WO2019141557A1 - Bipolarplatte für eine brennstoffzelle und verfahren zur reduzierung der entfeuchtung einer membran einer brennstoffzelle - Google Patents

Bipolarplatte für eine brennstoffzelle und verfahren zur reduzierung der entfeuchtung einer membran einer brennstoffzelle Download PDF

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WO2019141557A1
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Helerson Kemmer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention is based on a bipolar plate according to the category of the independent device claim and a method for reducing the dehumidification of a membrane of a fuel cell according to the preamble of the independent method claim,
  • Fuel cells are electrochemical energy converters in which hydrogen (H 2 ) and oxygen (CT) are converted into water, electrical energy and heat.
  • a stack of this construction forms a fuel cell stack.
  • the reaction gases hydrogen and oxygen (in air) and the cooling liquid are passed through a media distribution structure in the (fuel) cell.
  • This distribution structure is realized either as a channel or as an electrically conductive porous layer.
  • the functions of the media distribution structure on the anode and cathode are to distribute the reaction gas evenly over the active area, to conduct electrons into the next cell, to transport water produced out of the cell during the reaction, and to remove the heat from the cell
  • the invention relates to a bipolar plate having the features of the independent device claim and a method for reducing the dehumidification of a membrane of a fuel cell having the features of the independent method claim.
  • the bipolar plate according to the invention serves primarily to ensure necessary operating conditions of the membrane of a fuel cell
  • Fuel cell can be reduced, or an increase in the
  • Coolant temperature can be made, whereby an increase in the stack power density can be achieved, which in turn has either positive effect on the cost or on the performance of the fuel cell stack.
  • the bipolar plate according to the invention also enables a reduction of
  • the bipolar plate according to the invention is advantageously arranged between the at least two fuel cells.
  • the bipolar plate is preferably a fuel cell bipolar plate, in particular a PEM fuel cell bipolar plate.
  • the bipolar plate according to the invention comprises a first distribution structure having a first distribution region for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution structure having a second distribution region for distributing an oxidizing agent to a second electrode.
  • the distribution structures are formed at least partly from a porous foam.
  • the distribution areas of the distribution structures are thus at least partially porous and thus at least partially.
  • the distribution structures are penetrated by a first supply channel, which is connected to the first distribution region, and by a second supply channel, which is connected to the second distribution region.
  • the feed ducts are separated from one another by at least one fluid-tight partition wall.
  • the first supply channel serves to supply the fuel to the first distribution area supply.
  • the second supply channel serves to supply the oxidizing agent to the second distribution region.
  • the partition wall for the fuel cell supplied gaseous fuel, for the fuel cell supplied gaseous oxidant and for the fuel cell from the conductive water is impermeable.
  • the bipolar plate according to the invention is integrally formed, wherein the fluid-tight partition wall is in particular formed integrally with the porous foam.
  • the porous foam may advantageously be formed at least partially from a metallic material or a metallic fabric.
  • Such a foam can be produced, for example, by a melt-metallurgical production process, by first using a porous molding as
  • Placeholder made of, for example, polyurethane or similar material is created.
  • the placeholder can be formed such that an open-porous space is formed in its interior, so that some pages are formed free of placeholder material.
  • the open-pore interior can also be divided into two free spaces.
  • the frontal area can also be formed by partially free spaces, so that the necessary partitions for the sealing of
  • the molding can then be encapsulated with a liquid potting compound. Bet the liquid
  • Potting compound is, for example, a molten metal.
  • Potting compound penetrates preferably in the open porous space
  • the second distribution structure of the subject bipolar plate is further formed at least in two parts and has at least a first distribution layer with a first distribution region and a second distribution layer with a second distribution region,
  • Dehumidification can be achieved by the air supplied via the second distribution structure.
  • the first and second distribution layer are in this case preferably in the form of two superimposed, mutually parallel layers
  • the first distribution layer is preferably formed in the form of a foam or an open-pore structure and provided to the first distribution layer
  • the second distribution layer should preferably exclusively realize a channel for an air flow with low pressure loss.
  • the second distribution structure may also be formed more than two parts, preferably three parts and a third distribution layer with a third
  • the third distribution layer may in this case be arranged in particular laterally to the second distribution layer, so that the first and third distribution layer are also arranged in the form of layers arranged parallel to one another and running parallel to one another.
  • the second and third distribution layer each have a smaller base area than the first distribution layer, preferably in each case half the base area of the first distribution layer.
  • a third distribution layer is provided, should also the third
  • Distribution layer preferably represent only a channel for a flow of air with low pressure drop.
  • the first and the second distribution layer of the second distribution structure by a fluid-tight separation layer from each other are separated, wherein the fluid-tight separation layer in at least one
  • Transition area is broken, at which the first and the second
  • Distribution layer are arranged directly adjacent to each other.
  • the amount of air supplied can be supplied as required, for example, in equal parts to the two distribution layers and each separately passed through the respective layers.
  • the flowing over the first distribution layer and distributing within the first distribution layer can be supplied as required, for example, in equal parts to the two distribution layers and each separately passed through the respective layers.
  • Air flow rate in particular due to its relatively lower flow velocity and its intensive mass transfer at the cathode, while the flow through the first distribution layer significantly more heated than the higher flow rate over the second
  • Distribution layer flowing air flow rate.
  • an exchange then takes place between the air quantities, in that part of the warmer air quantity initially distributed within the first distribution layer now flows into the second distribution layer is passed and forwarded there and / or part of the colder, initially distributed within the second distribution layer amount of air is now passed into the first distribution layer and forwarded there.
  • the comparatively colder air quantity flowing through the first distribution layer from the time of the exchange has a significantly lower water absorption capacity because of its lower temperature Water absorption capacity of the air exponentially decreases with decreasing temperature Due to the lower water absorption capacity of the air, the cell is initially deprived of water during the subsequent air supply, which has been recognized to have a positive effect on the dehumidification of the cell and thus on the effectiveness of the implementation of the Reaction and positive effect on the service life of the membrane A lower water absorption during the introduction of the oxygen-containing air may also make it possible to increase the coolant temperature, which has a correspondingly positive effect on the performance of the fuel cell. In addition, a more effective implementation, for example, also allows to reduce the air pressure, which leads to a reduction in costs and to reduce parasitic losses.
  • the fluid-tight arrangement between the first and second distribution layer is preferably also objective
  • the transition region at which the exchange between the amounts of air takes place can be arranged at different positions between the two distribution layers.
  • the transition region is preferably arranged at half the cell length between the first and the second distribution layer.
  • the transition region can be arranged centrally and / or laterally between the two distribution layers.
  • more than one transition region is arranged between the distribution layers, preferably at least one transition region is arranged in the air is passed from the lower to the upper Verteii harsh and arranged at least one transition region in the air from the top to the bottom
  • the bipolar plate in addition to a second distribution layer, a third distribution layer, which is preferably arranged next to the second distribution layer, it is advantageous if the bipolar plate has a plurality of transition areas which are arranged in an effective manner at staggered positions on each of the second and third distribution layer, so that at least two consecutive air exchanges can take place with the first distribution layer.
  • the second distribution layer of the second distribution structure is formed in the form of a reinforced air-permeable channel, the channel preferably having flow-guiding devices arranged along the second distribution region.
  • the second distribution region is preferably formed such that it guarantees transport with the lowest possible pressure loss, for example in the form of a flow-optimized channel with the aim of ensuring an air flow with the lowest possible air resistance along the distribution region.
