Titel

Bipolarplate für ein Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Systemanspruch.

Stand der Technik

Bipolarplaten für Brennstoffzellen sind grundsätzlich bekannt. Die Verteilungskanäle für die Reaktanten und das Kühlmittel an den Bipolarplatten werden bspw. durch Prägen von planaren Platten ausgeformt. Bei der Auslegung der Verteilungskanäle müssen zumeist mehrere Optimierungsprobleme beachtet werden. Zum einen muss der hydraulische Diameter für die Reaktanten optimiert werden, damit der Druckabfall in die Flussrichtung der Reaktanten gesehen nicht zu hoch wird. Zum anderen muss die Höhe der Bipolarplaten reduziert werden, damit die Leistungsdichte des Systems erhöht wird. Weiterhin muss die Breite der Auflageflächen auf den Membran- Elektroden- Einheiten, insbesondere auf der Kathodenseite des Systems, reduziert werden, damit die Verluste beim Massentransport der Reaktanten bei Spitzenleistungen nicht zu hoch werden. Außerdem muss die Breite der Kanäle an sich reduziert werden, damit die Druckverteilung in der Mitte der Kanäle nicht zu niedrig wird.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt gemäß einem ersten Aspekt bereit: eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Die Erfindung stellt gemäß einem zweiten Aspekt bereit: ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Systemanspruch. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellensystem, die folgende Elemente aufweist: eine kathodenseitige Platte, die auf einer ersten Seite eine erste Kanalstruktur für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten bzw. ein Oxidationsmittel und auf einer zweiten Seite eine zweite Kanalstruktur für ein Kühlmittel aufweist, und eine anodenseitige Platte, die auf einer ersten Seite eine erste Kanalstruktur für einen brennstoff haltigen Reaktanten und auf einer zweiten Seite eine zweite Kanalstruktur für ein Kühlmittel aufweist, wobei die kathodenseitige Platte und die anodenseitige Platte mit den zweiten Seiten für das Kühlmittel aufeinander anliegen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die erste Kanalstruktur der kathodenseitigen Platte von der zweiten Kanalstruktur der (gemeint ist dergleichen) kathodenseitigen Platte geometrisch unterscheidet.

Ein Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die durch jeweils eine Bipolarplatte voneinander getrennt und die in Form eines Stapels aufeinander angeordnet sind. Von den Endseiten kann der Stapel durch monopolare Endplatten begrenzt sein.

Die Kanalstrukturen im Sinne der Erfindung können bspw. durch Umformen bzw. bildsame Formgebung, wie z. B. Fließpressen, Strangpressen, Tiefziehen und Biegen, in planare Platten eingebracht werden, die später als kathodenseitige Platten oder anodenseitige Platten dienen werden. Außerdem können fertig ausgeformte Platten durch Gießen in einem Formwerkzeug hergestellt werden.

Wenn eine klassische Rillenstruktur in eine planare Platte eingebracht, bspw. eingeprägt, wird, hat eine solche Rillenstruktur mit dem Blick auf eine Seite der Platte Vertiefungen, die mit dem Blick auf die andere Seite der Platte entsprechende Erhebungen darstellen. Dabei spricht die Erfindung von Kanalstrukturen, die auf beiden Seiten der umgeformten Platte, geometrisch gleich ausgebildet sind.

Die Erfindung sieht bewusst eine geometrisch unterschiedliche Ausgestaltung der ersten Kanalstruktur auf der ersten Seite der kathodenseitigen Platte und der zweiten Kanalstruktur auf der zweiten Seite der kathodenseitigen Platte. Eine geometrisch unterschiedliche Ausgestaltung bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die erste Kanalstruktur an der kathodenseitigen Platte nicht ein genaues Negativabbild der zweiten Kanalstruktur darstellen muss. Das heißt z. B., dass mit dem Blick auf eine Seite der kathodenseitigen Platte eine Vertiefung mit dem Blick auf die andere Seite der kathodenseitigen Platte nicht zugleich einer, insbesondere nur einer, Erhebung entsprechen muss oder umgekehrt.

