WO2019175199A1

WO2019175199A1 - Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2019175199A1
Application number: PCT/EP2019/056201
Authority: WO
Inventors: Ulrich Berner; Stefan Schoenbauer
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-09-19
Also published as: DE102018203827A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient, aufweisend ein Gewebe (20) zum Verteilen des Reaktanten, wobei das Gewebe (20) zwischen einer Bipolarplatte (101) und einer Elektrodeneinheit (102) der Brennstoffzelle (100) anordenbar ist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gewebe (20) zumindest zwei Arten von Fasern (21, 22) aufweist, nämlich: 1) Basisfasern (21) zum Herstellen einer Grundstruktur (S) des Gewebes (20) und 2) Funktionsfasern (22) zum Unterstützen mindestens einer funktionswesentlichen Funktion (A, B, C, D) der Gasverteilerstruktur (10), darunter: A) Leiten eines elektrischen Stroms zwischen der Bipolarplatte (101) und der Elektrodeneinheit (102), B) Formen von Strömungskanälen für den Reaktanten, C) mechanisches Kraftaufnehmen zwischen der Bipolarplatte (101) und der Elektrodeneinheit (102) und D) Kontaktieren der Bipolarplatte (101) der Brennstoffzelle (100) von einer Seite (Sl) der Gasverteilerstruktur (10) und der Elektrodeneinheit (102) der Brennstoffzelle (100) von einer anderen Seite (S2) der Gasverteilerstruktur (10).

Description

Beschreibung

Titel

Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient und die ein Gewebe zum Verteilen des Reaktanten aufweist, wobei das Gewebe an eine Bipolarplatte der Brennstoffzelle angrenzt. Ferner betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient.

Stand der Technik

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Brennstoffzellen werden Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Ein Stapel/Wiederholungseinheit dieses Aufbaus bildet einen Stack. Die Reaktanten, bspw. Wasserstoff und Sauerstoff, sowie die

Kühlflüssigkeit werden über eine Gasverteilerstruktur in die Brennstoffzelle geleitet.

Die funktionswesentlichen Funktionen der Gasverteilerstrukturen auf einer Anodenseite und einer Kathodenseite sind folgende:

A) Leiten eines elektrischen Stroms sowie Abtransportieren der Abwärme aus einer Katalysatorschicht bis hin zum Kühlmittel,

B) Verteilen der Reaktante und Abtransportieren der Reaktionsprodukte,

C) Mechanisches Kraftaufnehmen beim Bilden eines Stacks,

D) Kontaktieren einer Bipolarplatte von einer Seite und einer Elektrodeneinheit von einer anderen Seite der Gasverteilerstruktur. Nach aktuellem Stand der Technik werden geprägte metallische Bleche als Gasverteilerstrukturen eingesetzt, die eine Steg/Kanalstruktur bilden. Unterhalb der Stege liegt jedoch kein Gasfluss vor, sodass auf der Luftseite sich unter den Stegen Produktwasser ansammelt. Dadurch können die Poren innerhalb der Elektrodeneinheit (zumeist kohlenstoffpapierartiges Gebilde) verblockt werden. Dadurch wird der Sauerstoff-Transport hin zur Katalysatorschicht lokal stark gehemmt und die Leistung sowie die Gesamtperformance der Brennstoffzelle vermindert.

Offenporöse Schäume werden als eine Alternative zu den geprägten

metallischen Blechen verwendet. Die Stege innerhalb des Schaums haben eine Dicke von wenigen Mikrometer. Darunter sammelt sich nicht nennenswert Flüssigwasser an. Jedoch sind die Schäume in der Herstellung relativ teuer und die Porenstruktur ist darin willkürlich, sodass kann keine gerichtete Kanalstruktur durch die Schäume vorgegeben werden kann. Daher weisen die Schäume einen im Vergleich zu geprägten Blechen hohen Druckverlust auf. Dies führt wiederum zu erhöhten Anforderungen an den Luftkompressor, der Luft in die Zelle bläst.