  • the subject bipolar plate also has a third or even more distribution layers in addition to a first and a second distribution layer, this layer is advantageously also reinforced or these layers are advantageously reinforced in the form of one
  • the second diffusion layer of the second distribution structure has a smaller layer thickness than the first diffusion layer of the second
  • Total cell height can be achieved, which is not only positive for the
  • Distribution layer preferably a smaller layer thickness than the first
  • the first distribution area is also separated from the second distribution area by at least one fluid-tight inner separation layer, wherein the separation layer is formed integrally with the porous foam and wherein a one-part construction in particular a simple and uncomplicated production and a simple flexible installation and replacement of lines allows.
  • the bipolar plate according to the invention is preferably cuboid in the context of a compact and space-saving arrangement of different fuel cells within a fuel cell stack, wherein a top surface and a bottom surface of the bipolar plate opposite the top surface are formed fluid-permeable and wherein the first distribution region directly to the Bodenfliche and the second Immediately adjoining distribution area on the Deckfiambae, so that a substance and electron exchange with the anode and cathode of the lines can take place over the top and bottom surfaces.
  • a third distribution structure formed from a porous foam and provided for the passage of a coolant can be provided with a third distribution structure between the first distribution structure and the second distribution structure
  • Distributed region is arranged, wherein the first distribution structure is materially connected to the third distribution structure and / or the second distribution structure materially connected to the third distribution structure.
  • the third distribution structure is advantageously also made of a porous foam, preferably in the form of a
  • each distribution structure has at least one mounting nipple, which in a
  • Bipolar plate has at least one mounting nipple.
  • a method for reducing the dehumidification of a membrane of a fuel cell having the features of
  • Oxidizing agent having fluid is introduced by means of a supply channel, before the fluid flow in a first fluid flow part and a second
  • the first fluid flow part is in accordance with
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell stack
  • Figure 2a is a sectional view of a bipolar plate of
  • FIG. 2b shows a top view of a bipolar plate with a membrane electrode unit of the fuel cell stack from FIG. 1
  • FIG. 3 a shows a plan view of a second distribution structure according to a first embodiment
  • Figure 3b shows a section through the second distribution structure of Figure 3a along the
  • FIG. 4 a shows a plan view of a second distribution structure according to FIG. 3 a
  • FIG. 4b shows a section through the second distribution structure of FIG. 4a along the
  • Figure 5a is a plan view of a second distribution structure according to a second
  • FIG. 5b shows a section through the second distribution structure of FIG. 5a along the
  • FIG. 6a shows a plan view of a second distribution structure according to FIGS. 5a and 5a
  • FIG. 6b shows a section through the second distribution structure of FIG. 5a along the
  • 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 Cathode designated.
  • the membrane is designed as a polymer electrolyte membrane 18.
  • the membrane 18 is permeable to hydrogen ions (H + ions).
  • Each fuel cell 2 also has two bipolar plates 40 which are connected 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 comprise a first distribution structure 50 for
  • the bipolar plates 40 also each include a second distribution structure 60 for distributing the oxidant facing the cathode 22.
  • the second distribution structure 60 simultaneously serves to dissipate water formed in a reaction in the fuel cell 2.
  • the bipolar plates 40 further include a third distribution structure 70 disposed between the first distribution structure 50 and the second distribution structure 60.
  • the third distribution structure 70 serves to pass a
  • the first distribution structure 50 and the third distribution structure 70 are separated from each other by a first inner separation layer 85.
  • the second distribution structure 60 and the third distribution structure 70 are separated from one another by a second inner separation layer 86.
  • the inner separating layers 85,86 of the bipolar plate 40 are formed fluid-tight
  • fuel is conducted via the first distribution structure 50 to the anode 21.
  • oxidizing agent is via the second
  • Distributed structure 60 passed to the cathode 22.
  • the fuel present
  • Hydrogen is catalytically oxidized at the anode 21 with the emission of electrons to protons.
  • the protons pass through the membrane 18 to the cathode 22.
  • the emitted electrons flow through the distribution structures 50, 60, 70 to the cathode 22 of the adjacent fuel cell 2, or from the anode 21 of the peripheral fuel cell 2 via an external circuit to the cathode 22 located on the other edge
  • Fuel cell 2 The oxidizing agent, in the present case atmospheric oxygen, reacts by taking up the thus conducted electrons and the protons, which through the
  • Membrane 18 have come to the cathode 22, on water,
  • Figure 2a shows a sectional view of a bipolar plate 40 of
  • the bipolar plate 40 has the first distribution structure 50 shown in Figure 1, the second distribution structure 60 and the third distribution structure 70 on.
  • the mounting nipples 167 and 168 of the second distribution structure 60 protrude into the feed channel 161 and into the discharge channel 162 of the second
  • the third distribution structure 70 is materially connected to the first distribution structure 50 on the first inner separation layer 85.
  • the third distribution structure 70 is materially connected to the second distribution structure 60 on the second inner separation layer 86.
  • Bipolar plate 40 may also be integrally formed.
  • the first distribution structure 50, the second distribution structure 60 and the third distribution structure 70 of the bipolar plate 40 are integrally formed of a porous foam 80.
  • the bipolar plate 40 is cuboid and has a side
  • End face 47, an opposite second end face 48, a non-visible first side surface 45 and an opposite non-visible second side surface 46 extend parallel to one another and to the inner separating layers 85, 86.
  • the cover surface 42 and the bottom surface 43 extend at right angles to the end faces 47, 48 and perpendicular to the side surfaces 45, 46, the end faces 47, 48 extend at right angles to the side surfaces 45, 46th
  • the side surfaces 45, 46 and the end surfaces 47, 48 are each completely formed by a fluid-tight outer separation layer 82.
  • the outer separating layers 82 of the side surfaces 45, 46 and the end faces 47, 48 are formed integrally with the porous foam 80.
  • the inner release layers 85, 86 merge into the outer release layers 82.
  • the partition walls 88 which are not visible here, merge into the inner separating layers 85, 86 and into the outer separating layers 82.
  • the second distribution structure 60 is formed in two parts and comprises a first distribution layer 60 a and a second distribution layer 60 b.
  • the first and second distribution layers 60a, 60b are arranged one above the other in layers extending parallel to one another, wherein the sectional planes of both distribution layers 60a, 60b, which are respectively defined by the two principal axes of inertia (axes of inertia with the largest moments of inertia) of a distribution layer, are arranged parallel to one another ,
  • the first distribution layer 60a is formed in the form of a foam or an open-pore structure and is provided to ensure the supply of oxygen to the membrane 18, this distribution layer 60a, thanks to its large surface area, enabling optimum mass transfer.
  • the second distribution layer 60b should preferably exclusively represent a channel for an air flow with low pressure loss.
  • FIG. 2b shows a plan view of a bipolar plate 40 with a membrane electrode unit 10 of the fuel cell stack 5 from FIG. 1.
  • the membrane electrode unit 10 has a frame 12 of circumferential walls.
  • the membrane 18, the anode 21 and the cathode 22 are embedded in the frame 12, which has a recess of presently 200 pm for this purpose.
  • the second distribution layer 60 of a bipolar plate 40 according to the invention will be discussed below, which is shown in FIGS. 3 to 6 in various embodiments and sectional views.
  • FIG. 3 a shows a plan view of the second distribution structure 60, which has a centrally located second distribution area 160 a for distributing the
  • Oxidizing agent to the cathode 22 has.
