WO2018233921A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

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WO2018233921A1 PCT/EP2018/061809 EP2018061809W WO2018233921A1 WO 2018233921 A1 WO2018233921 A1 WO 2018233921A1 EP 2018061809 W EP2018061809 W EP 2018061809W WO 2018233921 A1 WO2018233921 A1 WO 2018233921A1
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electrode
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Ulrich Berner
Jan Hendrik OHS
Stefan Schoenbauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell, which comprises at least one membrane electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from each other by a membrane, and at least one bipolar plate.
  • the bipolar plate of the fuel cell comprises a first distribution region for distributing a fuel to the first electrode and a second distribution region for distributing an oxidizing agent to the second electrode.
  • a fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical
  • Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent converts into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) in water (H20), electrical energy and heat are converted.
  • An electrolyzer is an electrochemical energy converter that splits water (H20) into hydrogen (H2) and oxygen (02) by means of electrical energy.
  • proton exchange membrane PEM
  • anion exchange membranes for both fuel cells and electrolyzers.
  • Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged membrane which is permeable to protons, that is to say to hydrogen ions.
  • the oxidizing agent in particular atmospheric oxygen, is spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.
  • Proton exchange membrane fuel cells further include an anode and a cathode.
  • the fuel is supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons with release of electrons.
  • the protons pass through the membrane to the cathode.
  • the emitted electrons are discharged from the fuel cell and flow through an external circuit to the cathode.
  • the oxidizer is supplied to the cathode of the fuel cell and it reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane to the cathode to water. The resulting water is discharged from the fuel cell.
  • the gross reaction is:
  • a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • a plurality of fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack and electrically connected in series.
  • the bipolar plates have, for example, channel-like structures for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes.
  • the channel-like structures also serve to dissipate the water formed during the reaction.
  • the bipolar plates may further include structures for passing a cooling liquid through the fuel cell to dissipate heat.
  • AI is a fuel cell with a
  • each of the two plate halves has a distribution region which is provided for distributing the reaction gases.
  • the bipolar plate has a meandering shape Channel, which is formed for example as a groove. This meandering channel serves to introduce hydrogen or oxygen into the bipolar plate.
  • a fuel cell which comprises at least one membrane-electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from one another by a membrane, and at least one bipolar plate.
  • the fuel cell is constructed in such a way that in each case a bipolar plate connects to the membrane-electrode unit on both sides.
  • the bipolar plate of the fuel cell comprises a first distribution region for distributing a fuel to the first electrode and a second distribution region for distributing an oxidizing agent to the second electrode.
  • a distribution unit is provided in at least one of the distribution areas, which has at least one flat fabric.
  • the flat tissue is deformed in such a way that elevations of the tissue touch one of the electrodes.
  • the tissue is provided in the second distribution region, which serves to distribute the oxidizing agent to the second electrode and to dissipate water formed in the reaction.
  • the tissue may also, alternatively or additionally, be provided in the first distribution area for distributing a fuel to the first electrode.
  • the fabric may also, alternatively or additionally, be provided in a third distribution area for the passage of a coolant.
  • a fabric is to be understood as meaning a structure which is formed from interwoven wires, threads or fibers.
  • the tissue is relatively flat.
  • the fabric extends before deformation according to the invention in a surface, which defines a tissue plane, much farther than in a direction perpendicular to that tissue plane.
  • the tissue is porous and electrically conductive.
  • the fabric is permeable to the oxidizer as well as to the fuel and also to water to be discharged.
  • the tissue makes an electrically conductive connection to the electrode.
  • the tissue can conduct the electrons released in the electrochemical reaction in the fuel cell.
  • the flat fabric of the distribution unit is wave-like deformed, wherein the elevations of the fabric are formed as wave crests.
  • the wave crests are for example rectilinear.
  • the wave crests may also have different forms.
