WO2017220552A1 - Bipolarplatte mit variabler breite der reaktionsgaskanäle im eintrittsbereich des aktiven bereichs, brennstoffzellenstapel und brennstoffzellensystem mit solchen bipolarplatten sowie fahrzeug - Google Patents

Bipolarplatte mit variabler breite der reaktionsgaskanäle im eintrittsbereich des aktiven bereichs, brennstoffzellenstapel und brennstoffzellensystem mit solchen bipolarplatten sowie fahrzeug Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, the two profiled
  • Separator plates has, each having an active area and two manifold areas for supply and discharge of reaction gases and coolants to or from the active area, the separator plates are formed such that the bipolar plate has separate channels for the reaction gases and the coolant, which ports for
  • Reaction gases and coolant both distribution areas connect together and each formed as an open channel-like channel structures, the two profiled
  • Separator plates are arranged one above the other, that in the adjacent sides through the channel structures coolant channels are formed, a
  • Fuel cell stack a fuel cell system and a vehicle.
  • 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 an electrode arranged on both sides of the membrane (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • 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, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment.
  • the electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
  • the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of 0 2 to O 2 " taking the Electrons take place.
  • these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water.
  • 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
  • Operating media are in turn separated by the plates so that inside the plate the coolant is passed while outside the reactant gases are conducted.
  • the channels of the reactant gases are limited on the one hand by the respective plate and on the other by a gas diffusion layer.
  • a bipolar plate is known from DE 10 2008 033 21 1 A1, in which the width of the channels of a reaction gas and the webs lying therebetween is continuously varied.
  • the invention is based on the object, a bipolar plate and a
  • a bipolar plate for a fuel cell which has two profiled separator plates, each having an active region and two distributor regions for the supply and discharge of reaction gases and coolants
  • the bipolar plate according to the invention is characterized by the following configurations of the channel structures:
  • the channels for a reaction gas or both reaction gases have a smaller width in an inlet region of the active region than in the remaining partial region of the active region, the width of the channels increasing continuously from the beginning to the end of the inlet region.
  • channel width and land width represents a channel land unit and is also referred to as a "channel pitch”.
  • the width of the reaction gas channels in the region of the gas inlet is reduced in the active area, as it is provided in the other active area and thus increased the width of the webs between the reaction gas channels, so that the reaction gases and the product water in less Extent through the GDL diffuse, and thus sets a higher humidity difference between the membrane and reaction gas channels.
  • the inlet region occupies 5 to 30%, preferably 10 to 25% and particularly preferably 20% of the active region, so that the membrane is already sufficiently moistened at the beginning of the active region and at the same time an excessive moistening in the further course of the active Area is avoided.
  • the width of the channels or of the webs can be adjusted from the beginning to the end of the
  • Entry area continuously or discontinuously be designed increasingly.
  • the channel width in the entry region is smaller than in the remaining active region, but constant, and that the channels widen only upon entry into the remaining region of the active region.
  • a short transition region can be provided, which avoids a step in the channels.
  • bipolar plate can be implemented advantageously in metallic or graphitic bipolar plates.
  • the invention can be preferably used to control the humidification of the cathode gas, but it is also suitable for the control of the humidity of the anode gas. Likewise, both reaction gases can simultaneously by a
  • Embodiment of the inlet region of the bipolar plate with respect to the humidification can be influenced.
  • Velocity distribution in the anode and cathode gas channels optimized in the active region of the bipolar plate means that as far as possible over the entire active area uniform pressure conditions, uniform humidification of Reactants and the membrane and same flow rates are present.
  • the performance and service life of the fuel cell stack are advantageously increased thereby.
  • the fuel cell stack according to the invention comprises a stack alternately
  • Another aspect of the invention relates to a fuel cell system comprising fuel cell stacks according to the invention and a vehicle having at least one
  • the vehicle is preferably an electric vehicle, in which an electrical energy generated by the fuel cell system of the supply of an electric traction motor and / or a
  • FIG. 2 shows in a diagram the profiles of the relative humidity of a membrane and in the reaction gas channel along the active region of the bipolar plate in comparison with the minimum moisture content of the membrane
  • FIG. 3 shows a schematic view of the structure according to the invention
  • FIG. 4 shows in a diagram a web-channel ratio of the bipolar plate according to FIG. 3 in relation to the active region
  • FIG. 5 shows in a diagram the profiles of the relative humidity of a membrane and in the reaction gas channel along the active region of the bipolar plate according to FIG. 3 in comparison with the minimum moisture content of the membrane
  • Figure 6 is a schematic sectional view of the structure of a metallic
  • FIG. 7 shows in schematic sectional views A-A and B-B of the bipolar plate according to FIG. 3 the structure of a metallic embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic view of the structure according to the invention.