  • the second distribution structure 60 is interrupted by a first supply channel 151, a second supply channel 161 and a third supply channel 171 and a first discharge channel 152, a second discharge channel 162 and a third discharge channel 172.
  • the second distribution region 160a is connected to the second supply channel 161 and the second discharge channel 162.
  • the second discharge channel 162 is arranged such that with respect to the second supply channel 161 an optimal flow of the oxidizing agent is possible.
  • the second supply channel 161 and the second discharge channel 162 are at diagonally opposite corners of the second distribution structure 60
  • the feed channels 151, 161, 171 are through fluid-tight partitions 88
  • the second distribution region 160 is also separated from the first supply channel 151, the first discharge channel 152, the third supply channel 171 and the third discharge channel 172.
  • FIG. 3b shows a section through the second distribution structure 60 of FIG. 3a along the section line AA '.
  • the first distribution layer 60a in this case comprises the distribution region 160a, which consists of a porous foam 80 is formed and having on its surface the cover layer 42. Furthermore, it can be seen that the oxygen-containing air over the
  • Feed duct 161 is inserted according to the arrow direction 61, wherein the air between the first distribution region 60 a and the second distribution region 60 b, which is formed in the form of a channel with a low flow resistance, is divided. After dividing the amount of air between the first and second
  • Distribution area 60a, b flows part of, the first distribution layer 60a
  • Distribution layer 60a and also a part of, the second distribution layer supplied air via the discharge channel 162 is led out of the cell.
  • the fluid-tight separation layer is further tiw. broken, so that the two distribution layers 60a, b are arranged there directly adjacent to each other.
  • an air exchange takes place by the previously distributed over the second distribution layer 60b air using the
  • Flow guide 92 is directed into the first distribution layer 60a.
  • the air distributed over the second distribution layer 60b is significantly cooler than that over the first due to its higher flow velocity
  • Distribution layer 60 a distributed amount of air, which is significantly more heated, in particular due to their intensive exchange of material at the cathode, during the flow through the first distribution layer 60 a.
  • FIG. 4a shows a plan view of the second distribution structure 60 according to FIG. 3a.
  • FIG. 4b shows a section through the second distribution structure 60 of FIG. 4a along the section line A-A '.
  • Section line A-A 'of Figure 4a a transition region 90, at which the previously distributed within the first distribution layer 60a air by means of
  • Flow guiding device 92 is passed into the second distribution layer 60b and thus the distributed within the first distribution layer 60a heated air is discharged.
  • FIG. 5a shows a top view of a second distribution structure 60 according to a second exemplary embodiment comprising three distribution layers 60a, 60b, 60c, of which the second and the third distribution layer 60b, c are arranged side by side, in each case below the first distribution layer 60a.
  • FIG. 5b shows a section through the second distribution structure 60 of FIG. 4a along the section line AA * .
  • FIG. 5b shows two transition regions 90 and 90' at which the air previously distributed within the second distribution layer 60b is conducted by means of the flow directors 92 into the first distribution layer 60a and
  • the second distribution structure 60 according to the second embodiment also has at least one third transition area 60c, which is preferably arranged at the interface between the first, second and third distribution layers 60a, 60b, 60c and via which the heated air transported within the first distribution layer can be removed,
  • FIG. 6a shows the plan view according to FIG. 5a.
  • FIG. 6b shows a section through the second distribution structure 60 of FIG. 6a along the section line B-B '.
  • the section according to FIG. 6b one can see the presence of the three-part arrangement comprising a first distribution layer 60a and two juxtaposed ones, in each case below the first one
  • Distribution layer 60a arranged second and third distribution layer 60b, c, which are separated to the outside in each case via a fluid-tight outer separation layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle (2), umfassend eine erste Verteilstruktur (50) mit einem ersten Verteilbereich (150) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21) und eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22), wobei die Verteilstrukturen (50, 60) zumindest tlw. aus einem porösen Schaum (80) gebildet sind und von einem ersten, mit dem ersten Verteilbereich (150) verbundenen Zufuhrkanal (151) und einem zweiten, mit dem zweiten Verteilbereich (160) verbundenen Zufuhrkanal (161) durchbrochen sind, wobei die beiden Zufuhrkanäle (151, 161) durch zumindest eine fluiddichte Trennwand (88) voneinander getrennt sind und wobei die zweite Verteilstruktur (60) zumindest zweiteilig gebildet ist und zumindest eine erste Verteilschicht (60a) mit einem ersten Verteilbereich (160a) und eine zweite Verteilschicht (60b) mit einem zweiten Verteilbereich (160b) aufweist.

Description

Beschreibung
Bipoiarpiatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran einer Brenn Stoff
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Bipolarplatte nach Gattung des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie einem Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran einer Brennstoffzelle nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs,
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (CT) in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Ein Stapel dieses Aufbaus bildet einen Brennstoffzellen-Stack. Die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff (in Luft) sowie die Kühlflüssigkeit werden über eine Medienverteilstruktur in die (Brennstoff-) Zelle geleitet. Diese Verteilstruktur ist entweder als Kanal oder als elektrisch leitfähige poröse Schicht realisiert. Die Funktionen der Medienverteilstruktur auf die Anode und Kathode sind es, das Reaktionsgas gleichmäßig über die aktive Fläche zu verteilen, Elektronen in die nächste Zelle zu leiten, während der Reaktion produziertes Wasser aus der Zelie herauszutransportieren und die Wärme aus der
Katalysatorschicht zum Kühlmittel hin abzuleiten. Für eine optimale
Strömungsführung in die Reaktionsschicht bzw. für die Abführung des während der Reaktion produzierten Wassers sind komplexe und fertigungsaufwändige Strukturen bekannt. Ein Problem bzgl. der Gasverteilung in den Zellen entsteht bei der Zuführung des Sauerstoffs über Luft an der Kathode und zwar dadurch, dass die durch die Zellen strömende Luft durch die große Nähe zwischen den Medien in der Zelle sowie aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der Bipoiarpiatte sehr hohe Temperaturen annehmen kann. Dies führt zu einer stark erhöhten Wasseraufnahmefähigkeit der Luft, die mit steigender Temperatur exponentiell ansteigt. Hierdurch wird den Zellen jedoch nicht nur das während der Reaktion produzierte Wasser, sondern auch das zur Befeuchtung der Membran benötigte Wasser entzogen, was im Extremfall eine vollständige Austrocknung der Membran zur Folge hat. Dies wiederum hat eine verminderte Leistungsfähigkeit sowie im Extremfall eine irreversible Schädigung der Membran zur Folge. Dieser Gefahr kann zwar entgegengewirkt werden, indem der Luftdruck bei der Einleitung der sauerstoffhaltigen Luft erhöht wird, eine
Luftdruckerhöhung erhöht jedoch auch die Systemkomplexität und die aufzuwendenden Kosten, da zur Druckerhöhung leistungsstarke Luftverdichter benötigt werden,
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und ein Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der
Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen, Dabei gelten Merkmale und Details, die im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch i Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran einer
Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelner» Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw, werden kann.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte dient vornehmlich der Gewährleistung notwendiger Betriebsbedingungen der Membran einer Brennstoffzelle,
insbesondere im Hinblick auf die Gewährleistung eines für den Betrieb einer Brennstoffzelle notwendigen Feuchtigkeitszustands der Membran. Der für eine
Ionen- und Elektronenleitfähigkeit erforderliche Feuchtigkeitszustand der Membran wird hierbei insbesondere durch eine geringere Entfeuchtung der Zellen bei der Zuführung der sauerstoffhaltigen Luft gewahrt. Durch die verringerte Entfeuchtung der Membran kann ferner entweder der Druck der zugeführten sauerstoffhaltigen Luft reduziert werden, wodurch sowohl die
Kosten, als auch die parasitären Verluste während des Betriebs der
Brennstoffzelle reduziert werden können, oder eine Erhöhung der
Kühlmitteltemperatur vorgenommen werden, wodurch eine Erhöhung der Stack- Leistungsdichte erzielt werden kann, die sich wiederum entweder positiv auf die Kosten oder auf die Leistung des Brennstoffzellen-Stacks auswirkt. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Bipolarplatte auch eine Reduktion der
Gesamtzellhöhe, die hinsichtlich der Kosten und im Hinblick auf eine
platzsparende Anordnung vorteilhaft ist.