Im Rahmen der Erfindung können an der kathodenseitigen Platte angrenzend an jeden Kühlmittelkanal zwei Reaktantenkanäle folgen. Mit anderen Worten können an der kathodenseitigen Platte abwechselnd nach jedem Kanal für das Kühlmittel zwei Kanäle für den sauerstoffhaltigen Reaktanten bereitgestellt werden. Folglich können gemäß der Erfindung zwei Oxidationsmittelkanäle für jeden Kühlmittelkanal bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Erfindung vorsehen, dass die Kanäle für den sauerstoffhaltigen Reaktanten zweigeteilt oder doppelt ausgebildet sind. Im Rahmen der Erfindung können die Kanäle für den sauerstoffhaltigen Reaktanten durch einen Steg voneinander getrennt sein, der als ein zusätzliches Landing bei der Auflage auf einer Kathodenseite einer Membranen-Elektroden-Einheit dienen kann.

Auf der anodenseitigen Platte können im Rahmen der Erfindung die Kanalstrukturen sowohl geometrisch gleich als auch geometrisch unterschiedlich ausgeformt sein.

Mithilfe der Erfindung kann die zweite Kanalstruktur an der kathodenseitigen Platte für einen großen hydraulischen Durchmesser des Kühlmittelkanals sorgen. Zugleich kann mithilfe der Erfindung sichergestellt werden, dass auf der ersten Seite der kathodenseitigen Platte kleine Landings zur Auflage auf der Kathodenseite der Membranen-Elektroden-Einheit bereitgestellt werden können. Außerdem kann mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, dass zum Ausformen der Kühlmittelkanäle an der kathodenseitigen Platte größere Entformungswinkel, sog. draft angles, genutzt werden können.

Ferner kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass die kathodenseitige Platte in eine Richtung quer zu einzelnen Kanälen der ersten Kanalstruktur und der zweiten Kanalstruktur gesehen abwechselnd ein Kanal für das Kühlmittel und zwei Kanäle für den sauerstoffhaltigen Reaktanten aufweist. Mit anderen Worten kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass die erste Kanalstruktur der kathodenseitigen Platte doppelte und/oder zweigeteilte Kanäle für den sauerstoffhaltigen Reaktanten aufweist, und/oder dass die zweite Kanalstruktur der kathodenseitigen Platte einfache Kanäle für das Kühlmittel aufweist. Somit können relativ breite Kanäle für das Kühlmittel bereitgestellt werden, um Druckverluste in die Flussrichtung des Kühlmittels zu reduzieren. Zugleich können somit kleinere Landings zur Auflage auf der Kathodenseite der Membranen-Elektroden-Einheit bereitgestellt werden können, um Produktwasseransammlungen unter den Landings zu vermeiden und bessere Druckverteilung entlang der kathodenseitigen Platte beim Verpressen der Brennstoffzellen zu einem Stapel zu ermöglichen.

Weiterhin kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass die doppelten Kanäle der ersten Kanalstruktur durch einen Steg voneinander getrennt sind. Vorteilhafterweise kann der Steg zwischen den Oxidationsmittelkanälen eine zentrale Stützsäule bilden, um eine verbesserte Druckverteilung entlang der kathodenseitigen Platte beim Verpressen der Brennstoffzellen zu einem Stapel zu erreichen. Das zentrale Landing unter dem Steg kann bspw. abgerundet ausgebildet sein.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass die doppelten Kanäle der ersten Kanalstruktur durch zwei unabhängig voneinander geprägte Rillen ausgebildet sind. Somit kann die kathodenseitige Platte durchgehend mit einer im Wesentlichen gleichen Materialstärke bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann die kathodenseitige Platte einfach und kostengünstig hergestellt werden, bspw. durch eine bildsame Formgebung. Zudem kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass sich die erste Kanalstruktur der anodenseitigen Platte von der zweiten Kanalstruktur der anodenseitigen Platte geometrisch unterscheidet. Dabei ist es denkbar, dass die anodenseitige Platte ähnlich wie die kathodenseitige Platte ausgeformt sein kann. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die anodenseitige Platte in eine Richtung quer zu einzelnen Kanälen der ersten Kanalstruktur und der zweiten Kanalstruktur gesehen abwechselnd ein Kanal für das Kühlmittel und zwei Kanäle für den brennstoff haltigen Reaktanten aufweisen kann. Vorteilhafterweise können die beiden Platten der Bipolarplatte so aufeinander gelegt werden, dass die Stege in den doppelten Reaktantenkanälen übereinander liegen. Auf diese Weise können an den Kontaktflächen zwischen den beiden Platten der Bipolarplatte breitere Auflageflächen hergestellt werden. Somit kann verhindert werden, dass die Platten ineinander rutschen und sich ineinander verschachteln. Auch können somit die elektrischen Kontaktverluste zwischen den Platten verringert werden. Aufgrund der breiteren Auflageflächen in der Mitte der Reaktantenkanäle kann des Weiteren die Höhe der Kanäle reduziert werden.

Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die erste Kanalstruktur der anodenseitigen Platte und die zweite Kanalstruktur der anodenseitigen Platte geometrisch gleich ausgebildet sein können. Da auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle das Problem von Ansammlungen des Produktwassers nicht entsteht und der brennstoffhaltige Reaktant in höherer Konzentration bereitgestellt wird als der sauerstoffhaltige Reaktant, kann auf der Anodenseite eine klassische kostengünstige geprägte Platte eingesetzt werden, die mit dem Blick auf eine Seite Vertiefungen aufweist, die mit dem Blick auf die andere Seite der Platte entsprechende Erhebungen darstellen.

Außerdem kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass die erste Kanalstruktur an der anodenseitigen Platte Landings unter den Kanälen für das Kühlmittel aufweist, die zur Auflage auf einer Anode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ausgebildet sind, und dass die erste Kanalstruktur an der kathodenseitigen Platte Landings unter den Kanälen für das Kühlmittel aufweist, die zur Auflage auf einer Kathode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ausgebildet sind, wobei die Landings an der anodenseitigen Platte eine größere Breite aufweisen als eine Breite von Landings an der kathodenseitigen Platte. Auf diese Weise können die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen auf die Anodenseite der Bipolarplatte verschoben werden. Dadurch können wiederum breitere Kanäle für den sauerstoffhaltigen Reaktanten an der kathodenseitigen Platte ermöglicht werden.

Ferner kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass ein Entformungswinkel von Kanälen für das Kühlmittel an der anodenseitigen Platte kleiner ist als ein Entformungswinkel von Kanälen für das Kühlmittel an der kathodenseitigen Platte. Auf diese Weise können die Landings an der kathodenseitigen Platte verkleinert werden, da gerade dort sich das Produktwasser unter den Landings ansammeln kann.

Weiterhin kann die Erfindung bei einer Bipolarplatte vorsehen, dass eine Höhe von Kanälen für das Kühlmittel an der anodenseitigen Platte kleiner ist als eine Höhe von Kanälen für das Kühlmittel an der kathodenseitigen Platte. Auch somit können die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen auf die Anodenseite der Bipolarplatte verschoben werden.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Bipolarplatte, die wie oben beschrieben ausgebildet sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt dabei schematisch:

Fig. 1 eine Bipolarplatte im Sinne der Erfindung,

Die Figur 1 zeigt eine Bipolarplatte 100 im Sinne der Erfindung, die für ein Brennstoffzellensystem 1 ausgeführt ist. Das Brennstoffzellensystem 1 mit mindestens einer entsprechenden Bipolarplatte 100 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar. Das Brennstoffzellensystem 1 im Sinne der Erfindung kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die in einem Stapel bereitgestellt sind. Zwischen jeweils zwei Brennstoffzellen wird eine Bipolarplatte 100 im Sinne der Erfindung angeordnet. An den Endseiten des Stapels werden zumeist Monopolarplatten zum Begrenzen des Stapels vorgesehen.

Die Bipolarplatte 100 im Sinne der Erfindung weist folgende Elemente auf: eine kathodenseitige Platte 10, die auf einer ersten Seite 11 eine erste Kanalstruktur Kl für einen sauerstoffhaltigen Reaktanten O2 bzw. ein Oxidationsmittel und auf einer zweiten Seite 12 eine zweite Kanalstruktur K2 für ein Kühlmittel KM aufweist, und eine anodenseitige Platte 20, die auf einer ersten Seite 21 eine erste Kanalstruktur Al für einen brennstoff haltigen Reaktanten H2 und auf einer zweiten Seite 22 eine zweite Kanalstruktur A2 für ein Kühlmittel KM aufweist, wobei die kathodenseitige Platte 10 und die anodenseitige Platte 20 mit den zweiten Seiten 12, 22 für das Kühlmittel KM aufeinander anliegen.