  • the elevations of the tissue extend at right angles to a flow direction of the
  • the elevations of the tissue extend parallel to a flow direction of the
  • the elevations of the fabric extend inclined at an angle to one another
  • the flat fabric has local elevations, which form the elevations of the tissue.
  • the tissue thus extends predominantly in a tissue plane, wherein the Elevations formed from the local elevations from the tissue plane, in particular at right angles, protrude away.
  • the elevations of the tissue formed from the local elevations are frusto-conical or hemispherical in shape. But other designs of the local elevations are conceivable.
  • the tissue of the distribution unit advantageously has at least one metal-containing fiber.
  • the metal-containing fiber ensures the electrical conductivity of the tissue.
  • materials for the metal-containing fiber are, for example, titanium, copper, aluminum, nickel or stainless steel.
  • the tissue of the distribution unit advantageously has at least one carbon-containing fiber.
  • the carbon-containing fiber is particularly resistant to corrosion and additionally increases the required mechanical stability of the fabric.
  • the tissue of the distribution unit advantageously has at least one plastic-containing fiber.
  • the plastic-containing fiber is relatively light compared to fibers of other materials and thus reduces the weight of the fabric. In addition, plastic containing fibers are inexpensive and corrosion resistant.
  • the fabric has at least two different types of fibers.
  • the distribution unit has at least two fabrics which are stacked on top of one another.
  • Elevations of the at least two tissues are arranged offset from each other.
  • the at least two stacked fabrics can be arranged in different orientations.
  • the at least two stacked fabric can be constructed and formed identically. But the at least two stacked tissue can also be formed differently.
  • the at least two stacked fabrics can be made of different materials or have different porosities.
  • Fabrics are extremely open-pored, so they have a high porosity.
  • the tissue can be adapted to the existing conditions and
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel cell stack with a plurality of fuel cells
  • FIG. 2 is a perspective view of a distribution unit according to a first variant
  • FIG. 3 is a perspective view of a distribution unit according to a second variant
  • FIG. 4 is a perspective view of a distribution unit according to a third variant
  • FIG. 5 is a perspective view of a distribution unit according to a fourth variant
  • FIG. 6 shows a section through the distribution unit of Figure 2 according to a first
  • FIG. 7 shows a section through the distribution unit of Figure 2 according to a
  • FIG. 8 shows a section through the distribution unit of Figure 2 according to a third
  • Figure 9 is a perspective view of a distribution unit according to a fifth variant
  • FIG. 10 shows a section through the distribution unit from FIG. 9,
  • FIG. 11 shows a plan view of a distribution unit according to a sixth
  • FIG. 12 shows a section through the distribution unit from FIG. 11
  • FIG. 13 shows a further section through the distribution unit from FIG. 11
  • FIG. 14 shows a further section through the distribution unit from FIG. 11,
  • Figure 15 is a bipolar plate of the fuel cell stack of Figure 1 with the
  • Distribution unit of Figure 2 and FIG. 16 shows a bipolar plate of the fuel cell stack from FIG. 1 with the distribution unit from FIG. 9 and FIG
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 5 with a plurality of fuel cells 2.
  • Each fuel cell 2 has a membrane electrode unit 10 which comprises a first electrode 21, a second electrode 22 and a membrane 18.
  • the two electrodes 21, 22 are arranged on mutually opposite sides of the membrane 18 and thus separated from each other by the membrane 18.
  • the first electrode 21 will also be referred to below as the anode 21 and the second electrode 22 will also be referred to below as the cathode 22.
  • the membrane 18 is formed as a polymer electrolyte membrane.
  • the membrane 18 is permeable to hydrogen ions, ie H + ions.
  • Each fuel cell 2 also has two bipolar plates 40, which connect to the membrane-electrode unit 10 on both sides.
  • each of the bipolar plates 40 may be regarded as belonging to two fuel cells 2 arranged adjacent to one another.
  • the bipolar plates 40 each include a first distribution region 50 for distributing a fuel, which faces the anode 21.
  • Bipolar plates 40 also each include a second distribution region 60 for distributing the oxidizing agent facing the cathode 22.