Vorliegend wird eine Bipolarplatte für zumindest eine Brennstoffzelle,
vorzugsweise für mehr als eine Brennstoffzelle, insbesondere für zumindest zwei Brennstoffzellen vorgeschlagen. Hierbei ist die erfindungsgemäße Bipolarplatte vorteilhafterweise zwischen den zumindest zwei Brennstoffzellen angeordnet. Bei der Bipolarplatte handelt es sich vorzugsweise um eine Brennstoffzellen- Bipolarplatte, insbesondere um eine PEM- Brennstoffzellen- Bipolarplatte.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst eine erste Verteilstruktur mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode. Dabei sind die Verteil Strukturen zumindest tlw. aus einem porösen Schaum gebildet. Die Verteilbereiche der Verteilstrukturen sind also zumindest tlw. porös und somit zumindest tlw.
fluiddurchlässig ausgebildet.
Erfindungsgemäß sind die Verteilstrukturen von einem ersten Zufuhrkanal, der mit dem ersten Verteilbereich verbunden ist, und von einem zweiten Zufuhrkanal, der mit dem zweiten Verteilbereich verbunden ist, durchbrochen. Die Zufuhr- kanäie sind durch mindestens eine fluiddichte Trennwand voneinander getrennt. Der erste Zufuhrkanal dient dazu, den Brennstoff dem ersten Verteilbereich zuzuführen. Der zweite Zufuhrkanal dient dazu, das Oxidationsmittel dem zweiten Verteilbereich zuzuführen.
Unter fluiddicht ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Trennwand für den der Brennstoffzelle zugeführten gasförmigen Brennstoff, für das der Brennstoffzelle zugeführte gasförmige Oxidationsmittel sowie für das aus der Brennstoffzelle abzu leitende Wasser undurchlässig ist.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Bipolarplatte einteilig ausgebildet, wobei die fluiddichte Trennwand insbesondere einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet ist Zur Gewährleistung einer elektrischen Leitfähigkeit kann der poröse Schaum vorteilhafterweise zumindest tlw. aus einem metallischen Stoff bzw. einem metallischen Gewebe gebildet sein.
Ein solcher Schaum ist beispielsweise durch einen schmelzmetallurgischen Herstellprozess herstellbar, indem zunächst ein poröser Formkörper als
Platzhalter aus beispielsweise Polyurethan oder ähnlichem Material erstellt wird. Der Platzhalter kann dabei derart gebildet sein, dass ein offenporöser Raum in seinem Inneren entsteht, so dass einige Seiten frei von Platzhaltermaterial gebildet sind. Der offenporöse Innenraum kann ferner in zwei freie Räume aufgeteilt sein. Der Stirnbereich kann dabei ebenfalls durch teilweise freie Räume gebildet sein, so dass die notwendigen Trennwände für die Abdichtung der
Medien nachher entstehen können. Der Formkörper kann dann anschließend mit einer flüssigen Vergussmasse umgossen werden. Bet der flüssigen
Vergussmasse handelt es sich beispielsweise um eine Metallschmelze. Die
Vergussmasse dringt dabei vorzugsweise in den offenporösen Raum
beziehungsweise in die freien Stirn-, Innen- und Seitenraume des Formkörpers ein und bildet so nach Erstarren den offenporösen Schaum beziehungsweise die fluiddichten Trennschichten, welche vorzugsweise 10 bis 100 pm dick sind. Das Platzhaltermaterial kann anschließend durch Spülen oder Wegbrennen entfernt werden. Erfi ndungsge maß ist die zweite Verteilstruktur der gegenständlichen Bipolarplatte ferner zumindest zweiteilig gebildet und weist zumindest eine erste Verteilschicht mit einem ersten Verteilbereich und eine zweite Verteilschicht mit einem zweiten Verteilbereich auf,
Es ist erkannt worden, dass über eine Aufteilung der zweiten Verteiistruktur in eine erste Verteilschicht mit einem ersten Verteilbereich und eine zweite
Verteilschicht mit einem zweiten Verteilbereich eine signifikant geringere
Entfeuchtung durch die über die zweite Verteilstruktur zugeführte Luft erreicht werden kann.
Die erste und zweite Verteilschicht sind hierbei vorzugsweise in Form von zwei übereinander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden Schichten
(insbesondere in Form von Kanälen) angeordnet. Parallel zueinander verlaufend und übereinander angeordnet bedeutet hierbei, dass die Schnittebenen beider Verteilschichten, die jeweils durch die beiden Hauptträgheitsachsen
(Trägheitsachsen mit den größten Trägheitsmomenten) einer Verteilschicht aufgespannt werden, parallel zueinander angeordnet sind.
Gegenständlich ist die erste Verteilschicht vorzugsweise in Form eines Schaums bzw. einer offenporösen Struktur gebildet und dazu vorgesehen, die
Sauerstoffzufuhr zur Membran hin zu gewährleisten, wobei diese Verteilschicht dank ihrer großen Oberfläche einen optimalen Stoffaustausch ermöglicht. Die zweite Verteilschicht soll hingegen vorzugsweise ausschließlich einen Kanal für eine Luftströmung mit geringem Druckverlust realisieren.
Die zweite Verteilstruktur kann ferner auch mehr als zweiteilig, vorzugsweise dreiteilig ausgebildet sein und eine dritte Verteilschicht mit einem dritten
Verteilbereich umfassen. Die dritte Verteilschicht kann hierbei insbesondere seitlich zur zweiten Verteilschicht angeordnet sein, so dass auch die erste und dritte Verteilschicht in Form von übereinander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden Schichten angeordnet sind. Die zweite und dritte Verteilschicht weist in diesem Fall jeweils eine kleinere Grundfläche als die erste Verteilschicht, vorzugsweise jeweils die Hälfte der Grundfläche der ersten Verteilschicht auf. Im Falle, dass eine dritte Verteilschicht vorgesehen ist, soll auch die dritte
Verteilschicht vorzugsweise ausschließlich einen Kanal für eine Luftströmung mit geringem Druckverlust darstellen.