Die Erfindung sieht vor, dass sich die erste Kanalstruktur Kl der kathodenseitigen Platte 10 von der zweiten Kanalstruktur K2 der (gemeint ist dergleichen) kathodenseitigen Platte 10 geometrisch unterscheidet.

Die Erfindung sieht bewusst geometrisch unterschiedliche Kanalstrukturen Kl, K2 auf der ersten Seite 11 der kathodenseitigen Platte 10 und auf der zweiten Seite 12 der kathodenseitigen Platte 10 vor. Das heißt im Sinne der Erfindung, dass die erste Kanalstruktur Kl auf der ersten Seite 11 der kathodenseitigen Platte 10 nicht ein genaues Negativabbild der zweiten Kanalstruktur K2 auf der zweiten Seite 12 der kathodenseitigen Platte 10 sein muss. Mit anderen Worten heißt das, dass eine Vertiefung mit dem Blick auf eine Seite der kathodenseitigen Platte 10 nicht zugleich eine, insbesondere nur eine, Erhebung mit dem Blick auf die andere Seite der kathodenseitigen Platte 10 abbilden muss oder umgekehrt.

Im Rahmen der Erfindung können an der kathodenseitigen Platte 10 angrenzend an jeden Kühlmittelkanal km zwei Kanäle kl, k2 für den sauerstoffhaltigen Reaktanten O2 angeordnet sein. Somit können für jeden Kühlmittelkanal km zwei Oxidationsmittelkanäle kl, k2 bereitgestellt werden. Wie es die Figur 1 zeigt, können die Kanäle kl, k2 für den sauerstoffhaltigen Reaktanten 02 zweigeteilt oder doppelt ausgebildet sein. Dabei ist es denkbar, dass die Kanäle kl, k2 für den sauerstoffhaltigen Reaktanten 02 durch einen Steg Sk voneinander getrennt sein können, der als ein zusätzliches Landing Lk bei der Auflage auf einer Kathodenseite einer Membranen- Elektroden- Einheit oder einfach ausgedrückt auf einer Kathode K einer Brennstoffzelle dienen kann. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass der Steg Sk durch eine Falte wischen zwei eng anliegenden Rillen in der kathodenseitigen Platte 10 bereitgestellt werden kann, wie dies die Figur 1 mit einer unterbrochenen Linie andeutet.

Auf der anodenseitigen Platte 20 können die Kanalstrukturen Al, A2 sowohl geometrisch gleich (aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt) als auch geometrisch unterschiedlich ausgeformt sein (wie dies in der Figur 1 dargestellt ist).

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 100 kann für einen großen hydraulischen Durchmesser des Kühlmittelkanals KM sorgen, um Druckverluste in die Flussrichtung des Kühlmittels KM zu reduzieren. Zugleich kann die erfindungsgemäße Bipolarplatte 100 ermöglichen, dass auf der ersten Seite 11 der kathodenseitigen Platte 10 relativ kleine Landings Lk zur Auflage auf der Kathode K einer entsprechenden Brennstoffzelle bereitgestellt werden können, um Produktwasseransammlungen unter den Landings Lk zu vermeiden und bessere Druckverteilung entlang der kathodenseitigen Platte 10 beim Verpressen der Brennstoffzellen zu einem Stapel zu ermöglichen.

Wie oben bereits erwähnt und wie es in der Figur 1 dargestellt ist, kann sich die erste Kanalstruktur Al der anodenseitigen Platte 20 von der zweiten Kanalstruktur A2 der anodenseitigen Platte 20 ebenfalls geometrisch unterscheiden. Dabei ist es denkbar, dass die anodenseitige Platte 20 ähnlich wie die kathodenseitige Platte 10 ausgebildet sein kann. Dabei kann die anodenseitige Platte 20 in eine Richtung R quer zu einzelnen Kanälen al, a2, km der ersten Kanalstruktur Al und der zweiten Kanalstruktur A2 gesehen abwechselnd ein Kanal am für das Kühlmittel KM und zwei Kanäle al, a2 für den brennstoff haltigen Reaktanten H2 aufweisen. Wie es in der Figur 1 gezeigt ist, kann dabei der Kanal am für das Kühlmittel KM an der anodenseitigen Platte 20 fluidisch in den Kanal km das Kühlmittel KM an der kathodenseitigen Platte 10 übergehen bzw. einen gemeinsamen Kühlmittelkanal bilden.

