Titel

Bipolarplatte

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, welche insbesondere für eine elektrochemische Zelle geeignet ist.

Stand der Technik

Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ist beispielsweise aus der DE 10 2006000 112 Al bekannt. Die bekannte Bipolarplatte umfasst eine anodenseitige Platine und eine kathodenseitige Platine, welche unter Ausbildung einer dazwischenliegenden Kühlkanalstruktur miteinander verbunden sind. Die bekannten Bipolarplatten weisen zudem an der anodenseitigen Platine eine Anodenkanalstruktur auf und an der kathodenseitigen Platine eine Kathodenkanalstruktur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun die Kanalstrukturen der Bipolarplatte zu optimieren, insbesondere bezüglich der Feuchteverteilung in der elektrochemischen Einzelzelle.

Offenbarung der Erfindung

Dazu umfasst die Bipolarplatte eine anodenseitige Platine und eine kathodenseitige Platine. Zwischen der anodenseitigen Platine und der kathodenseitigen Platine ist eine Kühlkanalstruktur ausgebildet. An der anodenseitigen Platine ist auf der der Kühlkanalstruktur entgegengesetzten Seite eine Anodenkanalstruktur ausgebildet. An der kathodenseitigen Platine ist auf der der Kühlkanalstruktur entgegengesetzten Seite eine Kathodenkanalstruktur ausgebildet. Die Kathodenkanalstruktur und die Kühlkanalstruktur sind im Wesentlichen linear und parallel zueinander gestaltet. Die Anodenkanalstruktur ist mäanderförmig gestaltet.

Äquivalent zur Kathodenkanalstruktur an der kathodenseitigen Platine ist die Kathodenkanalstruktur als Kanalstruktur in einem porösen Schaum oder einer Art Drahtgitterstruktur ausgebildet; dieser Schaum bzw. diese Art Drahtgitterstruktur ist dann benachbart zur eben ausgeführten kathodenseitigen Platine angeordnet. Durch die entgegengesetzte Strömung von Kathodengas und Kühlmedium wird auf der Kathodenaustrittsseite eine sehr hohe Feuchte erreicht und es kann Kondensation auftreten. Durch eine poröse Struktur - wie bei einem Schaum oder einer Drahtgitterstruktur - kann die Sauerstoffversorgung bzw. die Kathodengasversorgung auch bei flüssigem Wasser besser gewährleistet werden als bei einer reinen Kanalstruktur.

Diese Anordnung der Medienströmungen hat sich als besonders vorteilhaft für eine homogene Feuchtigkeitsverteilung über die Fläche der Bipolarplatte erwiesen. Insbesondere wenn die Bipolarplatte in einem Zellenstapel verwendet wird, welcher als Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist und Einzelzellen aufweist, welche wiederum je eine Polymerelektrolytmembran aufweisen. Eine wichtige Funktion der Polymerelektrolytmembran ist die Protonenleitfähigkeit, welche wiederum stark von der Feuchte der Polymerelektrolytmembran abhängt. Eine vergleichsweise hohe aber auch über ihre Fläche homogene Feuchte ist für einen stabilen und effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels sehr wichtig.

Dafür muss die Strömungsrichtung des Kühlmediums in einer ähnlichen Richtung wie die des Kathodengases verlaufen, bevorzugt aber in entgegengesetzter Richtung zur Kathodengasströmung orientiert sein. Dies führt zu einer homogenen Feuchtigkeitsverteilung, insbesondere auf der Anodenseite. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn besonders bevorzugt die Strömungsrichtung des Kühlmediums ähnlich zu der Hauptströmungsrichtung des Anodengases bzw. Brennstoffs erfolgt, nämlich im Wesentlichen von einer Stirnseite bzw. Ecke zur gegenüberliegenden Stirnseite bwz. Ecke.