  • FIG. 10 shows in a diagram a web-channel ratio of the bipolar plate according to FIG. 9 in relation to the active region
  • Figure 1 1 is a graph showing the profiles of the relative humidity of a membrane and in the reaction gas channel along the active region of the bipolar plate according to Figure 9 in comparison with the minimum moisture content of the membrane.
  • FIG. 1 shows a bipolar plate 10 according to the prior art.
  • the bipolar plate 10 has two profiled separator plates 12, 14, wherein only one separator plate 12, 14 is visible in the plan view.
  • the separator plates 12, 14 together form an active region 16, on both sides of the manifold areas 18, 20 adjacent, each having two ports 22, 24 for reaction gases and a port 26 for a coolant, over which the active region 16, the reaction gases and the coolant be forwarded and derived from this again.
  • In the bipolar plate 10 separate channels run 28, 30, 32 for the
  • Reaction gases and the coolant which are open groove-like structures, of which only the channels 28 are represented symbolically for a reaction gas by a reinforced line.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through one of the channels 28 for a reaction gas, wherein the flow direction 42 is indicated by an arrow. From one side 44 of the channels 28, which, when the bipolar plate 10 is arranged in a fuel cell stack, not shown, adjacent to a gas diffusion layer, penetrates product water 46 of the cell reaction, symbolized by arrows, in this, so that the reaction gas is moistened.
  • the proportion of water (curve 48a) in the reaction gas and the proportion of water (curve 48b) in the membrane of a fuel cell are shown in a diagram in FIG.
  • the reaction gas enters the active region 16 with an insufficient amount of water, that is, the water content is lower than the required minimum moisture content of the membrane. Accordingly, the actual water content of the membrane at the beginning of the active region 16 is too low for optimum reaction of the reaction gases.
  • the reaction gas continuously absorbs product water 46, so that the water content of reaction gas and membrane above the required minimum moisture increase.
  • Figure 3 is an inventively designed bipolar plate 10 for a
  • the construction of the bipolar plate 10 according to the invention corresponds to that of the bipolar plate 10 according to FIG. 1 with the difference according to the invention that the active region 16 is divided into an inlet region 34 in which the reaction gas flows into the active region 16 and into a remaining partial region 36.
  • the channels 28 for a reaction gas have a smaller width B2 than in the partial region 36, while the webs 54 located between the channels 28 have a greater width B1. This is shown in more detail in FIGS. 5 and 7.
  • the entrance area 34 is optically delimited by a vertical line to the partial area 36, which otherwise has no technical significance. This applies correspondingly to the vertical line in FIG. 9.
  • the ratio of the width B1 of the web 54 to the width B2 of the reaction gas channel 28 is shown in a curve 49.
  • this ratio is, for example, 2: 1 (reference numeral 49a), which falls to 1: 1 (reference numeral 49b) with entry into the remaining portion 36 of the active region 16.
  • FIG. 5 shows, as in FIG. 2, the course of the water content in the reaction gas (curve 48a) and in the membrane (curve 48b) of a fuel cell in a diagram and the permissible one Minimum moisture content (curve 48) of the membrane in relation to the length I of the active region 16.
  • a moisture of the membrane is achieved in the inlet region 34, which is above the required minimum moisture, so that an optimized cell reaction can already occur in the inlet area.
  • the humidity increases until the entry region 34 ends and then drops abruptly to the required minimum moisture content.
  • An extension of the inlet region 34 would result in a further increase in the humidity, but would have a negative effect that the passage of the reaction gas to / through the narrow channels 28 would be hindered.
  • FIG. 8 shows simulation results of the local current-voltage characteristic assuming different channel geometries, ie narrow compared to wide webs 54 or correspondingly narrow or wide channels 28 and with differently set relative humidities in the reaction gas channel 28 (60% vs. 100%).
  • the curves show 100% relative humidity for wide lands 54 (56a), 100% for narrow lands 54 (58a), 60% for wide lands 54 (56b), 60% for narrow lands 54 (58b).
