Bipoiarpiatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Reduzierung der Entfeuchtung einer Membran einer Brenn Stoff

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 (H ₂ ) 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.