  • the second distribution area 60 serves at the same time for the derivation of a reaction in the fuel cell 2 originated water.
  • a distribution unit 30 is arranged in the second distribution area 60.
  • the bipolar plates 40 comprise a third distribution region 70 which is located between the first distribution region 50 and the second distribution region
  • the third distribution region 70 serves to pass a coolant through the bipolar plate 40 and thus to cool the fuel cell 2 and the fuel cell stack 5.
  • the first distribution region 50 and the third distribution region 70 are defined by a first
  • Separation plate 75 separated from each other.
  • the second distribution region 60 and the third distribution region 70 are separated from one another by a second separation plate 76.
  • the partition plates 75, 76 of the bipolar plates 40 are formed here as thin metal sheets.
  • the partition plates 75, 76 may also be formed of other material, such as carbon or graphite.
  • fuel is conducted via the first distribution region 50 to the anode 21.
  • oxidant is via the second
  • the fuel in the present case hydrogen, is catalytically submerged at the anode 21
  • FIG. 2 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a first variant.
  • the distribution unit 30 has a flat fabric 80.
  • the flat fabric 80 is wave-shaped and has wave crests, which
  • FIG. 3 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a second variant.
  • the distribution unit 30 has a flat fabric 80.
  • the flat fabric 80 is wave-shaped and has peaks which form bumps 32 of the fabric 80.
  • the elevations 32 are rectilinear and extend parallel to the second flow direction 44 of the oxidizing agent.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a third variant.
  • the distribution unit 30 has a flat fabric 80.
  • the flat fabric 80 is wave-shaped and has wave crests, which
  • the elevations 32 are formed in a straight line and extend at an angle inclined to the second
  • FIG. 5 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a fourth variant.
  • the distribution unit 30 has a flat fabric 80.
  • the flat fabric 80 is wave-shaped and has peaks which form bumps 32 of the fabric 80.
  • the elevations 32 are presently not rectilinear but in the form of serpentine lines, or designed as herringbone or zigzag.
  • the elevations 32 extend substantially parallel to the second flow direction 44 of the
  • Figure 6 shows a section along the section line A-A through the distribution unit 30 of Figure 2 according to a first embodiment.
  • Distribution unit 30 is deformed in the form of a sine function.
  • the elevations 32 are local maxima of the sine function.
  • Figure 7 shows a section along the section line A-A through the distribution unit 30 of Figure 2 according to a second embodiment.
  • Distribution unit 30 is deformed, inter alia, in the form of a rectangular function.
  • the elevations 32 are local maxima of the rectangular function.
  • Advantageous here are flat support points.
  • Figure 8 shows a section along the section line AA through the distribution unit 30 of Figure 2 according to a third embodiment.
  • Distribution unit 30 is deformed in the form of a triangular function or sawtooth function.
  • the elevations 32 are local maxima of the triangular function or sawtooth function.
  • the distribution unit 30 according to the second variant shown in FIG. 3, the distribution unit 30 according to the third variant shown in FIG. 4 and the distribution unit 30 according to the fourth variant shown in FIG. 5 can also have fabrics 80 which correspond to the representations in FIG. 6, FIG 7 or 8 are deformed.
  • FIG. 9 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a fifth variant.
  • the distribution unit 30 has a flat fabric 80.
  • the flat fabric 80 has local elevations that form the bumps 32 of the fabric 80.
  • the elevations 32 of the fabric 80 are formed in the present example, frustoconical.
  • Figure 10 shows a section along the section line B-B through the distribution unit 30 of Figure 9.
  • the frustoconical protrusions 32 of the fabric 80 extend parallel to each other.
  • FIG. 11 shows a plan view of a distribution unit 30 according to a sixth variant.
  • the distribution unit 30 has a flat fabric 80.
  • the flat fabric 80 has local elevations which form the elevations 32 of the
  • the distribution unit 30 comprises a mixture of elevations 32 and straight channels, which preferably extend parallel to the second flow direction 44 of the oxidizing agent.