Als eine Alternative zu den offenporösen Schäumen sind Gewebe denkbar. Gewebe können im Vergleich den offenporösen Schäumen gleichmäßigen Strukturen bilden. Gleichmäßige Gewebe weisen jedoch ein

Optimierungspotential auf.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung sieht eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle,

insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie eine Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Gasverteilerstruktur mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, vor, die zum Bereitstellen eines

Reaktanten, insbesondere eines Oxidationsmittels, an die Brennstoffzelle dient, aufweisend ein Gewebe zum Verteilen des Reaktanten, wobei das Gewebe zwischen einer Bipolarplatte und einer Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle anordenbar ist. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Gewebe zumindest zwei Arten von Fasern aufweist, nämlich:

1) Basisfasern zum Herstellen einer Grundstruktur des Gewebes und

2) Funktionsfasern zum Unterstützen mindestens einer

funktionswesentlichen Funktion der Gasverteilerstruktur, darunter:

A) Leiten eines elektrischen Stroms zwischen der Bipolarplatte und der Elektrodeneinheit, insbesondere in eine Richtung senkrecht zur Bipolarplatte,

B) Formen von Strömungskanälen für den Reaktanten in eine

Strömungsrichtung, insbesondere parallel zur Bipolarplatte,

C) mechanisches Kraftaufnehmen zwischen der Bipolarplatte und der Elektrodeneinheit, insbesondere in die Richtung senkrecht zur Bipolarplatte, und

D) Kontaktieren der Bipolarplatte der Brennstoffzelle von einer Seite der Gasverteilerstruktur und der Elektrodeneinheit der

Brennstoffzelle von einer anderen Seite der Gasverteilerstruktur.

Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur kann auf der Kathodenseite der Bipolarplatte vorteilhaft sein, um Wasseransammlungen unterhalb der

Gasverteilerstruktur innerhalb der Elektrodeneinheit zu vermeiden. Dank der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur kann die Bipolarplatte auf der

Kathodenseite planar ausgestaltet sein, bspw. als ein flaches Blech. Auf der Anodenseite kann die Bipolarplatte ein geprägtes metallisches Blech aufweisen. Zwischen den beiden Blechen kann ein Kühlmittel aufgenommen werden. Als Elektrodeneinheit ist dabei ein kohlenstoffpapierartiges Gebilde mit

Platinpartikeln auf der Membranseite denkbar. 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 und kann ggf. gewellt ausgeformt sein.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die unterschiedlichen Arten von Fasern (Basisfasern und Funktionsfasern) innerhalb des Gewebes gezielt ausgenutzt werden, um zumindest eine und vorzugsweise mehrere

funktionswesentliche Funktionen der Gasverteilerstruktur zu verbessern.

Unterhalb der Funktionsfasern sind ebenfalls unterschiedliche Arten von Fasern denkbar, um verschiedene Funktionen der Gasverteilerstruktur gezielt zu verstärken.

So können sich die Basisfasern quer zur Strömungsrichtung des Reaktanten erstrecken. Die Basisfasern können dabei starr und stabil ausgebildet sein und bspw. eine gewellte Form aufweisen. Die Basisfasern können aus Metalldrähten bereitgestellt werden. Mindestens eine Basisfaser kann als ein Band bzw.

Streifen ausgebildet sein, um die Grundstruktur zu verstärken.

Eine Art von Funktionsfasern kann bspw. aus einem nicht leitenden Material, wie z. B. Kunststoff oder Naturfaser, ausgebildet sein. Solche Funktionsfasern können insbesondere dort gewichtssparend und kostenreduzierend eingesetzt werden, wo die Funktionsfasern keine tragende Funktion aufweisen. Solche Funktionsfasern können vorzugsweise zum Formen von Strömungskanälen, insbesondere die seitlichen Wände von Strömungskanälen, entlang der

Strömungsrichtung des Reaktanten eingesetzt werden. Weiterhin ist es denkbar, dass solche nicht leitenden Funktionsfasern als Bänder bzw. Streifen ausgebildet sein können, um seitlich abgeschlossene Strömungskanäle für den Reaktanten zu bilden.

