Stand der Technik Niedertemperatur-Brennstoffzellen, wie beispielsweise die Wasserstoff-Brennstoffzelle oder auch die Direkt- Methanol-Brennstoffzelle, benötigen regelmäßig eine gleichmäßige Versorgung mit Betriebsstoffen. Dazu gehö- ren zum einen der Brennstoff, beispielsweise H2 oder Methanol, bzw. ein Methanol-Wassergemisch, und zum an- deren das Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder auch Sauerstoff.

Eine gleichmäßige Verteilung der Betriebsstoffe kann durch Einsatz einer bipolaren Platte mit einer Kanal- struktur oder auch mit einer Mäanderstruktur erfolgen.

Aus US-4 988 583 ist eine bipolare Platte bekannt, bei der ein mäanderförmig verlaufender Kanal ausgebildet ist. Diese Art von bipolarer Platte gewährleistet so- wohl bei niedrigen Durchflüssen (Teillastbetrieb), als auch bei hohen Durchflußraten (Vollastbetrieb) eine gu- te Gleichverteilung der Betriebsstoffe auf die Elektro- denoberfläche.

Aus T. V. Nguyen : A gas distributer design for proton- exchange-membrane fuel cells, J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 5, L103-L105 (1996) ist ein Gasverteiler- system mit kammartigen und miteinander verzahnten Ein- laß-und Auslaßkanälen, die an ihren Enden geschlosse- nen sind, bekannt. Das Betriebsmittel wird in den an ihren Enden geschlossenen Einlaßkanälen verteilt, strömt bis zu deren Ende, und wird an eine porös aus- gestaltete Elektrode geführt. Dabei wird ein ver- gleichsweise großer Druckunterschied zwischen den Ein- laßkanälen und den Auslaßkanälen aufgebaut und das Be- triebsmittel, bzw. das Reaktionsprodukt strömt durch eine Diffusionsschicht der an die bipolare Platte gren- zenden Elektrode.

Ein noch nicht endgültig gelöstes Problem stellt die homogene Befeuchtung der Membran dar, da nur sie den effektiven Transport der Ionen gewährleistet. Auf der Brennstoffseite erfolgt dies regelmäßig beim Einsatz von Methanol, einem Methanol-Wassergemisch oder be- feuchtetem Wasserstoff. Auf der Oxidationsmittelseite kann es jedoch bei Einsatz von nicht befeuchteten Gasen nachteilig zu einem Austrocknen einzelner Membranberei- che kommen.

Nachteilig wird auch bei den im Stand der Technik zi- tierten bipolaren Platten auf der Oxidationsmittelseite regelmäßig das Problem nicht gelöst, das in den Kanälen anfallende Wasser in ausreichendem Maße abzuführen. Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen tritt zusätzlich das Problem auf, daß nicht nur kathodenseitig Wasser ent-

steht, sondern auch von der Anodenseite her Wasser durch Elektroosmose durch die Membran, bzw. den Elekt- rolyten übertritt. Läuft ein Kanal voll, so steigt dort der Strömungswiderstand an und die Strömung weicht auf die übrigen Kanäle aus. Dadurch entsteht nachteilig ei- ne Ungleichverteilung des Oxidationsmittels innerhalb der Brennstoffzelle. Es kommt zu einer Transporthemmung hinsichtlich des Oxidationsmittels mit der Folge, daß dadurch die Leistung und der Wirkungsgrad der Brenn- stoffzelle negativ beeinflußt wird.

Aufgabe und Lösung Aufgabe der Erfindung ist es eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle zu schaffen, mit der eine inhomo- gene Befeuchtung der Membran-Elektroden-Einheit bei Einsatz von nicht befeuchtetem Gas weitgehend verhin- dert wird.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle bereit zu stellen, bei dem eine Leistungsreduzierung aufgrund ungleicher Befeuchtung einer Membran-Elektroden-Einheit vermieden wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine bipolare Platte ge- mäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Ne- benanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung Die bipolare Platte für eine Brennstoffzelle weist we- nigstens einen Verteilerkanal zur Verteilung eines Be- triebsmittels über eine Elektrode, einen Zuführungska- nal und einen Abführungskanal auf, über die das Be- triebsmittel in bzw. aus dem Verteilerkanal geführt werden kann. Weiterhin umfaßt die bipolare Platte we- nigstens einen zusätzlichen Zuführungskanal, der direkt in den Verteilerkanal mündet. Dies hat den Vorteil, daß im Fall von nicht befeuchtetem Gas als Betriebsstoff, der Bereich, bzw. die Länge des Verteilerkanals, auf der das durchströmende Gas relativ trocken ist und da- mit nachteilig zu einer Austrocknung der Membran führt, minimiert werden kann.

Im Fall von flüssigen Brennstoffen als Betriebsmittel führt ein zusätzlicher Einlass (Zuführung) dazu, daß vorteilhaft mit geringeren Konzentrationen gearbeitet werden kann.

Eine Ausführungsform der bipolaren Platte sieht mindes- tens zwei weitere Zuführungskanäle in den Verteilerka- nal vor. Je mehr zusätzliche Zuführungen vorgesehen werden, desto gleichmäßiger verläuft die Feuchtigkeits- bzw. Konzentrationskurve der Betriebsmittel bei Einsatz der bipolaren Platte in einer Brennstoffzelle. Beides führt vorteilhaft zu einer verbesserten Leistung.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht einen mäanderförmigen Verteilerkanal vor. Je länger ein Ver- teilerkanal ist, desto vorteilhafter wirken sich zu- sätzliche Einspeisungen im Betrieb einer Brennstoffzel- le aus. Bei den Direkt-Methanol-Brennstoffzellen ist

für eine bipolare Platte häufig nur ein Verteilerkanal in Form eines eng geschlungenen Mäanders vorgesehen.