Um einerseits eine Aufteilung und Abtrennung der zugeführten Luftmengen und andererseits einen definierten, lokal begrenzten Luftaustausch zwischen den zu geführten Luftmengen vornehmen zu können, kann im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Verteilschicht der zweiten Verteilstruktur durch eine fluiddichte Trennschicht voneinander getrennt sind, wobei die fluiddichte Trennschicht in zumindest einem
Übergangsbereich aufgebrochen ist, an dem die erste und die zweite
Verteilschicht unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind. So kann die zugeführte Luftmenge bedarfsgerecht, beispielsweise zu gleichen Teilen den beiden Verteilschichten zugeführt und jeweils separat durch die jeweiligen Schichten geleitet werden. Hierbei wird der über die erste Verteilschicht strömende und sich innerhalb der ersten Verteilschicht verteilende
Luftmengenanteil insbesondere aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Strömungsgeschwindigkeit und seines intensiven Stoffaustauschs an der Kathode, während der Strömung durch die erste Verteilschicht deutlich stärker erwärmt als der mit höherer Strömungsgeschwindigkeit über die zweite
Verteilschicht strömende Luftmengenanteil. An dem Übergangsbereich, an dem die fluiddichte Trennschicht tlw. aufgebrochen ist und die beiden Verteilschichten unmitelbar aneinander angrenzend angeordnet sind, findet dann ein Austausch zwischen den Luftmengen statt, indem ein Teil der wärmeren, zunächst innerhalb der ersten Verteilschicht verteilten Luftmenge nun in die zweite Verteilschicht geleitet und dort weitergeleitet wird und /oder ein Teil der kälteren, zunächst innerhalb der zweiten Verteilschicht verteilten Luftmenge nun in die erste Verteilschicht geleitet und dort weitergeleitet wird.
Die ab dem Zeitpunkt des Austausche durch die erste Verteilschicht strömende vergleichsweise kältere Luftmenge besitzt aufgrund ihrer niedrigeren Temperatur eine deutlich geringere Wasseraufnahmefähigkeit, da die Wasseraufnahmefähigkeit der Luft exponentiell mit sinkender Temperatur fällt Aufgrund der niedrigeren Wasseraufnahmefähigkeit der Luft, wird der Zelle während der folgenden Luftversorgung zunächst einmal weniger Wasser entzogen, was sich - wie erkannt worden ist - positiv auf die Entfeuchtung der Zelle und damit auf die Effektivität der Umsetzung der Reaktion sowie positiv auf die Lebensdauer der Membran auswirkt Eine niedrigere Wasseraufnahme während der Einleitung der sauerstoffhaltigen Luft ertaubt es unter Umstanden auch eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur vorzunehmen, was sich entsprechend positiv auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirkt. Zudem erlaubt eine effektivere Umsetzung beispielsweise auch eine Reduzierung des Luftdrucks vorzunehmen, was zur Reduzierung der Kosten und zur Reduzierung parasitärer Verluste führt.
Ebenso wie die fluiddichte Trennwand ist gegenständlich vorzugsweise auch die zwischen der ersten und zweiten Verteilschicht angeordnete fluiddichte
Trennschicht einteilig mit dem porösen Schaum gebildet. Ferner kann der Übergangsbereich, an dem der Austausch zwischen den Luftmengen stattfindet an unterschiedlichen Positionen zwischen den beiden Verteilschichten angeordnet sein. Für einen besonders effektiven Temperaturaustausch zwischen den Luftmengen ist der Übergangsbereich dabei vorzugsweise an der Hälfte der Zellenlänge zwischen der ersten und der zweiten Verteilschicht angeordnet. Der Übergangsbereich kann zentral und/oder auch seitlich zwischen den beiden Verteilschichten angeordnet sein.
Für einen besonders effizienten Luftaustausch kann auch vorgesehen sein, dass zwischen den Verteilschichten mehr als ein Übergangsbereich angeordnet ist, vorzugsweise ist hierbei zumindest ein Übergangsbereich angeordnet, in dem Luft aus der unteren in die obere Verteiischicht geleitet wird sowie zumindest ein Übergangsbereich angeordnet, in dem Luft aus der oberen in die untere
Verteiischicht geleitet wird. Insbesondere in dem Fall, in dem die
erfindungsgemäße Bipolarplatte neben einer zweiten Verteiischicht noch eine vorzugsweise neben der zweiten Verteiischicht angeordnete dritte Verteiischicht aufweist, ist es vorteilhaft, wenn die Bipolarplatte mehrere Übergangsbereiche aufweist, die effektiver Weise an zueinander versetzten Positionen auf jeweils der zweiten und dritten Verteilschicht angeordnet sind, so dass zumindest zwei nacheinander folgende Luftaustausche mit der ersten Verteilschicht stattfinden können.
Um einen möglichst geringen Druckverlust während der Verteilung der Luft innerhalb der zweiten Verteüschicht sowie eine möglichst steuerbare
Strömungsführung zu erreichen, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die zweite Verteilschicht der zweiten Verteilstruktur in Form eines verstärkt luftpermeablen Kanals gebildet ist, wobei der Kanal vorzugsweise entlang des zweiten Verteilbereichs angeordnete Strömungsleitvorrichtungen aufweist. Der zweite Verteilbereich ist hierbei vorzugsweise derart gebildet, dass er einen Transport mit möglichst geringem Druckverlust garantiert, beispielsweise in Form eines strömungsoptimierten Kanals mit dem Ziel eine Luftströmung mit geringstmöglichem Luftwiderstand entlang des Verteilbereichs zu gewährleisten. Die hierfür vorgesehenen Strömungsleitvorrichtungen können in Form
verschiedenster Materialausnehmungen und/oder Materialauftragungen gebildet sein und sollen einen möglichst effizienten Luftmengenaustausch zwischen den Verteilschichten garantieren. Im Falle, dass die gegenständliche Bipolarplatte neben einer ersten und einer zweiten Verteilschicht auch eine dritte oder noch mehr Verteilschichten aufweist, ist vorteilhafterweise auch diese Schicht bzw. sind vorteilhafterweise auch diese Schichten in Form eines verstärkt
luftpermeablen Kanals gebildet, wobei der Kanal vorzugsweise entlang des jeweiligen Verteilbereichs angeordnete Strömungsleitvorrichtungen aufweist.
Im Rahmen einer besonders platzsparenden Anordnung kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die zweite Verteüschicht der zweiten Verteilstruktur eine geringere Schichtdicke, als die erste Verteüschicht der zweiten
Verteilstruktur aufweist, vorzugsweise weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als ein Dritte! der Schichtdicke der ersten Verteüschicht
Auf diese Weise kann dank des erfindungsgemäßen Konzepts der Aufteilung der zweiten Verteilstruktur in eine erste und eine zweite Verteüschicht und der Reduzierung des Druckverlustes innerhalb der zweiten Verteilschicht im
Vergleich zu einer unaufgeteilten Verteilstruktur, eine Reduzierung der
Gesamtzellenhöhe erreicht werden, was sich nicht nur positiv auf die
Gesamtgröße der Brennstoffzelle, sondern auch positiv auf die
Herstellungskosten auswirkt. Es versteht sich, dass im Rahmen einer Anordnung mit mehr als zwei Verteilschichten auch die dritte sowie jede weitere
Verteilschicht vorzugsweise eine geringere Schichtdicke als die erste
Verteilschicht aufweisen kann.