Eine weitere Art von Funktionsfasern kann bspw. aus einem leitenden Material ausgebildet sein, wie z. B. Metall, insbesondere Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl. Solche Funktionsfasern können insbesondere dort auf eine vorteilhafte Weise eingesetzt werden, wo das Gewebe eine Auflagefläche zur Bipolarplatte der Brennstoffzelle und/oder eine Auflagefläche zur Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle bildet, um eine zuverlässige elektrische Kontaktierung herzustellen. Weiterhin ist es denkbar, dass solche leitenden Funktionsfasern als Bänder bzw. Streifen ausgebildet sein können, um die elektrische Kontaktierung zu verbessern und Fügeverfahren, wie z. B. Laserschweißen, zu ermöglichen. Des Weiteren ist es denkbar, dass solche leitenden Funktionsfasern, die die Elektrodeneinheit kontaktieren, nach Art eines Bukleefadens

zusammengeschoben werden können, um eine gerippte bzw. punktuelle

Auflagestruktur entlang der Funktionsfaser auf der Elektrodeneinheit

herzustellen. Somit kann eine Verwirbelung des Reaktantes an der

Auflagestruktur zur Elektrodeneinheit ermöglicht werden, um eine Ablagerung des Produktwassers zu vermeiden und ein Abtransport des Produktwassers zu begünstigen.

Eine noch weitere Art von Funktionsfasern kann zum Bilden einer säulenartigen Struktur im Rahmen der Basisfasern verwendet werden, um die Grundstruktur des Gewebes auszusteifen und mechanisches Kraftaufnehmen, insbesondere in die Richtung senkrecht zur Bipolarplatte sicherzustellen.

Mehrere Arten von Funktionsfasern können miteinander kombiniert werden.

Ferner kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass die Basisfasern aus einem leitenden Material, insbesondere aus Metall oder kohlenstoffbasiertem Material, bspw. aus einem leitenden Polymer, ausgebildet sind. Solche Basisfasern stellen die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes sicher. Außerdem stellen solchen Basisfasern eine stabile Grundstruktur des Gewebes sicher.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass mindestens eine Funktionsfaser aus einem nicht leitenden Material,

insbesondere aus Kunststoff oder Naturfaser, ausgebildet ist. Wie oben bereits erwähnt, können solche Funktionsfaser erhebliche Kosten- und Gewichtsvorteile mit sich bringen.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass mindestens eine Funktionsfaser aus einem leitenden Material, insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus einem nicht rostenden Metall, bevorzugt aus Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl, ausgebildet ist. Wie oben bereits erwähnt, können solche Funktionsfasern vorteilhafterweise zur verbesserten elektrischen Kontaktierung der Bipolarplatte der Brennstoffzelle von einer Seite des Gewebes und der Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle von einer anderen Seite des Gewebes verwendet werden.

Zudem kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass die Basisfasern quer zu einer Strömungsrichtung des Reaktanten ausgerichtet sind, wobei insbesondere die Basisfasern starr ausgebildet sein können. Solche Basisfasern können auf eine zuverlässige Weise eine tragende Funktion übernehmen. Mithilfe von solchen Fasern kann eine stabile Struktur zum

Verteilen des Reaktanten bereitgestellt werden. Die Basisfasern dienen dabei zum mechanischen Kraftaufnehmen, insbesondere in die Richtung senkrecht zur Bipolarplatte.

Außerdem kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass die Funktionsfasern parallel zu einer Strömungsrichtung des Reaktanten

ausgerichtet sind, wobei insbesondere die Funktionsfasern flexibel bzw.

verformbar ausgebildet sind. Somit können die Funktionsfasern zum Teil aus flexiblen und sogar nicht leitenden Materialien ausgewählt werden. Dies führt zur Gewichts- und Kostenreduktion.

Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorgesehen sein, dass mindestens eine Basisfaser und/oder mindestens eine Funktionsfaser in Form eines Streifens oder Bandes ausgebildet ist, wobei insbesondere die Breite des Streifens oder des Bandes 2 bis 20, vorzugsweise 5 bis 15, bevorzugt 10 Mal größer der Breite der Basisfasern ist. Somit können zum einen die Stabilität der Grundstruktur durch solche bandartigen Basisfasern und/oder die Ausformung von Strömungskanälen durch solche bandartigen Funktionsfasern verbessert werden.

Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur denkbar, dass mindestens eine Funktionsfaser zum Formen von Strömungskanälen, insbesondere von seitlichen Wänden der Strömungskanäle, ausgebildet ist. Somit können zumindest zum Teil abgeschlossene Strömungskanäle gebildet werden, die eine gerichtete Kanalstruktur ermöglicht. Somit können das Verteilen des Reaktantes und das Abtransportieren des Reaktionswassers ohne große Druckverluste ermöglicht werden.

Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorgesehen sein, dass mindestens eine Funktionsfaser zum Formen eines Auflagestreifens des Gewebes auf der Bipolarplatte oder einer punktuellen Auflagestruktur des Gewebes auf der Elektrodeneinheit ausgebildet ist. Ein Auflagestreifen des Gewebes auf der Bipolarplatte kann eine verbesserte elektrische Kontaktierung zur Bipolarplatte ermöglichen. Durch eine punktuelle Auflagestruktur der Funktionsfaser auf der Elektrodeneinheit kann eine

Verwirbelung des Reaktanten ermöglicht werden. Wie bereits oben erwähnt, kann dadurch der Abtransport des Reaktionswassers begünstigt werden und Wasseransammlungen innerhalb der Elektrodeneinheit, die die aktive Fläche an der Membran blockieren können, vermieden werden.

Zudem kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass das Gewebe eine 3-deminsionale, insbesondere periodische, Struktur aufweist, und/oder dass die Basiselemente eine periodische Form, insbesondere sinusoidale Form oder eine Mäanderform, aufweisen, die sich quer zur

Strömungsrichtung des Reaktanten erstreckt. Damit kann ein gleichmäßiges Verteilen des Reaktanten sichergestellt werden und Druckverluste können reduziert werden. Somit kann ein Verdichter zum Bereitstellen des Reaktanten kleiner dimensioniert werden und die elektrische Leistung zum Betreiben des Verdichters reduziert werden.

Außerdem kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass die Basiselemente eine säulenartige Struktur bilden, um die Bipolarplatte in einem Abstand zu der Membran- Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle anzuordnen. Somit kann ein Verteilen des Reaktanten begünstigt werden. Des Weiteren ist es denkbar, dass die Elemente der säulenartigen Struktur mithilfe von

Funktionsfasern gebildet sind. Somit kann die Stabilität der säulenartigen Struktur erhöht werden. Ferner sieht die Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vor, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bipolarplatte an mindestens einer Seite, insbesondere an einer Kathodenseite, eine Gasverteilerstruktur aufweist, die wie oben beschrieben ausgebildet sein kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Bipolarplatte können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im

Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur beschrieben wurden. Aus diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur und die erfindungsgemäße

Bipolarplatte und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine beispielhafte Bipolarplatte nach dem Stand der Technik,

Fig. 2a ein beispielhaftes Gewebe als eine Verteilerstruktur,

Fig. 2b ein weiteres Beispiel eines Gewebes als eine Verteilerstruktur,

Fig. 3a ein beispielhaftes Gewebe im Sinne der Erfindung mit mindestens einer Funktionsfaser aus einem nicht leitenden Material in der Draufsicht auf das Gewebe,

Fig. 3b eine perspektivische Ansicht des Gewebes gemäß der Figur 3a,

Fig. 4a ein weiteres beispielhaftes Gewebe im Sinne der Erfindung mit

mindestens einer bandartigen Funktionsfaser aus einem leitenden Material zur Kontaktierung einer Bipolarplatte in der Draufsicht auf das Gewebe von der Seite der Bipolarplatte,

Fig. 4b eine perspektivische Ansicht des Gewebes gemäß der Figur 4a, Fig. 5a ein weiteres beispielhaftes Gewebe im Sinne der Erfindung mit mindestens einer bandartigen Funktionsfaser aus einem nicht leitenden Material zum Formen von Strömungskanälen in der Draufsicht auf das Gewebe,