  • the results show that at high humidity narrow webs 54 are advantageous (dashed lines), but at low humidity wide webs 54 can lead to higher power (solid lines). Therefore, the embodiment according to the invention of the active region 16 with wide webs 54 in the entry region 34 and with narrower webs 54 in the remaining subregion 36 of the active region 16 is advantageous.
  • FIG. 9 shows a bipolar plate 10 designed according to the invention after a second one
  • the entry region 34 is designed in such a way that the width B2 of the channel 28 increases continuously from the beginning of the entry region 34 to the remaining subregion 36 and then retains its width B2.
  • the ratio of the width B1 of the web 54 to the width B2 of the reaction gas channel 28 is shown in a curve 49. In the inlet region 34, this ratio is for example 2: 1 and falls continuously (reference numeral 49a) until it enters the remaining portion 36 of the active region 16 to 1: 1 (reference numeral 49b).
  • Figure 1 1 shows the course of the water content in the reaction gas 48a and in the membrane 48b of a fuel cell in a diagram and the minimum permissible moisture of the membrane 48 in relation to the length I of the active region 16.
  • the inlet region 34 is characterized by the
  • inventive design achieves a humidity of the membrane, which over the

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Abstract

Um eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, die zwei profilierte Separatorplatten (12, 14) besitzt, die derart ausgebildet sind, dass die Bipolarplatte (10) separate Kanäle (28, 30, 32) für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, bereitzustellen, bei der die Gaszusammensetzung im aktiven Bereich berücksichtigt wird, wird vorgeschlagen, dass die Kanäle (28,32) für ein Reaktionsgas oder beide Reaktionsgase in einem Eintrittsbereich (34) des aktiven Bereichs (16) eine geringere Breite (B2) aufweisen als im restlichen Teilbereich (36) des aktiven Bereichs (16), wobei ihre Breite (B2) vom Anfang bis Ende des Eintrittsbereichs (34) kontinuierlich zunimmt, während zwischen den Kanälen(28, 32) befindliche Stege (54) eine größere Breite (B1) aufweisen als im restlichen Teilbereich (36) des aktiven Bereichs (16), wobei die Summe der Breite (B2) der Kanäle und der Breite (B1) der Stege (54) konstant ist, und dass die Breite (B2, B1) der Kanäle (28, 32) und der Stege (54) im gesamten restlichen Teilbereich (36) konstant sind. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte mit variabler Breite der Reaktionsgaskanäle im Eintrittsbereich des aktiven
Bereichs, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem
mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die zwei profilierte
Separatorplatten besitzt, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmitteln zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Separatorplatten derart ausgebildet sind, dass die Bipolarplatte separate Kanäle für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports für
Reaktionsgase und Kühlmittel beider Verteilerbereiche miteinander verbinden und die jeweils als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet sind, wobei die zwei profilierten
Separatorplatten derart übereinander angeordnet sind, dass in den aneinander grenzenden Seiten durch die Kanalstrukturen Kühlmittelkanäle ausgeformt sind, einen
Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug.
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 O2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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 außerhalb die Reaktandengase geführt werden. Die Kanäle der Reaktandengase 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.
Weiterhin ist aus der DE 10 2008 033 21 1 A1 eine Bipolarplatte bekannt, bei der die Breite der Kanäle eines Reaktionsgases und der dazwischen liegenden Stege kontinuierlich variiert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte und einen
Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei denen die Gaszusammensetzung und Massenströme in den Reaktionsgaskanälen in Relation zur Länge des aktiven Bereichs berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die zwei profilierte Separatorplatten besitzt, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmitteln zu
beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Separatorplatten derart ausgebildet sind, dass die Bipolarplatte separate Kanäle für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports für Reaktionsgase und Kühlmittel beider Verteilerbereiche miteinander verbinden und die jeweils als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet sind. Die zwei profilierten Separatorplatten sind derart übereinander angeordnet, dass in den aneinandergrenzenden Seiten durch die Kanalstrukturen Kühlmittelkanäle ausgeformt sind. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich durch folgende Ausbildungen der Kanalstrukturen aus:
- Die Kanäle für ein Reaktionsgas oder beide Reaktionsgase weisen in einem Eintrittsbereich des aktiven Bereichs eine geringere Breite auf als im restlichen Teilbereich des aktiven Bereichs, wobei die Breite der Kanäle vom Anfang bis Ende des Eintrittsbereichs kontinuierlich zunimmt.