Aufgrund der notwendigen Separation der über die jeweiligen Verteiibereiche verteilten Medien ist gegenständlich ferner vorgesehen, dass auch der erste Verteilbereich von dem zweiten Verteilbereich durch zumindest eine fluiddichte innere Trennschicht getrennt ist, wobei die Trennschicht einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet ist und wobei ein einteiliger Aufbau insbesondere eine einfache und unkomplizierte Herstellung sowie einen einfachen flexiblen Einbau und Austausch von Zeilen ermöglicht.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Bipolarplatte im Rahmen einer kompakten und platzsparenden Anordnung verschiedener Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellen -Stacks vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, wobei eine Deckfläche und eine der Deckfläche gegenüberliegende Bodenfläche der Bipolarplatte fluiddurchlässig gebildet sind und wobei der erste Verteilbereich unmittelbar an die Bodenfliche und der zweite Verteilbereich unmitelbar an die Deckfiäche angrenzt, so dass ein Stoff- und Elektronenaustausch mit Anode und Kathode der Zeilen über die Deck- und Bodenflächen erfolgen kann.
Im Rahmen einer einfach und kostengünstig herstellbaren und montierbaren notwendigen Abdichtung nach außen, ist es ebenfalls denkbar, dass zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen und/oder zwei sich gegenüberliegende
Stirnflächen der Bipolarplatte jeweils vollständig von einer einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildeten fluiddichten äußeren Trennschicht umgeben sind. Ferner kann zur notwendigen Abführung der bei der Reaktion entstehenden Wärme und einer besonders effektiven Anordnungsform erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zwischen der ersten Verteil Struktur und der zweiten Verteilstruktur eine aus einem porösen Schaum gebildete und zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehene dritte Verteilstruktur mit einem dritten
Verteilbereich angeordnet ist, wobei die erste Verteilstruktur stoffschlüssig mit der dritten Verteilstruktur und/oder die zweite Verteiistruktur stoffschlüssig mit der dritten Verteilstruktur verbunden ist.
Wie auch die erste und zweite Verteilstruktur, ist vorteilhafterweise auch die dritte Verteilstruktur aus einem porösen Schaum, vorzugsweise in Form eines
metallischen Stoffs bzw. eines metallischen Gewebes gebildet Alternativ zu einer stoffschiüssigen Verbindung können hierbei unter Voraussetzung der notwendigen Dichtigkeit der Strukturen nach außen alternativ auch kraft- oder formschlüssige Verbindungen zwischen den Verteilstrukturen vorgesehen sein.
Zur Vereinfachung der Montage ist es hierbei insbesondere denkbar, dass jede Verteilstruktur zumindest einen Montagenippel aufweist, welcher in eine
benachbarte Verteilstruktur hineinragt. Im Rahmen einer einteilig ausgebildeten Bipolarplatte kann entsprechend vorgesehen sein, dass die gesamte
Bipolarplatte zumindest einen Montagenippel aufweist.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des
Anspruchs 10. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass zunächst ein
Oxidationsmittel aufweisendes Fluid mittels eines Zufuhrkanals eingeleitet wird, bevor der Fluidstrom in einen ersten Fluidstromteil und einen zweiten
Fluidstromteil aufgeteilt wird. Der erste Fluidstromteil wird gemäß dem
gegenständlichen Verfahren entlang einer ersten Verteilschicht geleitet, wohingegen der zweite Fiuidstromteii entlang einer zweiten Verteilschicht geleitet wird. Gemäß einem weiteren Schritt des erfindungsgeinäßen Verfahrens wird anschließend mittels innerhalb der zweiten Verteilstruktur angeordneten
Strömungsleitvorrichtungen schließlich zumindest ein Teil des ersten Fluidstromteils in die zweite Verteilschicht und zumindest ein Teil des zweiten Ffuidstromteils in die erste Verteilschicht abgeführt. Damit bringt das
erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit
Bezug auf die erfindungsgemäße Bipolarplatte beschrieben worden sind, insbesondere wird durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine geringere Entfeuchtung der Membran einer Brennstoffzelle erreicht.
Hierdurch kann unter anderem eine Reduzierung des zur Sauerstoffversorgung notwendigen Luftdrucks erzielt werden, wodurch eine Reduzierung der Kosten und der während der Reaktion auftretenden Verluste erzielt werden kann. Ferner ist es durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine Reduzierung der Zellenhöhe vorzunehmen, womit insbesondere eine
kostengünstigere und kompaktere Anordnung garantiert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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 2a eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte des
Brennstoffzellenstapels aus Figur 1,
Figur 2b eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit einer Membran- Elektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels aus Figur 1, Figur 3a eine Draufsicht auf eine zweite Verteilstruktur gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel,
Figur 3b einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur von Figur 3a entlang der
Schnittlinie A-A\
Figur 4a eine Draufsicht auf eine zweite Verteilstruktur gemäß Fig, 3a,
Figur 4b einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur von Figur 4a entlang der
Schnittlinie A-A‘,
Figur 5a eine Draufsicht auf eine zweite Verteilstruktur gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
Figur 5b einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur von Figur 5a entlang der
Schnittlinie A-A‘,
Figur 6a eine Draufsicht auf eine zweite Verteilstruktur gemäß Fig, 5a und
Figur 6b einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur von Figur 5a entlang der
Schnittlinie B-B‘. ln den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische
Bezugszeichen verwendet. 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- Elektrodeneinheit 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 bezeichnet. Die Membran ist als Polymerelektrolytmembran 18 ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen (H+- Ionen) durchlässig.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf die sich beidseitig an die Membraneiektrodeneinheit 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 eine erste Verteilstruktur 50 zur
Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Verteilstruktur 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, die der Katode 22 zu gewandt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Verteilstruktur 70, welche zwischen der ersten Verteilstruktur 50 und der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet ist. Die dritte Verteilstruktur 70 dient zur Durchleitung eines
Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzellen 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
Die erste Verteilstruktur 50 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine erste innere Trennschicht 85 voneinander getrennt. Die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine zweite innere Trennschicht 86 voneinander getrennt. Die inneren Trennschichten 85,86 der Bipolarplatte 40 sind fluiddicht ausgebiidet
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite
Verteilstruktur 60 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 fließen durch die Verteilstrukturen 50, 60, 70 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen
Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die
Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser,
Figur 2a zeigt eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte 40 des
Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1. Die Bipolarplatte 40 weist die in Figur 1 dargestellte erste Verteilstruktur 50, die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 auf. Die Montagenippel 167 und 168 der zweiten Verteilstruktur 60 ragen in den Zufuhrkanal 161 und in den Abfuhrkanal 162 der zweiten
Verteilstruktur 60 hinein. Ebenso verhält es sich entsprechend bzgl der
Montagenippel 157, 158 bzw. 177, 178 der ersten und dritten Verteilstruktur 50, 70 und den entsprechenden Zufuhr- und Abfuhrkanäien 151, 171 und 152, 172.
Die dritte Verteilstruktur 70 ist mit der ersten Verteilstruktur 50 an der ersten inneren Trennschicht 85 stoffschlüssig verbunden, Die dritte Verteilstruktur 70 ist mit der zweiten Verteilstruktur 60 an der zweiten inneren Trennschicht 86 stoffschlüssig verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung kann die
Bipolarplatte 40 auch einteilig ausgebildet sein. In diesem Fall sind die erste Verteilstruktur 50, die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 der Bipolarplatte 40 einteilig aus einem porösen Schaum 80 gebildet.