Fig. 5b eine perspektivische Ansicht des Gewebes gemäß der Figur 5a,

Fig. 6a ein kombiniertes Ausführungsbeispiel eines Gewebes im Sinne der

Erfindung in der Draufsicht auf das Gewebe,

Fig. 6b eine perspektivische Ansicht des Gewebes gemäß der Figur 6a,

Fig. 7a ein weiteres beispielhaftes Gewebe im Sinne der Erfindung mit mindestens einer bandartigen Funktionsfaser aus einem leitenden Material zur Kontaktierung einer Elektrodeneinheit in der Draufsicht auf das Gewebe von der Seite der Elektrodeneinheit,

Fig. 7b eine perspektivische Ansicht des Gewebes gemäß der Figur 7a,

Fig. 7c eine Schnittdarstellung des Gewebes gemäß der Figur 7a,

Fig. 8a eine schematische Darstellung eines möglichen, bspw.

sinusförmigen, Gewebes im Sinne der Erfindung in Kombination mit einer Bipolarplatte und einer Elektrodeneinheit,

Fig. 8b eine schematische Darstellung eines weiteren möglichen, bspw.

mäanderförmigen, Gewebes im Sinne der Erfindung in Kombination mit einer Bipolarplatte und einer Elektrodeneinheit,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines kombinierten Gewebes im

Sinne der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines säulenförmigen Gewebes im

Sinne der Erfindung, und Fig. 11 eine schematische Darstellung eines säulenförmigen Gewebes im Sinne der Erfindung, verstärkt an den Säulen durch die

Funktionsfaser.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.

Die Figur 1 zeigt ein klassisches Beispiel einer Verteilerstruktur 10* für eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik, die eine Bipolarplatte 101 aufweist, die aus zwei geprägten Metallblechen zusammengesetzt ist. Mithilfe von zwei geprägten Metallblechen wird eine Steg/Kanalstruktur gebildet, die zum Verteilen von Reaktanten, wie z. B. Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02, dient. Zwischen den Metallblechen sind Kanäle für eine Kühlflüssigkeit, bspw. Wasser H20, ausgebildet.

Wie es in der Figur 1 angedeutet ist, sammelt sich auf der Kathodenseite K der Bipolarplatte 101 ein Produktwasser H20, sodass unterhalb der Stege der Bipolarplatte 101 der Gasfluss gehindert ist. Das Produktwasser H20 kann dabei die Poren in einer porösen Elektrodeneinheit 102 blockieren, die bspw. als ein kohlenstoffpapierartiges Gebilde ausgebildet sein kann. Das Produktwasser H20 kann dadurch Bereiche der aktiven Fläche einer Membran 103 überdecken und die Leistung sowie die Gesamtperformance der Brennstoffzelle vermindern.

Die Figuren 2a und 2b zeigen ein Gewebe 20*, welches anstelle einer geprägten Stegstruktur der Bipolarplatte 101, bspw. auf der Kathodenseite K der

Bipolarplatte 101, eingesetzt werden kann. Auf der Kathodenseite K der

Bipolarplatte 101 kann in Kombination mit einem Gewebe 20* ein flaches Metallblech eingesetzt werden. Die Figur 2a zeigt ein relativ flaches Gewebe 20*, welches eine geordnete, poröse Struktur bildet. Die Figur 2b zeigt ein gewelltes Gewebe 20*, welches unterhalb der Wellendecher eine geordnete Kanalstruktur bildet.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren 3a bis 11 erklärt. Die Erfindung stellt eine Gasverteilerstruktur 10 für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, bereit, die zum Bereitstellen eines Reaktanten, insbesondere eines Sauerstoffes 02, an die Brennstoffzelle dient, aufweisend ein Gewebe 20 zum Verteilen des Reaktanten, wobei das Gewebe 20 zwischen einer Bipolarplatte 101 und einer Elektrodeneinheit 102 der

Brennstoffzelle anordenbar ist, wie es aus den Figuren 8a, 8b und 9 bis 11 ersichtlich ist. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Gewebe 20 zumindest zwei Arten von Fasern 21, 22 aufweist, nämlich:

1) Basisfasern 21 zum Herstellen einer Grundstruktur des Gewebes 20 und

2) Funktionsfasern 22 zum Unterstützen mindestens einer

funktionswesentlichen Funktion A, B, C, D der Gasverteilerstruktur 10.