- Zwischen den Kanälen befindliche Stege weisen in dem Eintrittsbereich eine größere Breite auf als im restlichen Teilbereich des aktiven Bereichs.
- Die Summe der Breite der Kanäle und der Breite der Stege ist konstant.
- Die Breite der Kanäle und die Breite der Stege sind im gesamten restlichen Teilbereich konstant.
Die Summe aus Kanalbreite und Stegbreite stellt eine Kanal-Steg-Einheit dar und wird auch als „Channel pitch" bezeichnet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte findet bei Verwendung derselben in einem Brennstoffzellenstapel im Eintrittsbereich des oder der Reaktionsgase eine erhöhte Befeuchtung der Membran statt, vorteilhafterweise selbst bei geringer Eintrittsfeuchte des Kathodengases.
Um diese optimierte Befeuchtung zu erreichen, wird die Breite der Reaktionsgaskanäle im Bereich des Gaseintritts in den aktiven Bereich herabgesetzt, als es im sonstigen aktiven Bereich vorgesehen ist und somit die Breite der Stege zwischen den Reaktionsgaskanälen heraufgesetzt, sodass die Reaktionsgase und auch das Produktwasser in geringerem Ausmaß durch die GDL diffundieren, und sich somit eine höhere Feuchtedifferenz zwischen Membran und Reaktionsgaskanälen einstellt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der Eintrittsbereich 5 bis 30 %, vorzugsweise 10 bis 25 % und besonders bevorzugt 20% des aktiven Bereichs ein, sodass die Membran bereits am Anfang des aktiven Bereichs ausreichend befeuchtet ist und gleichzeitig eine zu starke Befeuchtung im weiteren Verlauf des aktiven Bereichs vermieden wird.
Um die Befeuchtung auf das jeweilige Brennstoffzellensystem optimal abstimmen zu können kann die Breite der Kanäle beziehungsweise der Stege vom Anfang bis Ende des
Eintrittsbereichs kontinuierlich oder diskontinuierlich zunehmend ausgestaltet sein.
Unter diskontinuierlich ist zu verstehen, dass die Kanalbreite im Eintrittsbereich geringer als im restlichen aktiven Bereich ist, jedoch konstant, und dass die Kanäle sich erst beim Eintritt in den restlichen Bereich des aktiven Bereichs verbreitern. Um Turbulenzen des oder der
Reaktionsgase an dieser Stelle zu vermeiden, kann ein kurzer Übergangsbereich vorgesehen sein, der eine Stufe in den Kanälen vermeidet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte lässt sich vorteilhafterweise bei metallischen oder graphitischen Bipolarplatten umsetzen.
Die Erfindung lässt sich vorzugsweise zur Steuerung der Befeuchtung des Kathodengases einsetzen, es ist jedoch auch für die Steuerung der Feuchtigkeit des Anodengases geeignet. Ebenso können auch beide Reaktionsgase gleichzeitig durch eine erfindungsgemäße
Ausgestaltung des Eintrittsbereichs der Bipolarplatte hinsichtlich der Befeuchtung beeinflusst werden.