Die Bipolarplatte 40 ist quaderförmig ausgebildet und weist neben einer
Deckfläche 42 und einer gegenüberliegenden Bodenfläche 43 eine erste
Stirnfläche 47, eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche 48, eine nicht sichtbare erste Seitenfläche 45 sowie eine gegenüberliegende nicht sichtbare zweite Seitenfläche 46 auf. Die Deckfläche 42 und die Bodenfläche 43 verlaufen parallel zueinander und zu den inneren Trennschichten 85, 86. Die Deckfläche 42 und die Bodenfläche 43 verlaufen rechtwinklig zu den Stirnflächen 47, 48 und rechtwinklig zu den Seitenflächen 45, 46, Die Stirnflächen 47, 48 verlaufen rechtwinklig zu den Seitenflächen 45, 46.
Die Seitenflächen 45, 46 und die Stirnflächen 47, 48 sind jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die äußeren Trennschichten 82 der Seitenflächen 45, 46 und der Stirnflächen 47, 48 sind dabei einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet. Die inneren Trennschichten 85, 86 gehen in die äußeren Trennschichten 82 über. Die hier nicht sichtbaren Trennwände 88 gehen in die inneren Trennschichten 85, 86 und in die äußeren Trennschichten 82 über.
Im Gegensatz zu der ersten und dritten Verteilstruktur 50,70 ist die zweite Verteilstruktur 60 zweiteilig gebildet und umfasst eine erste Verteilschicht 60a und eine zweite Verteilschicht 60b. Die erste und zweite Verteilschicht 60a, 60b sind vorliegend übereinander, in parallel zueinander verlaufenden Schichten angeordnet, wobei die Schnittebenen beider Verteilschichten 60a, 60b, die jeweils durch die beiden Hauptträgheitsachsen (Trägheitsachsen mit den größten Trägheitsmomenten) einer Verteilschicht aufgespannt werden, parallel zueinander angeordnet sind.
Die erste Verteilschicht 60a ist hierbei in Form eines Schaums bzw. einer offenporösen Struktur gebildet und dazu vorgesehen, die Sauerstoffzufuhr zur Membran 18 hin zu gewährleisten, wobei diese Verteilschicht 60a dank ihrer großen Oberfläche einen optimalen Stoffaustausch ermöglicht. Die zweite Verteilschicht 60b soll hingegen vorzugsweise ausschließlich einen Kanal für eine Luftströmung mit geringem Druckverlust darstellen.
Figur 2b zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 40 mit einer Membran- Elektrodeneinheit 10 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1. Die Membran- Elektrodeneinheit 10 weist dabei einen Rahmen 12 aus umlaufenden Wänden auf. Die Membran 18, die Anode 21 und die Kathode 22 sind in den Rahmen 12 eingebettet, welcher dazu eine Vertiefung von vorliegend 200 pm aufweist. Vorliegend wird aufgrund der besonderen Relevanz im Hinblick auf die vorliegende Erfindung im Weiteren nur noch auf die zweite Verteilschicht 60 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 40 eingegangen, die in den Figuren 3 bis 6 in verschiedenen Ausführungsformen und Schnittdarstellungen gezeigt wird.
Figur 3a zeigt hierbei eine Draufsicht auf die zweite Verteilstruktur 60, die einen zentral gelegenen zweiten Verteilbereich 160a zur Verteilung des
Oxidationsmittels an die Kathode 22 aufweist.
Die zweite Verteilstruktur 60 ist von einem ersten Zufuhrkanal 151, einem zweiten Zufuhrkanal 161 und einem dritten Zufuhrkanal 171 sowie einem ersten Abfuhrkanal 152, einem zweiten Abfuhrkanal 162 und einem dritten Abfuhrkanal 172 durchbrochen. Der zweite Verteil bereich 160a ist dabei mit dem zweiten Zufuhrkanal 161 und dem zweiten Abfuhrkanal 162 verbunden.
Der zweite Abfuhrkanal 162 ist derart angeordnet, dass bezogen auf den zweiten Zufuhrkanal 161 eine optimale Strömung des Oxidationsmittels möglich ist.
Beispielsweise sind der zweite Zufuhrkanal 161 und der zweite Abfuhrkanal 162 an diagonal gegenüberliegenden Ecken der zweiten Verteilstruktur 60
angeordnet.
Die Zufuhrkanäle 151, 161, 171 sind durch fluiddichte Trennwände 88
voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Auch die Abfuhrkanäle 152, 162, 172 sind durch fiuiddichte Trennwände 88 voneinander getrennt, welche einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet sind. Somit ist der zweite Verteilbereich 160 auch von dem ersten Zufuhrkanal 151, dem ersten Abfuhrkanal 152, dem dritten Zufuhrkanal 171 und dem dritten Abfuhrkanal 172 getrennt.
Figur 3b zeigt einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur 60 von Figur 3a entlang der Schnittlinie A-A‘. Zu erkennen ist die erste Vertcilschicht 60a und die unterhalb der ersten Verteilschicht angeordnete zweite Verteilschicht 60b. Die erste Verteilschicht 60a umfasst hierbei den Verteilbereich 160a, der aus einem porösen Schaum 80 gebildet ist und an seiner Oberfläche die Deckschicht 42 aufweist. Ferner ist erkennbar, dass die sauerstoffhaltige Luft über den
Zufuhrkanal 161 gemäß der Pfeilrichtung 61 eingeführt wird, wobei die Luft zwischen dem ersten Verteilbereich 60a und dem zweiten Verteilbereich 60b, der in Form eines Kanals mit geringem Strömungswiderstand gebildet ist, aufgeteilt wird. Nach Aufteilung der Luftmenge zwischen dem ersten und zweiten
Verteilbereich 60a, b strömt ein Teil der, der ersten Verteilschicht 60a
zugeführten sauerstoffhaltigen Luft durch die Deckfläche 42 zu der hier nicht dargestellten Kathode 22, während der restliche Teil der, der ersten
Verteilschicht 60a sowie auch ein Teil der, der zweiten Verteilschicht zugeführten Luft über den Abfuhrkanal 162 aus der Zelle hinausgeführt wird. An einem ungefähr mittig zwischen Zuführ- und Abführkanal 161, 162 angeordneten Über gangsbereich 90 ist die fluiddichte Trennschicht ferner tiw. aufgebrochen, so dass die beiden Verteilschichten 60a, b dort unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind. An dieser Stelle findet ein Luftaustausch statt, indem die bis dahin über die zweite Verteilschicht 60b verteilte Luft mithilfe der
Strömungsleitvorhchtung 92 in die erste Verteilschicht 60a geleitet wird.
Hierbei ist die über die zweite Verteilschicht 60b verteilte Luft aufgrund seiner höheren Strömungsgeschwindigkeit deutlich kühler als die über die erste
Verteilschicht 60a verteilte Luftmenge, die insbesondere aufgrund ihres intensiven Stoffaustauschs an der Kathode, während der Strömung durch die erste Verteilschicht 60a deutlich stärker erwärmt wird.
Die ab dem Zeitpunkt des Austauschs nun durch die erste Verteilschicht 60a strömende vergleichsweise kältere Luftmenge besitzt aufgrund ihrer niedrigeren Temperatur eine deutlich geringere Wasseraufnahmefähigkeit, da die
Wasseraufnahmefähigkeit der Luft exponentiell mit sinkender Temperatur fällt. Aufgrund der niedrigeren Wasseraufnahmefähigkeit der Luft, wird der Zelle während der folgenden Luftversorgung zunächst einmal weniger Wasser entzogen, was sich - wie erkannt worden ist - positiv auf die Effektivität der Umsetzung der Reaktion sowie positiv auf die Lebensdauer der Membran auswirkt. Figur 4a zeigt eine Draufsicht auf die zweite Verteilstruktur 60 gemäß Figur 3a.