  • auxiliary lines XI, X2, X4 and X5 are shown in FIG. 11 in addition to the sectional lines C, D and E.
  • FIG. 12 shows a section along the section line DD through the distribution unit 30 from FIG. 11.
  • FIG. 13 shows a section along the section line EE through the distribution unit 30 from FIG. 11.
  • FIG. 14 shows a section along the section line CC through the distribution unit 30 from FIG. 11 ,
  • the fabric 80 of the distribution units 30 shown in Figure 2, Figure 3, Figure 4, Figure 5, Figure 9 and Figure 11 comprises, for example, metal-containing fibers, carbon-containing fibers and plastic-containing fibers. The fibers are woven into a flat structure. The fabric 80 is thus porous and electrically conductive.
  • FIG. 15 shows an enlarged schematic representation of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 from FIG. 1, which is arranged between two membrane electrode assemblies 10.
  • the partition plates 75, 76 are formed as flat thin metal sheets and form between them the third distribution region 70 for the passage of the coolant. Between the first
  • Separation plate 75 and the anode 21 of the adjacent membrane electrode assembly 10 is the first distribution region 50th
  • Distribution area 60 which has a distribution unit 30 shown in Figure 2 according to the first variant.
  • the fabric 80 of the distribution unit 30 is arranged such that the elevations 32 of the fabric 80 touch the cathode 22. Further, the web 80 also contacts the second partition plate 76.
  • FIG. 16 shows an enlarged schematic representation of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 from FIG. 1, which is arranged between two membrane electrode assemblies 10.
  • the partition plates 75, 76 are formed as flat thin metal sheets and form between them the third distribution region 70 for the passage of the coolant. Between the first
  • Separation plate 75 and the anode 21 of the adjacent membrane electrode assembly 10 is the first distribution region 50th
  • Distribution area 60 which has a distribution unit 30 shown in Figure 9 according to the fifth variant.
  • the fabric 80 of the distribution unit 30 is such arranged that the elevations 32 of the fabric 80, the cathode 22 touch. Further, the web 80 also contacts the second partition plate 76.
  • Fuel in the present case hydrogen, passed in a first flow direction 43 in the first distribution region 50.
  • the oxidizing agent in the present case atmospheric oxygen, is conducted in the second flow direction 44 into the second distribution region 60.
  • the first flow direction 43 and the second flow direction 44 run parallel to one another. It is also conceivable that the first flow direction 43 and the second flow direction 44 are opposite or orthogonal to each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind,und mindestens eine Bipolarplatte (40), welche einen ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode (21) und einen zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode (22) umfasst. In mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60)ist eine Verteileinheit (30) vorgesehen,welche mindestens ein flaches Gewebe (80) aufweist, wobei das flache Gewebe (80) derart verformt ist, dass Erhebungen (32) des Gewebes (80) eine der Elektroden (21, 22) berühren.

Description

Beschreibung Titel
Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Die Bipolarplatte der Brennstoffzelle umfasst dabei einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H20) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) spaltet.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Weiterhin bekannt sind Anionen-Austausch- Membranen sowohl für Brennstoffzellen als auch für Elektrolyseure.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
02 + 4H+ + 4e" -> 2H20
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind
Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
Aus der DE 10 2012 221 730 AI ist eine Brennstoffzelle mit einer
gattungsgemäßen Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
Auch aus der DE 10 2014 207 594 AI ist eine Bipolarplatte für eine
Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmig Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Dieser mäanderförmige Kanal dient dabei zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die
Brennstoffzelle. Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt. Die Bipolarplatte der Brennstoffzelle umfasst dabei einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode.