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.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte beziehungsweise der Anoden- und Kathodenplatte einer Bipolarplatte werden Druckverteilung, Feuchteverteilung und
Geschwindigkeitsverteilung in den Anoden- und Kathodengaskanälen im aktiven Bereich der Bipolarplatte optimiert. Optimierung bedeutet in diesem Kontext, dass möglichst über den gesamten aktiven Bereich einheitliche Druckverhältnisse, gleichmäßige Befeuchtung der Reaktanten sowie der Membran sowie gleiche Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Zudem werden vorteilhafterweise damit Leistung und Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erhöht.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung umfasst einen Stapel abwechselnd
angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten, die wie voranstehend beschrieben, ausgestaltet sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel aufweisend sowie ein Fahrzeug, das zumindest einen
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer
Traktionsbatterie dient.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematischen Ansichten den Aufbau einer Bipolarplatte nach dem Stand der Technik,
Figur 2 in einem Diagramm die Verläufe der relativen Feuchte einer Membran und im Reaktionsgaskanal entlang des aktiven Bereichs der Bipolarplatte im Vergleich mit der Mindestfeuchte der Membran,
Figur 3 in einer schematischen Ansicht den erfindungsgemäßen Aufbau einer
Bipolarplatte,
Figur 4 in einem Diagramm ein Steg-Kanal-Verhältnis der Bipolarplatte nach Figur 3 in Relation zum aktiven Bereich,
Figur 5 in einem Diagramm die Verläufe der relativen Feuchte einer Membran und im Reaktionsgaskanal entlang des aktiven Bereichs der Bipolarplatte nach Figur 3 im Vergleich mit der Mindestfeuchte der Membran, Figur 6 in einer schematischen geschnittenen Ansicht den Aufbau einer metallischen
Bipolarplatte nach dem Stand der Technik oder einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte im ungeteilten Bereich des Kanals für ein Reaktionsgas,
Figur 7 in schematischen geschnittenen Ansichten A-A und B-B der Bipolarplatte nach Figur 3 den Aufbau einer metallischen Ausführungsform,
Figur 8 in einem Diagramm Strom-Spannungskennlinien für verschiedene
Kanalgeometrien,
Figur 9 in einer schematischen Ansicht den erfindungsgemäßen Aufbau einer
Bipolarplatte nach einer zweiten Ausführungsform,
Figur 10 in einem Diagramm ein Steg-Kanal-Verhältnis der Bipolarplatte nach Figur 9 in Relation zum aktiven Bereich, und
Figur 1 1 in einem Diagramm die Verläufe der relativen Feuchte einer Membran und im Reaktionsgaskanal entlang des aktiven Bereichs der Bipolarplatte nach Figur 9 im Vergleich mit der Mindestfeuchte der Membran.
In Figur 1 ist eine Bipolarplatte 10 nach dem Stand der Technik dargestellt.
Die Bipolarplatte 10 weist zwei profilierte Separatorplatten 12, 14 auf, wobei in der Aufsicht nur eine Separatorplatte 12, 14 sichtbar ist. Die Separatorplatten 12, 14 bilden gemeinsam einen aktiven Bereich 16 aus, an den beidseitig Verteilerbereiche 18, 20 angrenzen, die jeweils zwei Ports 22, 24 für Reaktionsgase und einen Port 26 für ein Kühlmittel aufweisen, worüber dem aktiven Bereich 16 die Reaktionsgase und das Kühlmittel zugeleitet und aus diesem wieder abgeleitet werden. In der Bipolarplatte 10 verlaufen separate Kanäle 28, 30, 32 für die
Reaktionsgase und das Kühlmittel, die offene rinnenartige Strukturen sind, von denen lediglich die Kanäle 28 für ein Reaktionsgas durch eine verstärkte Linie symbolhaft dargestellt sind.
Zudem zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch einen der Kanäle 28 für ein Reaktionsgas, wobei die Strömungsrichtung 42 durch einen Pfeil angegeben wird. Von einer Seite 44 der Kanäle 28, die, wenn die Bipolarplatte 10 in einem nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, an eine Gasdiffusionsschicht grenzt, dringt Produktwasser 46 der Zellreaktion, durch Pfeile symbolisiert, in diesen ein, sodass das Reaktionsgas befeuchtet wird. Der Wasseranteil (Kurve 48a) im Reaktionsgas und der Wasseranteil (Kurve 48b) in der Membran einer Brennstoffzelle werden in einem Diagramm in Figur 2 der erlaubten
Mindestfeuchte (Kurve 48) der Membran in Relation zur Länge I des aktiven Bereichs 16 gegenübergestellt.
Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass bei Brennstoffzellen mit Bipolarplatten 10 nach dem Stand der Technik das Reaktionsgas mit einem zu geringen Wasseranteil in den aktiven Bereich 16 eintritt, das heißt, der Wassergehalt ist niedriger als die erforderliche Mindestfeuchte der Membran. Dementsprechend ist der tatsächliche Wassergehalt der Membran am Anfang des aktiven Bereichs 16 zu gering für eine optimale Umsetzung der Reaktionsgase. Im Verlauf des Durchströmens des aktiven Bereichs 16 nimmt das Reaktionsgas ständig Produktwasser 46 auf, sodass der Wassergehalt von Reaktionsgas und Membran über die erforderliche Mindestfeuchte ansteigen.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete Bipolarplatte 10 für einen
erfindungsgemäßen, hier nicht dargestellten, Brennstoffzellenstapel gezeigt. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 entspricht dem der Bipolarplatte 10 nach Figur 1 mit dem erfindungsgemäßen Unterschied, dass der aktive Bereich 16 in einen Eintrittsbereich 34, in dem das Reaktionsgas in den aktiven Bereich 16 einströmt, und in einen verbleibenden Teilbereich 36 gegliedert ist. Im Eintrittsbereich 34 weisen die Kanäle 28 für ein Reaktionsgas eine geringere Breite B2 auf als im Teilbereich 36, während die zwischen den Kanälen 28 befindlichen Stege 54 eine größere Breite B1 aufweisen. Dies wird in den Figuren 5 und 7 näher dargestellt.