Durch zusätzliche vorgesehene Zuführungskanäle lassen sich während des Betriebs der Brennstoffzelle ver- gleichsweise geringere Strömungsgeschwindigkeiten bei der Zuführung des Oxidationsmittels einstellen. In Strömungsrichtung nimmt dann die Strömungsgeschwindig- keit entlang des Verteilerkanals aufgrund der weiteren Zuführungen zu. Durch die ansteigende Strömungsge- schwindigkeit zum Ende des Verteilerkanals wird das ge- bildete Produktwasser besonders effektiv aus dem Ver- teilerkanal ausgeschleust.

Spezieller Beschreibungsteil Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von drei Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne daß der Gegenstand der Erfindung da- durch beschränkt wird.

Es zeigen Figur 1 : Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen bipolaren Platte in der Aufsicht.

Figur 2 : Schematisches Diagramm des Feuchtegrads eines Betriebsgases gegen die Länge des Verteiler- kanals (in Strömungsrichtung des Betriebsmit- tels) am Beispiel einer Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM) Kathode. Vergleich einmalige Zuführung des nicht befeuchteten Gases und Zuführung über zwei weitere erfindungsgemäße Einspeisungen.

Figur 3 : Schematisches Diagramm der Konzentration ei- nes Methanol-Wassergemisches gegen die Länge des Verteilerkanals am Beispiel einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Anode. Ver- gleich zwischen einer einmaligen Zuführung des Brennstoffs und einer Zuführung über zwei weitere erfindungsgemäße Einspeisungen.

In der Figur 1 werden zwei Ausführungsformen einer bi- polaren Platte gezeigt. Die erste weist einen mäander- förmigen Verteilerkanal 3 sowie einen Zuführungskanal 1 und einen Abführungskanal 2 auf. Zusätzlich sind an zwei weiteren Stellen Zuführungskanäle 4 vorgesehen.

Durch diese zusätzlichen Einspeisungsmöglichkeiten über die Zuführungen 4 kann die Strömung des Betriebsmit- tels, z. B. eines Gases am Anfang des Verteilerkanals geringer eingestellt werden. In diesem Fall beträgt der Druck nur ein Drittel des Drucks ohne weiter Einspei- sung. Die Verteilung des Betriebsmittels erfolgt somit mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit im ersten Teile des Verteilerkanals.

Im Fall eines nicht befeuchteten Oxidationsgases erhöht sich der Feuchtegrad des Gases durch die chemische Um- setzung aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit im ersten Teil sehr viel schneller als ohne eine weite- re Zusatzeinspeisung. Durch die weiteren Einspeisungen erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Verteilerkanals auf Werte, die im Fall ohne weitere Einspeisung schon zu Beginn eingestellt worden wären.

Im Mittel weist das Gas somit innerhalb des Verteiler- kanals eine höhere Feuchtigkeit auf, als ohne weitere Einspeisung. Damit wird aber vorteilhaft eine gleichmä-

ßigere Befeuchtung der Membran und als Folge eine ver- besserte Leistungsbereitstellung der Brennstoffzelle erzielt.

Für die zweite Ausführung einer bipolaren Platte mit geraden parallel angeordneten Verteilerkanälen ergibt sich die gleiche vorteilhafte Wirkungsweise.

Die Figur 2 erläutert den Zusammenhang zwischen dem Feuchtegrad (9) eines Betriebsgases und der Länge des Verteilerkanals in Strömungsrichtung am Beispiel einer PEM Kathode. Durch die vergleichsweise geringe Strö- mungsgeschwindigkeit wird das Gas zu Beginn schneller mit Feuchtigkeit angereichert. Durch die zusätzliche Einspeisung tritt zwar zunächst eine Art Verdünnungsef- fekt ein, der aber im weiteren Verlauf sogar mehr als kompensiert wird. Die entlang der Länge des Verteiler- kanals zunehmende Strömungsgeschwindigkeit weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß das gebildete Produktwas- ser schnell aus dem Verteilerkanal entfernt wird.

Ähnlich vorteilhaft zeigt sich eine zusätzliche Ein- speisung auch auf der Anodenseite einer Polymermembran- Brennstoffzelle (PEM), wie in Figur 3 schematisch ge- zeigt wird. Als Brennstoff wird beispielsweise eine Me- thanol-Wassermischung mit einer Konzentration Cmax an Methanol eingesetzt. Durch die chemische Umsetzung der Brennstoffzelle wird Methanol verbraucht. Als Folge sinkt die Konzentration an Methanol entlang des Vertei- lerkanals deutlich ab. Dies führt nachteilig zu einer inhomogenen Umsetzung.

Durch die erfindungsgemäße weitere Einspeisung einer Methanol-Wassermischung wird das Konzentrationsgefälle entlang des Verteilerkanals deutlich reduziert, obwohl insgesamt niedrigere Methanolkonzentrationen eingesetzt werden. Als Folge weist eine solche Brennstoffzelle ein homogeneres, und damit verbessertes Leistungsprofil auf.

Ausführungsbeispiel : Eine bipolare Platte der Größe 100 x 100 mm2 wird mit einem Mäander 3 mit den geometrischen Abmessungen 1 x 1 x 1 mm3 mit einer Stegbreite von 1 mm versehen. Der Mäander 3 weist zusätzlich zum Einlass 1 und Auslass 2 drei weitere Versorgungsbohrungen (Einlasskanäle) 4 auf, durch die die Luft in den Mäander 3 geführt werden kann. Die Anordnung der Versorgungsbohrungen (Zuführungskanal 1 und zusätzliche Zuführungskanäle 4) erfolgt derart, dass die Weglänge im Mäander 3 von einer Zuführungsbohrung zur nächsten gleich ist.