Erfindungsgemäß ist dabei in mindestens einem der Verteilbereiche eine Verteileinheit vorgesehen, welche mindestens ein flaches Gewebe aufweist. Das flache Gewebe ist dabei derart verformt, dass Erhebungen des Gewebes eine der Elektroden berühren. Durch eine derartige Verformung des Gewebes können gezielt Strukturen zur Verteilung der Reaktionsgase in dem Verteilbereich ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist das Gewebe in dem zweiten Verteilbereich vorgesehen, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Das Gewebe kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode vorgesehen sein. Das Gewebe kann auch, alternativ oder zusätzlich, in einem dritten Verteilbereich zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen sein.
Unter einem Gewebe ist im Sinn der vorliegenden Erfindung eine Struktur zu verstehen, welche aus miteinander verwobenen Drähten, Fäden oder Fasern gebildet ist. Das Gewebe ist dabei verhältnismäßig flach ausgebildet. Das Gewebe erstreckt sich vor der erfindungsgemäßen Verformung in einer Fläche, welche eine Gewebeebene definiert, deutlich weiter als in einer Richtung, welche senkrecht zu dieser Gewebeebene steht.
Vorteilhaft ist das Gewebe dabei porös und elektrisch leitfähig ausgebildet. Somit ist das Gewebe für das Oxidationsmittel sowie für den Brennstoff und auch für abzuleitendes Wasser durchlässig. Ferner stellt das Gewebe eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Elektrode her. Somit kann das Gewebe die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freigesetzten Elektronen leiten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das flache Gewebe der Verteileinheit wellenartig verformt, wobei die Erhebungen des Gewebes als Wellenberge ausgebildet sind. Die Wellenberge sind beispielsweise geradlinig ausgebildet. Die Wellenberge können aber auch davon abweichende Formen aufweisen.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Erhebungen des Gewebes rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung des
Brennstoffs oder des Oxidationsmittels in dem entsprechenden Verteilbereich der Bipolarplatte.
Gemäß einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Erhebungen des Gewebes parallel zu einer Strömungsrichtung des
Brennstoffs oder des Oxidationsmittels in dem entsprechenden Verteilbereich der Bipolarplatte.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Erhebungen des Gewebes um einen Winkel geneigt zu einer
Strömungsrichtung des Brennstoffs oder des Oxidationsmittels in dem
entsprechenden Verteilbereich der Bipolarplatte.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das flache Gewebe lokale Elevationen auf, welche die Erhebungen des Gewebes bilden. Das Gewebe erstreckt sich also vorwiegend in einer Gewebeebene, wobei die aus den lokalen Elevationen gebildeten Erhebungen von der Gewebeebene, insbesondere rechtwinklig, weg ragen.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind die aus den lokalen Elevationen gebildeten Erhebungen des Gewebes kegelstumpfförmig oder halbkugelförmig ausgebildet. Aber auch andere Gestaltungen der lokalen Elevationen sind denkbar.
Das Gewebe der Verteileinheit weist vorteilhaft mindestens eine Metall enthaltende Faser auf. Die Metall enthaltende Faser stellt insbesondere die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes sicher. Als mögliche Materialien für die Metall enthaltende Faser eignen sich beispielsweise Titan, Kupfer, Aluminium, Nickel oder Edelstahl. Das Gewebe der Verteileinheit weist vorteilhaft mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Faser auf. Die Kohlenstoff enthaltende Faser ist besonders korrosionsbeständig und erhöht zusätzlich die erforderliche mechanische Stabilität des Gewebes. Das Gewebe der Verteileinheit weist vorteilhaft mindestens eine Kunststoff enthaltende Faser auf. Die Kunststoff enthaltende Faser ist im Vergleich zu Fasern aus anderen Materialien verhältnismäßig leicht und reduziert somit das Gewicht des Gewebes. Außerdem sind Kunststoff enthaltende Fasern kostengünstig und korrosionsresistent.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Gewebe mindestens zwei unterschiedliche Arten von Fasern auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Verteileinheit mindestens zwei Gewebe auf, welche übereinander gestapelt sind. Die
Erhebungen der mindestens zwei Gewebe sind dabei zueinander versetzt angeordnet. Die mindestens zwei übereinander gestapelten Gewebe können dabei in unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sein. Die mindestens zwei übereinander gestapelten Gewebe können gleichartig aufgebaut und ausgebildet sein. Die mindestens zwei übereinander gestapelten Gewebe können aber auch verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise können die mindestens zwei übereinander gestapelten Gewebe aus verschiedenen Materialien gefertigt sein oder verschiedene Porositäten aufweisen.