Der Eintrittsbereich 34 ist durch eine vertikale Linie zum Teilbereich 36 optisch abgegrenzt, die ansonsten keine technische Bedeutung besitzt. Dies gilt entsprechend für die vertikale Linie in Figur 9.
Im Diagramm gemäß Figur 4 wird in einer Kurve 49 das Verhältnis der Breite B1 des Steges 54 zur Breite B2 des Reaktionsgaskanals 28 dargestellt. Im Eintrittsbereich 34 beträgt dieses Verhältnis beispielsweise 2:1 (Bezugszeichen 49a), das mit Eintritt in den verbleibenden Teilbereich 36 des aktiven Bereichs 16 auf 1 :1 (Bezugszeichen 49b) fällt.
Figur 5 zeigt, wie Figur 2, den Verlauf des Wasseranteils im Reaktionsgas (Kurve 48a) und in der Membran (Kurve 48b) einer Brennstoffzelle in einem Diagramm sowie die erlaubte Mindestfeuchte (Kurve 48) der Membran in Relation zur Länge I des aktiven Bereichs 16. Im Eintrittsbereich 34 wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Feuchte der Membran erreicht, die über der erforderlichen Mindestfeuchte liegt, sodass bereits im Eintrittsbereich eine optimierte Zellreaktion ablaufen kann. Die Feuchte steigt solange an, bis der Eintrittsbereich 34 endet und sinkt dann abrupt bis zur erforderlichen Mindestfeuchte ab. Eine Verlängerung des Eintrittsbereichs 34 hätte einen weiteren Anstieg der Feuchtigkeit zur Folge, wobei jedoch negativ zum Tragen kommen würde, dass der Durchtritt des Reaktionsgases zu den/durch die schmalen Kanäle 28 behindert würde.
Figuren 6 und 7 zeigen eine Bipolarplatte 10 gemäß Figur 3 in Schnittansichten A-A und B-B, wobei die Schnitte A-A im Eintrittsbereich 34 liegen und die Schnitte B-B im verbleibenden Teilbereich 36 des aktiven Bereichs 16. In diesen Darstellungen grenzen die offenen, rinnenartigen Reaktionsgaskanäle 28, 32 an eine GDL 50, in der eine Membran 52 befindlich ist. Zudem ist in Figur 7, Schnitt A-A eine Breite B1 für den durch den Kanal 30 für das
Kühlmittel ausgebildeten Steg 54 und eine Breite B2 für den Reaktionsgaskanal 28, die zusammen die Breite B3 für eine Kanal-Steg-Einheit ergeben, eingezeichnet.
Figur 8 zeigt Simulationsergebnisse der lokalen Strom-Spannungs-Kennlinie bei Annahme verschiedener Kanalgeometrien, das heißt schmale im Vergleich zu breiten Stegen 54 beziehungsweise entsprechend schmale oder breite Kanäle 28 und bei unterschiedlich eingestellten relativen Feuchten im Reaktionsgaskanal 28 (60% vs. 100%). Die Kurven zeigen 100% relative Feuchte für breite Stege 54 (56a), 100% für schmale Stege 54 (58a), 60% für breite Stege 54 (56b), 60% für schmale Stege 54 (58b). Die Ergebnisse zeigen, dass bei hoher Feuchte zwar schmale Stege 54 vorteilhaft sind (gestrichelte Linien), bei geringer Feuchte jedoch breite Stege 54 zu höherer Leistung führen können (durchgezogene Linien). Daher ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung des aktiven Bereichs 16 mit breiten Stegen 54 im Eintrittsbereich 34 und mit schmaleren Stegen 54 im restlichen Teilbereich 36 des aktiven Bereichs 16 von Vorteil.