In vorteilhaften Ausführungen der Bipolarplatte sind ein Kathodenkanaleingang der Kathodenkanalstruktur und ein Kühlkanalausgang der Kühlkanalstruktur an derselben Stirnseite der Bipolarplatte ausgebildet. Dadurch strömen das Kühlmedium und das Oxidationsmittel bzw. das Kathodengas in Gegenstromrichtung entlang der Platinen bzw. durch die Einzelzellen. Dies hat sich nicht nur für eine homogene Feuchtigkeitsverteilung, sondern auch für eine effektive Kühlung der Einzelzellen als sehr vorteilhaft erwiesen. Vorteilhafterweise weist die mäanderförmige Anodenkanalstruktur zumindest einen Linearbereich und zumindest einen Umlenkbereich auf, besonders bevorzugt mehrere Linearbereiche und mehrere Umlenkbereiche. Der Linearbereich verläuft im Wesentlichen orthogonal zu der Kathodenkanalstruktur und zu der Kühl kan alstruktur. Dadurch ist die Strömungsrichtung des Anodengases in großen Bereichen der Anodenkanalstruktur senkrecht zur Strömungsrichtung von Kathodengas und Kühlmedium ausgerichtet. Insbesondere eine derartig aufgebaute Versorgung einer Polymerelektrolytmembran mit Anodengas und Kathodengas hat sich bezüglich der homogenen Feuchtigkeitsverteilung als vorteilhaft erwiesen.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Anodenkanaleingang an einer zur ersten Stirnseite - also der Stirnseite mit Kathodenkanaleingang und Kühlkanalausgang - orthogonalen Stirnseite der Bipolarplatte ausgebildet. Bevorzugt ist dabei der Anodenkanaleingang in einer Ecke benachbart zum Kühlkanaleingang ausgebildet. Dadurch verläuft die Anodengasströmung größtenteils senkrecht zur Strömungsrichtung von Kathodengas und Kühlmedium.

In bevorzugten Ausführungen ist ein Anodenkanalausgang der Anodenkanalstruktur diagonal entgegengesetzt zum Anodenkanaleingang angeordnet, und besonders bevorzugt ist der Anodenkanalausgang in einer Ecke benachbart zum Kathodenkanaleingang ausgebildet. An dieser Ecke treffen also der vergleichsweise weniger feuchte Kathodenkanaleingang und der vergleichsweise feuchtere Anodenkanalausgang - aufgrund von diffundiertem Produktwasser - an der Polymerelektrolytmembran aufeinander; die Summe der Feuchtigkeit an der Membran bleibt von der diagonal entgegengesetzten Ecke bis zu dieser Ecke vorzugsweise im Wesentlichen konstant.

Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Bipolarplatten in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Der Zellenstapel ist dann demzufolge als Brennstoffzellenstapel ausgeführt.

Bevorzugt werden die Kathodenkanalstruktur und die Kühlkanalstruktur dabei entgegengerichtet durchströmt. Die im Wesentlichen linear und parallel zueinander verlaufenden Kanalstrukturen für Kathodengas und Kühlmedium werden also von entgegengesetzten Stirnseiten der Bipolarplatte mit Kathodengas bzw. Kühlmedium versorgt. Besonders bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem dabei einen Rezirkulationspfad auf, wobei die Anodenkanalstruktur fluidisch mit dem Rezirkulationspfad verbunden ist. Der Rezirkulationspfad führt den Einzelzellen also teilweise verbrauchtes Anodengas wiederholt zu, um kein Anodengas zu verschwenden. Durch diese Rezirkulation wird der Anodenkanalstruktur aber auch eine gewisse Feuchtigkeit zugeführt, üblicherweise durch diffundiertes Produktwasser. Insbesondere dann ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Bipolarplatten vorteilhaft, um die Feuchtigkeitsverteilung an der Membran zu homogenisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch einen Ausschnitt eines Zellenstapels im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Figur 2 schematisch eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Figur 3 schematisch ein Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig.l zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Zellenstapels 10 im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Zellenstapel 10 der Fig.l ist als Brennstoffzellenstapel ausgeführt und weist mehrere Einzelzellen 11 auf, die üblicherweise mittels nicht dargestellter Spannvorrichtungen verspannt sind. Eine Einzelzelle 11 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 20 und eine Bipolarplatte 1 auf, genauer die Hälften zweier Bipolarplatten 1. Die Bipolarplatte 1 umfasst nämlich eine anodenseitige Platine 2 und eine kathodenseitige Platine 3, welche miteinander verbunden sind, beispielsweise verpresst oder mittels Schweißverbindungen la. Die anodenseitige Platine 2 der Bipolarplatte 1 gehört nun zu einer Einzelzelle 11 und die kathodenseitige Platine 3 derselben Bipolarplatte 1 zu der benachbarten Einzelzelle 11.