Vorteile der Erfindung
Gewebe sind extrem offenporig, haben also eine hohe Porosität. Durch entsprechende Variation der verwendeten Materialien bei der Herstellung des Gewebes kann das Gewebe an die vorhandenen Bedingungen und
Anforderungen angepasst werden. Auch sind Gewebe, insbesondere im
Vergleich zu Schäumen, sehr einfach und kostengünstig herzustellen. Beim Durchströmen des Gewebes mit einem Gas, insbesondere dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel, entsteht nur ein verhältnismäßig geringer Druckverlust für die Gasströmung. Auch ist die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes beim Einsatz entsprechender metallischer Fasern verhältnismäßig hoch.
Unterschiedliche Materialien mit gewünschten spezifischen Eigenschaften können vorteilhaft kombiniert werden. Beispielsweise ist eine Kombination aus elektrisch gut leitfähigen metallischen Fasern mit kohlenstoffhaltigen Fasern denkbar, die eine bessere Korrosionsbeständigkeit besitzen. Durch die
Stapelung mehrerer dünndrahtiger Gewebe kann zwar der elektrische
Widerstand der Verteileinheit steigen, aber eine Verwendung verschiedener Materialien ist möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer ersten Variante, Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer zweiten Variante,
Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer dritten Variante,
Figur 5 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer vierten Variante,
Figur 6 einen Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 2 gemäß einer ersten
Ausführungsform,
Figur 7 einen Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 2 gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
Figur 8 einen Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 2 gemäß einer dritten
Ausführungsform, Figur 9 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer fünften Variante,
Figur 10 einen Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 9, Figur 11 eine Draufsicht auf eine Verteileinheit gemäß einer sechsten
Variante,
Figur 12 einen Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 11, Figur 13 einen weiteren Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 11,
Figur 14 einen weiteren Schnitt durch die Verteileinheit aus Figur 11,
Figur 15 eine Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus Figur 1 mit der
Verteileinheit aus Figur 2 und Figur 16 eine Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus Figur 1 mit der Verteileinheit aus Figur 9 und
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran- Elektroden-Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-lonen, durchlässig.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die
Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser. In dem zweiten Verteilbereich 60 ist eine Verteileinheit 30 angeordnet.
Die Bipolarplatten 40 umfassen vorliegend einen dritten Verteilbereich 70, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich
60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5. Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste
Trennplatte 75 voneinander getrennt. Die zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet. Die Trennplatten 75, 76 können auch aus anderem Material, beispielsweise Kohlenstoff oder Graphit ausgebildet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über den ersten Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über den zweiten
Verteilbereich 60 mit der Verteileinheit 30 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter
Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer ersten Variante. Die Verteileinheit 30 weist ein flaches Gewebe 80 auf. Das flache Gewebe 80 ist wellenartig verformt und weist Wellenberge auf, welche
Erhebungen 32 des Gewebes 80 bilden. Die Erhebungen 32 sind geradlinig ausgebildet und erstrecken sich rechtwinklig zu einer zweiten Strömungsrichtung 44 des Oxidationsmittels. Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer zweiten Variante. Die Verteileinheit 30 weist ein flaches Gewebe 80 auf. Das flache Gewebe 80 ist wellenartig verformt und weist Wellenberge auf, welche Erhebungen 32 des Gewebes 80 bilden. Die Erhebungen 32 sind geradlinig ausgebildet und erstrecken sich parallel zu der zweiten Strömungsrichtung 44 des Oxidationsmittels.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer dritten Variante. Die Verteileinheit 30 weist ein flaches Gewebe 80 auf. Das flache Gewebe 80 ist wellenartig verformt und weist Wellenberge auf, welche
Erhebungen 32 des Gewebes 80 bilden. Die Erhebungen 32 sind geradlinig ausgebildet und erstrecken sich um einen Winkel geneigt zu der zweiten
Strömungsrichtung 44 des Oxidationsmittels. Figur 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer vierten Variante. Die Verteileinheit 30 weist ein flaches Gewebe 80 auf. Das flache Gewebe 80 ist wellenartig verformt und weist Wellenberge auf, welche Erhebungen 32 des Gewebes 80 bilden. Die Erhebungen 32 sind vorliegend nicht geradlinig sondern in Form von Schlangenlinien, beziehungsweise als Fischgrätenmuster oder Zickzack ausgebildet. Die Erhebungen 32 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu der zweiten Strömungsrichtung 44 des
Oxidationsmittels.
