinander verbinden, wobei die Kanäle (28, 30) für die Reaktionsgase im aktiven Bereich jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte (12, 14) und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht (52) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (28) für ein Reaktionsgas in einem Eintrittsbereich (40) des aktiven Bereichs (16) eine undurchlässige erste Trennplatte (38) aufweisen, die die Kanäle (28) jeweils in zwei Volumenbereiche (58, 60) teilt und sich in Strömungsrichtung (48) erstreckt, wobei nur ein Volumenbereich (58) der Kanäle (28) der Gasdiffusionsschicht (52) benachbart ist, und dass zur Zuführung des Reaktionsgases zu den in zwei Volumenbereiche (58, 60) unterteilten Kanälen (28) neben dem ersten Hauptgasport (22) in einem Verteilerbereich (18) ein zweiter Hauptgasport (23) vorgesehen ist, wobei der der Gasdiffusionsschicht (52) benachbarte Volumenbereich (58) mit dem ersten Hauptgasport (22) verbunden ist und der Volumenbereich (60), der der Gasdiffusionsschicht (52) nicht benachbart ist, mit dem zweiten Hauptgasport (23) verbunden ist.
2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanälen (28) stromab der ersten Trennplatte (38) eine oder mehrere weitere undurchlässige
Trennplatte(n), vorzugsweise zwei oder drei, besonders bevorzugt drei Trennplatten (54) angeordnet ist oder sind, wobei alle Trennplatten (38) voneinander beabstandet angeordnet sind.
3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Eingangsbereich (40) der Kanäle (28) jede nach der ersten Trennplatte (38) folgende Trennplatte eine geringere Länge aufweist als die jeweils vorhergehende Trennplatte (38).
4. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (38) oder die Trennplatten (38) parallel zur Gasdiffusionsschicht (52) verlaufen.
5. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Trennplatte (38) oder die Trennplatten gegebenen Bereiche (58, 60) ausgebildet sind, einen gleichen Volumenstrom an Reaktionsgas zuzulassen.
6. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20, 30, 32) geradlinig verlaufen.
7. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (28,30) für beide Reaktionsgase in einem Eintrittsbereich (40) des aktiven Bereichs (16) eine undurchlässige erste Trennplatte (38) aufweisen, die die Kanäle (28, 30) jeweils in zwei Volumenbereiche (58, 60) teilt und sich in Strömungsrichtung (48) erstreckt, wobei nur ein Volumenbereich (58) der Kanäle (28, 30) der Gasdiffusionsschicht (52) benachbart ist, und dass zur Zuführung der beiden Reaktionsgase zu den in zwei
Volumenbereiche (58, 60) unterteilten Kanälen (28, 30) neben dem ersten Hauptgasport (22, 24) in einem Verteilerbereich (18, 20) ein zweiter Hauptgasport (23) vorgesehen ist, wobei der der Gasdiffusionsschicht (52) benachbarte Volumenbereich (58) mit dem ersten Hauptgasport (22, 24) verbunden ist und der Volumenbereich (60), der der
Gasdiffusionsschicht (52) nicht benachbart ist, mit dem zweiten Hauptgasport (23) verbunden ist.
8. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel Polymerelektrolytmembranen (60) aufweist.
9. Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 8
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Brennstoffzellensystem zumindest einen Befeuchter (70) aufweist, der zum Befeuchten eines Teils von zumindest einem Reaktionsgas eingerichtet ist.
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