Bevorzugt ist der Zellenstapel 10 als Brennstoffzellenstapel mit einer als Polymerelektrolytmembran ausgebildeten Membran 21 ausgebildet. Die Membran 21 ist die zentrale Lage der Membran-Elektroden-Anordnung 20. Die Membran-Elektroden- Anordnung 20 umfasst weiterhin an die Membran 21 angrenzend eine anodenseitige Elektrodenschicht 22 und gegenüberliegend dazu eine kathodenseitige Elektrodenschicht 23. Weiterhin umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 20 zwischen den Elektrodenschichten 22, 23 und den Platinen 2, 3 jeweils eine anodenseitige Gasdiffusionslage 24 und eine kathodenseitige Gasdiffusionslage 25.

Die Bipolarplatte 1 trennt also bevorzugt eine Anodenseite 11a der Einzelzelle 11 von einer Kathodenseite 11b einer benachbarten Einzelzelle 11. Weiterhin weist die Bipolarplatte 1 Kanalstrukturen 2a, 3a, 4 auf, um die Einzelzellen 11 mit Reaktionsgas bzw. mit Kühlmedium versorgen zu können.

Zur Versorgung der Anodenseite 11a einer Einzelzelle 11 mit Anodengas weist die anodenseitige Platine 2 zur angrenzenden anodenseitigen Gasdiffusionslage 24 eine Anodenkanalstruktur 2a auf. Analog dazu weist zur Versorgung der Kathodenseite 11b der benachbarten Einzelzelle 11 mit Kathodengas die kathodenseitige Platine 3 zur angrenzenden kathodenseitigen Gasdiffusionslage 25 der benachbarten Einzelzelle 11 eine Kath öden kan alstruktur 3a auf. Zwischen den beiden Platinen 2, 3 einer Bipolarplatte 1 ist eine Kühlkanalstruktur 4 ausgebildet, so dass die angrenzenden Einzelzellen 11 bedarfsgerecht gekühlt oder auch geheizt - insbesondere im Gefrierstartfall - werden können.

Erfindungsgemäß sind nun die Kathodenkanalstruktur 3a und die Kühlkanalstruktur 4 im Wesentlichen linear und parallel zueinander gestaltet, während die Anodenkanalstruktur 2a mäanderförmig gestaltet ist. Dazu zeigt Fig.2 schematisch eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 1, wobei sich der Betrachter die Kanalstrukturen 2a, 4, 3a in hintereinanderliegenden Zeichenebenen vorstellen muss. In einem Zellenstapel 10 sind die Kathodenkanalstruktur 3a und die Kühlkanalstruktur 4 zwar im Wesentlichen parallel ausgerichtet, werden bevorzugt aber in Gegenstromrichtung mit dem Oxidationsmittel bzw. mit dem Kühlmedium durchströmt.

Dazu liegen ein Kathodenkanaleingang 3b der Kathodenkanalstruktur 3a und ein Kühlkanalausgang 4c der Kühlkanalstruktur 4 auf derselben Stirnseite 1.1 der Bipolarplatte 1. Und entsprechend liegen ein Kathodenkanalausgang 3c der Kathodenkanalstruktur 3a und ein Kühlkanaleingang 4b der Kühlkanalstruktur 4 auf derselben, zur vorherigen entgegengesetzten, Stirnseite 1.2 der Bipolarplatte 1.

Die mäanderförmige Anodenkanalstruktur 2a weist bevorzugt mehrere Linearbereiche 8 und mehrere Umlenkbereiche 9 auf. Besonders bevorzugt verlaufen die Linearbereiche 8 dabei orthogonal zu der Kathodenkanalstruktur 3a und zu der Kühlkanalstruktur 4. Dazu strömt das Anodengas bzw. der Brennstoff über einen Anodenkanaleingang 2b der Anodenkanalstruktur 2a auf einer dritten Stirnseite 1.3 der Bipolarplatte 1 ein, welche senkrecht zu den beiden ersten Stirnseiten 1.1, 1.2 verläuft. An dieser dritten Stirnseite 1.3 wiederum strömt das Anodengas bevorzugt in einer Ecke benachbart zum Kühlkanaleingang 4b in den ersten Linearbereich 8 ein.

Vorteilhafterweise strömt das Anodengas nun mäanderförmig durch die Anodenkanalstruktur 2a mit mehreren Linearbereichen 8 und Umlenkbereichen 9 und strömt anschließend aus der Bipolarplatte 1 durch einen Anodenkanalausgang 2c, welcher bevorzugt in diagonal entgegengesetzter Richtung zum Anodenkanaleingang 2b angeordnet ist, also auf der vierten Stirnseite 1.4 der Bipolarplatte 1 in einer Ecke benachbart zum Kathodenkanaleingang 3b.