Figur 6 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch die Verteileinheit 30 aus Figur 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Gewebe 80 der
Verteileinheit 30 ist in Form einer Sinusfunktion verformt. Die Erhebungen 32 sind lokale Maxima der Sinusfunktion.
Figur 7 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch die Verteileinheit 30 aus Figur 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Gewebe 80 der
Verteileinheit 30 ist unter anderem in Form einer Rechteckfunktion verformt. Die Erhebungen 32 sind lokale Maxima der Rechteckfunktion. Vorteilhaft sind hier flächige Auflagepunkte. Figur 8 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch die Verteileinheit 30 aus Figur 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Gewebe 80 der
Verteileinheit 30 ist in Form einer Dreieckfunktion oder Sägezahnfunktion verformt. Die Erhebungen 32 sind lokale Maxima der Dreieckfunktion oder Sägezahnfunktion.
Die in Figur 3 dargestellte Verteileinheit 30 gemäß der zweiten Variante, die in Figur 4 dargestellte Verteileinheit 30 gemäß der dritten Variante und die in Figur 5 dargestellte Verteileinheit 30 gemäß der vierten Variante können ebenfalls Gewebe 80 aufweisen, welche entsprechend den Darstellungen in Figur 6, Figur 7 oder Figur 8 verformt sind.
Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer fünften Variante. Die Verteileinheit 30 weist ein flaches Gewebe 80 auf. Das flache Gewebe 80 weist lokale Elevationen auf, welche die Erhebungen 32 des Gewebes 80 bilden. Die Erhebungen 32 des Gewebes 80 sind beispielhaft vorliegend kegelstumpfförmig ausgebildet.
Figur 10 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B durch die Verteileinheit 30 aus Figur 9. Die kegelstumpfförmig ausgebildeten Erhebungen 32 des Gewebes 80 erstrecken sich parallel zueinander.
Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf eine Verteileinheit 30 gemäß einer sechsten Variante. Die Verteileinheit 30 weist ein flaches Gewebe 80 auf. Das flache Gewebe 80 weist lokale Elevationen auf, welche die Erhebungen 32 des
Gewebes 80 bilden. Die Verteileinheit 30 gemäß einer sechsten Variante umfasst eine Mischung aus Erhebungen 32 und geraden Kanälen, welche sich bevorzugt parallel zu der zweiten Strömungsrichtung 44 des Oxidationsmittels erstrecken. Zur besseren Veranschaulichung sind in Figur 11 neben den Schnittlinien C, D und E auch Hilfslinien XI, X2, X4 und X5 eingezeichnet.
Figur 12 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie D-D durch die Verteileinheit 30 aus Figur 11. Figur 13 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie E-E durch die Verteileinheit 30 aus Figur 11. Figur 14 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie C-C durch die Verteileinheit 30 aus Figur 11. Das Gewebe 80 der in Figur 2, Figur 3, Figur 4, Figur 5, Figur 9 und Figur 11 dargestellten Verteileinheiten 30 weist beispielsweise Metall enthaltende Fasern, Kohlenstoff enthaltende Fasern und Kunststoff enthaltende Fasern auf. Die Fasern sind zu einer flächig ausgebildeten Struktur verwoben. Das Gewebe 80 ist somit porös und elektrisch leitfähig ausgebildet.