In Figur 9 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete Bipolarplatte 10 nach einer zweiten
Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform nach Figur 3 ist der Eintrittsbereich 34 derart ausgestaltet, dass die Breite B2 des Kanals 28 vom Anfang des Eintrittsbereichs 34 bis zum restlichen Teilbereich 36 kontinuierlich zunimmt und dann seine Breite B2 behält. Im Diagramm gemäß Figur 10 wird in einer Kurve 49 das Verhältnis der Breite B1 des Steges 54 zur Breite B2 des Reaktionsgaskanals 28 dargestellt. Im Eintrittsbereich 34 beträgt dieses Verhältnis beispielsweise 2:1 und fällt kontinuierlich (Bezugszeichen 49a) bis zum Eintritt in den verbleibenden Teilbereich 36 des aktiven Bereichs 16 auf 1 :1 (Bezugszeichen 49b).
Figur 1 1 zeigt den Verlauf des Wasseranteils im Reaktionsgas 48a und in der Membran 48b einer Brennstoffzelle in einem Diagramm sowie die erlaubte Mindestfeuchte der Membran 48 in Relation zur Länge I des aktiven Bereichs 16. Im Eintrittsbereich 34 wird durch die
erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Feuchte der Membran erreicht, die über der
erforderlichen Mindestfeuchte liegt, sodass bereits im Eintrittsbereich eine optimierte
Zellreaktion ablaufen kann. Die Feuchtigkeit steigt jedoch nicht soweit, dass der Durchtritt des Reaktionsgases durch die schmalen Kanäle 28 behindert werden würde.
Bezugszeichenliste
10 Bipolarplatte
12, 14 Separatorplatten
16 aktiver Bereich
18, 20 Verteilerbereiche
2, 24 Port für Reaktionsgase
6 Port für Kühlmittel
28, 30,32 Kanäle für Betriebsmedien
34 Eintrittsbereich
36 Teilbereich
42 Strömungsrichtung
44 Seite
46 Produktwasser
48, 48a, 48b Kurve
49 Kanal-Steg-Verhältnis
49a, 49b Kanal-Steg-Verhältnis im Eintrittsbereich und im Teilbereich
50,52 Bereich
54 Steg
56a Kurve breite Stege 100%
58a Kurve schmale Stege 100%
56b Kurve breite Stege 60%
58b Kurve schmale Stege 60%
I Länge
B1 Breite Steg
B2 Breite Kanal
B3 Breite Kanal plus Breite Steg

Claims

K 23064 WO 2017/220552 - 1 1 - PCT/EP2017/065049 Patentansprüche
1. Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, die zwei profilierte Separatorplatten (12, 14) besitzt, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (16) sowie zwei Verteilerbereiche (18, 20) zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmitteln zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (16), wobei die Separatorplatten (12, 14) derart ausgebildet sind, dass die Bipolarplatte (10) separate Kanäle (28, 30, 32) für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports (22, 24, 26) für Reaktionsgase und Kühlmittel beider
Verteilerbereiche (18, 20) miteinander verbinden und die jeweils als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet sind, wobei die zwei profilierten Separatorplatten (12, 14) derart übereinander angeordnet sind, dass in den aneinander grenzenden Seiten (28, 29) durch die Kanalstrukturen Kühlmittelkanäle (30), ausgeformt sind, wobei
- die Kanäle (28,32) für ein Reaktionsgas oder beide Reaktionsgase in einem
Eintrittsbereich (34) des aktiven Bereichs (16) eine geringere Breite (B2) aufweisen als im restlichen Teilbereich (36) des aktiven Bereichs (16), wobei die Breite (B2) der Kanäle (28, 32) vom Anfang bis Ende des Eintrittsbereichs (34) kontinuierlich zunimmt,
- zwischen den Kanälen (28, 32) befindliche Stege (54) in dem Eintrittsbereich (34) eine größere Breite (B1 ) aufweisen als im restlichen Teilbereich (36) des aktiven Bereichs (16),
- die Summe der Breite (B2) der Kanäle und der Breite (B1 ) der Stege (54) konstant ist, und
- die Breite (B2) der Kanäle (28, 32) und die Breite (B1 ) der Stege (54) im gesamten restlichen Teilbereich (36) konstant sind.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (34) 5 - 30 %, vorzugsweise 10 - 25 %, besonders bevorzugt 20% des aktiven Bereichs (16) einnimmt.
3. Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) metallisch oder graphitisch sind
4. Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweisend. K 23064
WO 2017/220552 - - PCT/EP2017/065049
5. Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4 aufweisend.
6. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 aufweist.
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