Als funktionswesentliche Funktionen A, B, C, D der Gasverteilerstruktur 10 sind folgende Funktionen A, B, C, D denkbar:

A) Leiten eines elektrischen Stroms zwischen der Bipolarplatte 101 und der

Elektrodeneinheit 102, insbesondere in eine Richtung z senkrecht zur Bipolarplatte 101,

B) Formen von Strömungskanälen für den Reaktanten in eine

Strömungsrichtung x, insbesondere parallel zur Bipolarplatte,

C) mechanisches Kraftaufnehmen zwischen der Bipolarplatte 101 und der Elektrodeneinheit 102, insbesondere in die Richtung z senkrecht zur Bipolarplatte 101, und

D) Kontaktieren der Bipolarplatte 101 der Brennstoffzelle von einer Seite S1 der Gasverteilerstruktur 10 und der Elektrodeneinheit 102 der

Brennstoffzelle von einer anderen Seite S2 der Gasverteilerstruktur 10.

Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 ist insbesondere auf der

Kathodenseite K der Bipolarplatte 101 vorteilhaft, um Wasseransammlungen unterhalb der Gasverteilerstruktur 10 innerhalb der Elektrodeneinheit 102 zu vermeiden. In Kombination der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur 10 kann die Bipolarplatte 101 auf der Kathodenseite K planar ausgestaltet sein, bspw. als ein flaches Blech, wie es in den Figuren 8a, 8b und 9 bis 11 zum Ausdruck kommt. Wie es die Figuren 3a und 3b zeigen, werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Gewebes 20 mindestens zwei unterschiedliche Arten von Fasern 21, 22, nämlich Basisfasern 21 und Funktionsfasern 22 miteinander verwebt, um zumindest eine und vorzugsweise mehrere funktionswesentliche Funktionen A, B, C, D der Gasverteilerstruktur 10 zu verbessern. Unterhalb der Funktionsfasern 22 sind ebenfalls unterschiedliche Arten von Fasern denkbar, um verschiedene Funktionen A, B, C, D der Gasverteilerstruktur 10 gezielt zu verstärken. Dabei ist es denkbar, dass die Funktionsfasern 22, die keine tragenden Funktion aufweisen, insbesondere die die parallel zur

Strömungsrichtung x ausgerichtet sind, aus einem nicht leitenden Material, wie z. B. Kunststoff oder Naturfaser, ausgebildet sein können (Funktion B).

Wie es aus den Figuren 3a und 3b ersichtlich ist, können sich die Basisfasern 21 quer zur Strömungsrichtung x des Reaktanten erstrecken. Die Basisfasern 21 können dabei starr ausgebildet sein, um das Gewebe 20 in die Richtung z senkrecht zur Bipolarplatte 101 auszusteifen. Wie es im Folgenden die Figuren 8a und 8b zeigen, können die Basisfasern 21 eine gewellte Form aufweisen, wie z.B. eine sinusoidale Form (s. die Figur 8a) oder eine Mäanderform (s. die Figur 8b). Die Basisfasern 21 können aus Metalldrähten oder Bändern bzw. Streifen für eine erhöhte Steifigkeit des Gewebes 20 hergestellt werden.

Wie es die Figuren 4a und 4b zeigen, kann eine Art von Funktionsfasern 22 aus einem leitenden Material ausgebildet sein, wie z. B. Metall, insbesondere Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl (Funktion A). Solche Funktionsfasern 22 können insbesondere dort auf eine vorteilhafte Weise eingesetzt werden, wo das Gewebe 20 eine Auflagefläche zur Bipolarplatte 101 der Brennstoffzelle bildet, um eine zuverlässige elektrische Kontaktierung herzustellen (Funktionen C, D). Wie es in der Ansicht der Figur 4b angedeutet ist, können diese Funktionsfaser 22 zum Formen eines Auflagestreifens St des Gewebes 20 auf der Bipolarplatte 101 als Bänder bzw. Streifen ausgebildet sein, um eine elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte 101 zu verbessern und außerdem Fügeverfahren, wie z. B. Laserschweißen, zu ermöglichen.