Figur 15 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1, welche zwischen zwei Membran- Elektroden-Einheiten 10 angeordnet ist. Die Trennplatten 75, 76 sind als flache dünne metallische Bleche ausgebildet und bilden zwischen sich den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels. Zwischen der ersten
Trennplatte 75 und der Anode 21 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der erste Verteilbereich 50.
Zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 der anderen benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der zweite
Verteilbereich 60, welche eine in Figur 2 dargestellte Verteileinheit 30 gemäß der ersten Variante aufweist. Das Gewebe 80 der Verteileinheit 30 ist derart angeordnet, dass die Erhebungen 32 des Gewebes 80 die Kathode 22 berühren. Ferner berührt das Gewebe 80 auch die zweite Trennplatte 76.
Figur 16 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1, welche zwischen zwei Membran- Elektroden-Einheiten 10 angeordnet ist. Die Trennplatten 75, 76 sind als flache dünne metallische Bleche ausgebildet und bilden zwischen sich den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels. Zwischen der ersten
Trennplatte 75 und der Anode 21 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der erste Verteilbereich 50.
Zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 der anderen benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der zweite
Verteilbereich 60, welche eine in Figur 9 dargestellte Verteileinheit 30 gemäß der fünften Variante aufweist. Das Gewebe 80 der Verteileinheit 30 ist derart angeordnet, dass die Erhebungen 32 des Gewebes 80 die Kathode 22 berühren. Ferner berührt das Gewebe 80 auch die zweite Trennplatte 76.
Bei den in Figur 15 und Figur 16 dargestellten Bipolarplatten 40 wird der
Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, in einer ersten Strömungsrichtung 43 in den ersten Verteilbereich 50 geleitet. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, wird in der zweiten Strömungsrichtung 44 in den zweiten Verteilbereich 60 geleitet. Vorliegend verlaufen die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 parallel zueinander. Es ist auch denkbar, dass die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 entgegengesetzt oder auch orthogonal zueinander verlaufen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (2), umfassend
mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und
mindestens eine Bipolarplatte (40), welche
einen ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode (21) und
einen zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode (22) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60)
eine Verteileinheit (30) vorgesehen ist,
welche mindestens ein flaches Gewebe (80) aufweist, wobei das flache Gewebe (80) derart verformt ist, dass
Erhebungen (32) des Gewebes (80) eine der Elektroden (21, 22) berühren.
2. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (80) porös und elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
3. Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das flache Gewebe (80) wellenartig verformt ist, und dass
die Erhebungen (32) des Gewebes (80) als Wellenberge ausgebildet sind.
4. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (32) des Gewebes (80) sich rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung (43, 44) des Brennstoffs oder des Oxidationsmittels erstrecken.
5. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (32) des Gewebes (80) sich parallel zu einer
Strömungsrichtung (43, 44) des Brennstoffs oder des Oxidationsmittels erstrecken.
6. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (32) des Gewebes (80) sich geneigt zu einer
Strömungsrichtung (43, 44) des Brennstoffs oder des Oxidationsmittels erstrecken.
7. Brennstoffzelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass
das flache Gewebe (80) lokale Elevationen aufweist, welche die Erhebungen (32) des Gewebes (80) bilden.
8. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (32) des Gewebes (80) kegelstumpfförmig oder halbkugelförmig ausgebildet sind.
9. Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gewebe (80) mindestens zwei unterschiedliche Arten von Fasern aufweist.
10. Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteileinheit (30) mindestens zwei Gewebe (80) aufweist, welche übereinander gestapelt sind, wobei die Erhebungen (32) der mindestens zwei Gewebe (80) zueinander versetzt angeordnet sind.
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