Figur 4b zeigt einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur 60 von Figur 4a entlang der Schnittlinie A-A‘.
Im Gegensatz zu Figur 3b zeigt Figur 4b gemäß dem Schnitt entlang der
Schnittlinie A-A‘ aus Figur 4a einen Über gangsbereich 90, an dem die zuvor innerhalb der ersten Verteilschicht 60a verteilte Luft mittels der
Strömungsleitvorrichtung 92 in die zweite Verteilschicht 60b geleitet wird und somit die innerhalb der ersten Verteilschicht 60a verteilte erwärmte Luft abgeführt wird.
Figur 5a zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Verteilstruktur 60 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel umfassend drei Verteilschichten 60a, 60b, 60c, von denen die zweite und die dritte Verteilschicht 60b, c nebeneinander, jeweils unterhalb der ersten Verteilschicht 60a angeordnet sind.
Figur 5b zeigt einen Schnit durch die zweite Verteilstruktur 60 von Figur 4a entlang der Schnittlinie A-A*.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 und 4 zeigt Figur 5b gemäß dem Schnit entlang der Schnittlinie A-A‘ zwei Übergangsbereiche 90 und 90‘ an denen die zuvor innerhalb der zweiten Verteilschicht 60b verteilte Luft mittels der Strömungsleitvorrichtungen 92 in die erste Verteilschicht 60a geleitet wird und somit eine Reduzierung der Austrocknung der Membran der
Brennstoffzelle 2 bewirkt wird. Auf diese Weise kann im Gegensatz zu einer zweiteilig ausgebildeten Verteilstruktur 60 eine noch effektivere Reduzierung der Austrocknung der Membran einer Brennstoffzelle erreicht werden. Neben den hier dargestellten Übergangsbereichen 90, 90* weist die zweite Verteilstruktur 60 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auch noch zumindest einen driten Übergangsbereich 60c auf, der vorzugsweise an der Grenzfläche zwischen der ersten, der zweiten und der dritten Verteilschicht 60a, 60b, 60c angeordnet ist und über den die innerhalb der ersten Verteilschicht transportierte erwärmte Luft abgeführt werden kann,
Figur 6a zeigt die Draufsicht gemäß Figur 5a.
Figur 6b zeigt einen Schnitt durch die zweite Verteilstruktur 60 von Figur 6a entlang der Schnittlinie B-B‘. Anhand des Schnittes gemäß Figur 6b erkennt man das Vorliegen der dreiteiligen Anordnung umfassend eine erste Verteilschicht 60a sowie zwei nebeneinander angeordnete, jeweils unter der ersten
Verteilschicht 60a angeordnete zweite und dritte Verteilschicht 60b, c, die nach außen hin jeweils über eine fluiddichte äußere Trennschicht abgetrennt sind.

Claims

Ansprüche
1, Bipolarplate (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend
eine erste Verteilstruktur (50) mit einem ersten Verteilbereich (150) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21) und
eine zweite Verteiistruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22), wobei die Verteilstrukturen (50, 60) zumindest tlw. aus einem porösen Schaum (80) gebildet sind und von einem ersten, mit dem ersten
Verteilbereich (150) verbundenen Zufuhrkanal (151) und einem zweiten, mit dem zweiten Verteilbereich (160) verbundenen Zufuhrkanal (161) durchbrochen sind, wobei die beiden Zufuhrkanäle (151, 161) durch zumindest eine fluiddichte Trennwand (88) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Verteilstruktur (60) zumindest zweiteilig gebildet ist und zumindest eine erste Verteilschicht (60a) mit einem ersten Verteil bereich (160a) und eine zweite Verteilschicht (60b) mit einem zweiten
Verteilbereich (160b) aufweist.
2. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und die zweite Verteilschicht (60a, b) der zweiten
Verteilstruktur (60) durch eine fluiddichte Trennschicht (85) voneinander getrennt sind, wobei die fluiddichte Trennschicht (85) in zumindest einem Übergangsbereich (90) aufgebrochen ist, an dem die erste (60a) und die zweite Verteilschicht (60b) unmitteibar aneinander angrenzend angeordnet sind.
3. Bipolarplate (40) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Verteilschicht (60b) der zweiten Verteilstruktur (60) in Form eines verstärkt luftpermeablen Kanals gebildet ist, wobei der Kanal vorzugsweise entlang des zweiten Verteilbereichs (160b) angeordnete Strömungsleitvorrichtungen {92} aufweist.
4. Bipolarplatte (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Verteilschicht (60b) der zweiten Verteilstruktur (60) eine geringere Schichtdicke, als die erste Verteilschicht (60a) der zweiten Verteilstruktur (60) aufweist, vorzugsweise weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als ein Drittel der Schichtdicke der ersten
Verteilschicht (60a).
5. Bipolarplatte (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Verteil bereich (150) von dem zweiten Verteilbereich {160) durch zumindest eine fluiddichte innere Trennschicht (85, 86) getrennt ist, wobei die Trennschicht einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet ist.
6. Bipolarplatte (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bipolarplatte (40) quaderförmig ausgebildet ist, wobei eine Deckfläche (42) und eine der Deckfläche (42) gegenüberliegende
Bodenfläche (43) der Bipolarplatte (40) fluiddurchlässig gebildet sind und wobei der erste Verteilbereich (150) unmittelbar an die Bodenfläche (43) und der zweite Verteilbereich (160) unmittelbar an die Deckfläche (42) angrenzen.
7. Bipolarplatte (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen (45, 46) und/oder zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen (47, 48) der Bipolarplatte (40) jeweils vollständig von einer einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildeten fluiddichten äußeren Trennschicht (82) umgeben sind,
8. Bipolarplatte (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der ersten Verteil Struktur (50) und der zweiten
Verteifstruktur (60) eine aus einem porösen Schaum (80) gebildete und zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehene dritte Verteilstruktur (70) mit einem dritten Verteilbereich (170) an geordnet ist, wobei die erste
Verteilstruktur (50) stoffschlüssig mit der dritten Verteilstruktur (70) und/oder die zweite Verteilstruktur (60) stoffschlüssig mit der dritten Verteilstruktur (70) verbunden ist.
9. Bipolarplatte (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Verteilstruktur (50, 60, 70) zumindest einen Montagenippel (157, 158, 167, 168, 177, 178) aufweist, welcher in eine benachbarte
Verteilstruktur (50, 60, 70) hineinragt.
10. Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran (18) einer Brennstoffzelle (2), umfassend die Schritte:
- Einleiten eines ein Oxidationsmittel aufweisendes Fluid mittels eines Zufuhrkanals (161),
- Aufteilen des Fluidstroms in einen ersten Fluidstromteil, der entlang einer ersten Verteilschicht (60a) geleitet wird und in einen zweiten Fluidstromteil, der entlang einer zweiten Verteiischicht (60b) geleitet wird, Abführen zumindest eines Teils des ersten Fluidstromteils in die zweite Verteilschicht (60b) und Zuführung zumindest eines Teils des zweiten Fluidstromteils in die erste Verteilschicht (60a) mitels innerhalb der zweiten Verteilstruktur angeordneten Strömungsleitvorrichtungen (92).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20020114990A1 (en) * 2000-08-31 2002-08-22 Fly Gerald W. Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
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