Wie es in der Figur 1 gezeigt ist, können die beiden Platten 10, 20 der Bipolarplatte 100 so aufeinander gelegt werden, dass die Stege Sa, Sk in den doppelten Reaktantenkanälen kl, k2 und al, a2 übereinander liegen. Auf diese Weise können an den Kontaktflächen zwischen den beiden Platten 10, 20 der Bipolarplatte 100 breitere Auflageflächen bereitgestellt werden, um zu verhindern, dass die Platten 10, 20 ineinander rutschen und sich ineinander verschachteln. Auch können somit die elektrischen Kontaktverluste zwischen den Platten 10, 20 verringert werden. Aufgrund der breiteren Auflageflächen in der Mitte der doppelten Reaktantenkanälen kl, k2 und al, a2 kann weiterhin die Höhe der Kanäle reduziert werden.

Zugleich ist es aber auch denkbar, was in der Figur 1 lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt ist, dass die erste Kanalstruktur Al der anodenseitigen Platte 20 und die zweite Kanalstruktur A2 der anodenseitigen Platte 20 geometrisch gleich ausgebildet sein können. Dies ist möglich, da auf der Anodenseite A einer Brennstoffzelle das Problem von Ansammlungen des Produktwassers nicht entsteht und der brennstoffhaltig Reaktant H2 in höherer Konzentration bereitgestellt wird als der sauerstoffhaltige Reaktant O2, kann auf der Anodenseite A eine klassische Platte eingesetzt werden, die mit dem Blick auf eine Seite der anodenseitigen Platte 20 Vertiefungen aufweist, die mit dem Blick auf die andere Seite der anodenseitigen Platte 20 entsprechende Erhebungen abbilden.

Wie es die Figur 1 andeutet, kann die erste Kanalstruktur Al an der anodenseitigen Platte 20 Landings La unter den Kanälen am für das Kühlmittel KM aufweisen, die zur Auflage auf einer Anode A einer entsprechenden Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 1 ausgebildet sind. Die erste Kanalstruktur Kl an der kathodenseitigen Platte 10 kann wiederum Landings Lk unter den Kanälen km für das Kühlmittel KM aufweisen, die zur Auflage auf einer Kathode K einer angrenzenden Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 1 ausgebildet sind. Dabei können die Landings La an der anodenseitigen Platte 20 eine größere Breite ba aufweisen als eine Breite bk von Landings Lk an der kathodenseitigen Platte 10. Auf diese Weise können die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen auf die Anodenseite A der Bipolarplatte 100 verschoben werden. Dadurch können wiederum breitere Kanäle kl, k2 für den sauerstoffhaltigen Reaktanten O2 an der kathodenseitigen Platte 10 ermöglicht werden.

Wie es die Figur 1 ferner andeutet, kann ein Entformungswinkel aa von Kanälen am für das Kühlmittel KM an der anodenseitigen Platte 20 kleiner sein als ein Entformungswinkel ak von Kanälen km für das Kühlmittel KM an der kathodenseitigen Platte 10. Auf diese Weise können die Landings Lk an der kathodenseitigen Platte 10 verkleinert werden, da gerade dort sich das Produktwasser unter den Landings Lk ansammeln kann. Auf diese Weise können insbesondere bei hohen Stromdichten, Massentransportverluste des sauerstoffhaltigen Reaktanten O2 reduziert werden.

Weiterhin zeigt die Figur 1, dass eine Höhe ha von Kanälen am für das Kühlmittel KM an der anodenseitigen Platte 20 kleiner sein kann als eine Höhe hk von Kanälen km für das Kühlmittel KM an der kathodenseitigen Platte 10. Auch somit können die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen auf die Anodenseite A der Bipolarplatte 100 verschoben werden.

Die in der Figur 1 gezeigten Zahlen sind lediglich beispielhaft. Die voranstehende Beschreibung der Figur 1 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.