Eine weitere Art von Funktionsfasern 22 ist in den Figuren 5a und 5b gezeigt, die aus einem nicht leitenden Material, wie z. B. Kunststoff oder Naturfaser, ausgebildet sein kann (Funktion B). Solche Funktionsfasern 22 können insbesondere dort gewichtssparend und kostenreduzierend eingesetzt werden, wo die Funktionsfasern 22 keine tragende Funktion innerhalb des Gewebes 20 aufweisen. Solche Funktionsfasern 22 können vorzugsweise zum Formen von seitlichen Wänden Sw der Strömungskanäle dienen, wie es die Figur 5b andeutet. Solche nicht leitenden Funktionsfasern 22 können vorzugsweise als Bänder ausgebildet sein, um seitliche Wände Sw der Strömungskanäle möglichst abzuschließen.

Die Figuren 6a und 6b zeigen eine Kombination von Funktionsfasern 22 aus den Figuren 4a und 4b sowie aus den Figuren 5a und 5b. Oben an der Auflagefläche des Gewebes 20 zur Bipolarplatte 101 können die Funktionsfasern 22, die die Auflagestreifen St des Gewebes 20 auf der Bipolarplatte 101 bilden, als

Metallbänder ausgebildet sein (Funktionen A, C, D). An den Seiten der

Strömungskanäle innerhalb des Gewebes 20 können die Funktionsfasern 22, die die Wände Sw der Strömungskanäle bilden, als Kunststoffbänder ausgebildet sein (Funktion B).

Die Figuren 7a und 7b zeigen eine weitere Art an Funktionsfasern 22 im Sinne der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten, die leitend ausgebildet und die die Elektrodeneinheit 102 kontaktieren können. Diese Funktionsfasern 22 können dabei zusammengeschoben werden, um eine gerippte bzw. punktuelle

Auflagestruktur entlang der Funktionsfaser 22 auf der Elektrodeneinheit 102 herzustellen. Somit kann eine Verwirbelung des Reaktantes an der

Auflagestruktur des Gewebes 20 zur Elektrodeneinheit 102 ermöglicht werden, die eine Ablagerung des Produktwassers vermeiden und ein Abtransport des Produktwassers begünstigen kann (erheblich verbesserte Funktion B).

Die Figuren 8a und 8b zeigen mögliche Formen der Basisfasern 21 in einem Querschnitt durch das Gewebe 20 quer zur Strömungsrichtung x des

Reaktanten, wie die Sinusform in der Figur 8a und die Mäanderform in der Figur 8b. Von einer Seite S1 grenzt das Gewebe 20 an die Bipolarplatte 101 und von der anderen Seite S2 an die Elektrodeneinheit 102. Die Figuren 9, 10 und 11 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen des Gewebes 20 im Sinne der Erfindung mit Basiselementen 21, die eine

säulenartige Struktur Sa bilden.

Die Figur 9 zeigt ein Kombinationsgewebe 20. Gemäß der Figur 9 können die Basisfasern 22 eine säulenartige Struktur Sa aufweisen. Zudem können dabei die Funktionsfasern 22 aus den Figuren 4a und 4b verwendet werden, die als metallische Bänder ausgebildet sein können, um Auflagestreifen St des

Gewebes 20 auf der Bipolarplatte 101 zu bilden (Funktionen A, C, D). Zusätzlich können die Funktionsfasern 22 aus den Figuren 5a und 5b verwendet werden, die nicht leitende Bänder ausgebildet sein können, um die Wände Sw der Strömungskanäle zu bilden (Funktion B).

Die Figur 10 zeigt ein Gewebe 20 im Sinne der Erfindung mit Basiselementen 21, die eine säulenartige Struktur Sa bilden, wobei die Säulen eine Tropfenform aufweisen können und ggf. unter einander verklebt werden können.