Besonders bevorzugt ist äquivalent zur Kathodenkanalstruktur 3a an der kathodenseitigen Platine 3 die Kanalstruktur in einem porösen Schaum oder einer Art Drahtgitterstruktur ausgebildet; dieser Schaum bzw. diese Art Drahtgitterstruktur würde dann vorteilhafterweise die Kathoden kan alstruktur 3a und die kathodenseitige Gasdiffusionslage 25 ersetzen und wäre demzufolge benachbart an der bevorzugt flach ausgeführten kathodenseitigen Platine 3 angeordnet. Durch die entgegengesetzte Strömung von Kathodengas und Kühlmedium wird nämlich auf der Kathodenaustrittsseite, also im Bereich des Kathodenkanalausgangs 3c, eine sehr hohe Feuchte erreicht und es kann somit Kondensation auftreten. Durch eine poröse Struktur - wie bei einem Schaum oder einer Drahtgitterstruktur - kann dann die Sauerstoffversorgung bzw. die Kathodengasversorgung auch bei flüssigem Wasser bzw. Kondensat besser gewährleistet werden als bei einer reinen Kanalstruktur.

Fig.3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Zellenstapel 10, welcher als Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist und erfindungsgemäße Bipolarplatten 1 in seinen Einzelzellen 11 aufweist. Die Einzelzellen 11 weisen jeweils - wie oben beschrieben - eine Anodenseite 11a und eine Kathodenseite 11b auf. Der Anodenseite 11a wird ein Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, aus einem Tank 101 über eine Brennstoffzuführungsleitung 102 zugeführt, welche dann die Anodenkanalstrukturen 2a der Einzelzellen 11 speist.

Der Kathodenseite 11b wird ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Umgebungsluft, über eine Luftzuführungsleitung 103 zugeführt. Das reagierte bzw. nicht verbrauchte Oxidationsmittel und gegebenenfalls auch das Reaktionsprodukt werden über eine Abgasleitung 104 wieder aus dem Zellenstapel 10 abgeführt.

In der Ausführung der Fig.3 sind in der Luftzuführungsleitung 103 beispielhaft ein Verdichter 105 und in der Abgasleitung 104 eine Abgasturbine 106 angeordnet. Das Oxidationsmittel wird vorteilhafterweise stromabwärts des Verdichters 105 durch einen Befeuchter 107 befeuchtet, wobei der Befeuchter 107 vorzugsweise dem reagierten Oxidationsmittel in der Abgasleitung 104 Feuchte entzieht und diese dem Oxidationsmittel in der Luftzuführungsleitung 103 zuführt.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist weiterhin einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis 110 zur Kühlung des Zellenstapels 10 auf, welcher die in den Bipolarplatten 1 ausgebildeten Kühlkanäle 4 versorgt. Das Kühlmedium wird mittels einer Pumpe 111 durch den Kühlkreis 110 gefördert und mittels eines Kühlers 112 gekühlt. Der Kühler 112 ist dabei in bevorzugten Ausführungen ein Fahrzeugkühler, sofern das Brennstoffzellensystem 100 in einem Fahrzeug verwendet wird.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist bevorzugt einen Rezirkulationspfad 120 auf, welcher das aus dem Zellenstapel 10 strömende - nämlich aus den Anodenkanalausgängen 2c der Einzelzellen 11 -, teilweise verbrauchte Anodengas wieder der Brennstoffzuführungsleitung 102 - also den Anodenkanaleingängen 2b - zuführt, und somit zu einer größeren Effizienz des aus dem Tank 101 strömenden Brennstoffes beiträgt. Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten 1 sind bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem 100 mit einem derartigen Rezirkulationspfad 120 eingesetzt, da der Rezirkulationspfad zunächst zu einer erhöhten Feuchtigkeit des Anodengases bzw. Brennstoffes führt, welcher dem Zellenstapel 10 zugeführt wird, aber gerade die erfindungsgemäßen Bipolarplatten 1 für eine homogene Feuchteverteilung über die gesamte Fläche der Einzelzellen 11, und dort insbesondere über die Membran- Elektroden-Anordnungen 20 und Membranen 21, sorgen. Ein solches Brennstoffzellensystem 100 weist somit einen vergleichsweise geringen Verbrauch an Brennstoff bei gleichzeitig optimierter Feuchteverteilung in den Einzelzellen 11 auf.