Die Figur 11 zeigt ein Gewebe 20 im Sinne der Erfindung mit Basiselementen 21, die eine säulenartige Struktur Sa bilden, bei der eine weitere Art von

Funktionsfasern 22 vorgesehen ist, die zum Verbinden der säulenartigen

Elementen der Basisfasern verwendet werden können (Funktion C). Dadurch kann die Stabilität des Gewebes 20 in die z-Richtung erheblich erhöht werden.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren 3a bis 11 beschreibt die

vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche

1. Gasverteilerstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum

Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient, aufweisend:

ein Gewebe (20) zum Verteilen des Reaktanten,

wobei das Gewebe (20) zwischen einer Bipolarplatte (101) und einer Elektrodeneinheit (102) der Brennstoffzelle (100) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet,

dass das Gewebe (20) zumindest zwei Arten von Fasern (21, 22) aufweist, nämlich:

1) Basisfasern (21) zum Herstellen einer Grundstruktur (S) des

Gewebes (20) und

2) Funktionsfasern (22) zum Unterstützen mindestens einer

funktionswesentlichen Funktion (A, B, C, D) der Gasverteilerstruktur (10), darunter:

A) Leiten eines elektrischen Stroms zwischen der Bipolarplatte (101) und der Elektrodeneinheit (102),

B) Formen von Strömungskanälen für den Reaktanten in eine

Strömungsrichtung (x),

C) mechanisches Kraftaufnehmen zwischen der Bipolarplatte (101) und der Elektrodeneinheit (102), und

D) Kontaktieren der Bipolarplatte (101) der Brennstoffzelle (100) von einer Seite (Sl) der Gasverteilerstruktur (10) und der

Elektrodeneinheit (102) der Brennstoffzelle (100) von einer anderen Seite (S2) der Gasverteilerstruktur (10).

2. Gasverteilerstruktur (10) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Basisfasern (21) aus einem leitenden Material, insbesondere aus Metall oder kohlenstoffbasiertem Material, ausgebildet sind.

3. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eine Funktionsfaser (22) aus einem nicht leitenden Material, insbesondere aus Kunststoff oder Naturfaser, ausgebildet ist, und/oder dass mindestens eine Funktionsfaser (22) aus einem leitenden Material, insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus einem nicht rostenden Metall, bevorzugt aus Titan, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl, ausgebildet ist.

4. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Basisfasern (21) quer zu einer Strömungsrichtung (x) des

Reaktanten ausgerichtet sind, wobei insbesondere die Basisfasern starr ausgebildet sind,

und/oder dass die Funktionsfasern (22) parallel zu einer Strömungsrichtung (x) des Reaktanten ausgerichtet sind, wobei insbesondere die

Funktionsfasern (22) flexibel bzw. verformbar ausgebildet sind.

5. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eine Basisfaser (21) und/oder eine Funktionsfaser (22) in Form eines Streifens oder Bandes ausgebildet sind/ist, wobei insbesondere die Breite des Streifens oder des Bandes 2 bis 20, vorzugsweise 5 bis 15, bevorzugt 10 Mal größer der Breite der Basisfasern (21) ist.

6. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eine Funktionsfaser (22) zum Formen von

Strömungskanälen, insbesondere von seitlichen Wänden (Sw) der Strömungskanäle, ausgebildet ist.

7. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eine Funktionsfaser (22) zum Formen eines

Auflagestreifens (St) Gewebes (20) auf der Bipolarplatte (101) oder einer punktuellen Auflagestruktur (Si) des Gewebes (20) auf der

Elektrodeneinheit (102) ausgebildet ist.

8. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass das Gewebe (20) eine 3-deminsionale, insbesondere periodische, Struktur (S) aufweist,

und/oder dass die Basiselemente (21) eine periodische Form,

insbesondere sinusoidale Form oder eine Mäanderform, aufweisen, die sich quer zur Strömungsrichtung (x) des Reaktanten erstreckt.

9. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Basiselemente (21) eine säulenartige Struktur (Sa) bilden, um die Bipolarplatte (101) in einem Abstand zu der Membran- Elektrodeneinheit (102) der Brennstoffzelle (100) anzuordnen,

und/oder dass die Elemente der säulenartigen Struktur (Sa) mithilfe von Funktionsfasern (22) gebildet sind.

10. Bipolarplatte (101) für eine Brennstoffzelle (100), die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Bipolarplatte (101) an mindestens einer Seite, insbesondere an einer Kathodenseite (K), eine Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.