Titel

Brennstoffzellensystem und Bipolarplate für ein Brennstoffzellensystem

Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und ein Brennstoffzellensystem.

Stand der Technik

Brennstoffzellen für Brennstoffzellensysteme umfassen Bipolarplatten zur Versorgung einer Membranelektrodeneinheit (MEA) einer jeweiligen Brennstoffzelle mit frischen Betriebsmedien, wie bspw. Wasserstoff, Luft und Kühlmedium sowie zum Abtransport verbrauchter Betriebsmedien, insbesondere flüssigem Reaktionswasser.

Weiterhin dienen Bipolarplaten zur Ableitung von elektrischem Strom und Reaktionswärme von der MEA.

Eine Bipolarplatte sollte einen minimalen Druckverlust von die Bipolarplatte durchströmenden Gasen ermöglichen und eine hohe Festigkeit und Formstabilität auch bei hohen mechanischen Drücken, wie sie in einem Brennstoffzellenstapel vorliegen, sicherstellen.

In der Regel umfasst eine Bipolarplatte mehrere inaktive Bereiche, in denen Versorgungskanäle zum Zuführen und Abführen der Betriebsmedien in bzw. aus einem aktiven Bereich, in dem eine Reaktion des Brennstoffs stattfindet, angeordnet sind. Entsprechend soll eine Bipolarplatte einen möglichst großen aktiven Bereich aufweisen, um eine bestmögliche Leistungsausbeute in einem Brennstoffzellensystem zu ermöglichen. Es ist bekannt, dass eine ungleichförmige Anströmung der Kanäle mit signifikanten Druckunterschieden im aktiven Bereich eine ungleichförmige Stromdichteverteilung auf der MEA und damit eine vorzeitige Alterung der Brennstoffzellen bedingt.

Die DE 10 2019 212 045 Al beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die einen zentral angeordneten aktiven Bereich sowie zwei inaktive u-förmige Bereiche umfasst.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Bipolarplatte und ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. 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 im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein kompaktes und leistungsfähiges Brennstoffzellensystem bereitzustellen.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgestellt. Die Bipolarplatte umfasst einen ersten inaktiven Bereich, einen zweiten inaktiven Bereich und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich und dem zweiten inaktiven Bereich angeordneten aktiven Bereich, wobei der erste inaktive Bereich und der zweite inaktive Bereich Versorgungkanäle zum Transport von Betriebsmedien für einen Betrieb der Bipolarplatte umfassen, wobei zumindest der erste inaktive Bereich ein Verteilerfeld umfasst, das dazu konfiguriert ist, durch die Versorgungskanäle des ersten inaktiven Bereichs strömende Betriebsmedien in den aktiven Bereich zu leiten. Der erste inaktive Bereich und der zweite inaktive Bereich sind jeweils spiegelsymmetrisch zu einer von dem ersten inaktiven Bereich zu dem zweiten inaktiven Bereich verlaufenden Symmetrieachse der Bipolarplatte und das Verteilerfeld umfasst eine Anzahl Verteilungselemente, wobei jeweilige Verteilungselemente der Anzahl Verteilungselemente in einer Vielzahl Reihen angeordnet sind, und wobei zumindest ein Teil der Reihen der Vielzahl Reihen bogenförmig verläuft.

Unter einem Verteilerfeld ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich zu verstehen, in dem durch jeweilige Versorgungskanäle in eine Bipolarplatte einströmende Betriebsmedien zu einem aktiven Bereich der Bipolarplatte geleitet werden. Entsprechend befindet sich ein Verteilerfeld zwischen den Versorgungskanälen und dem aktiven Bereich, in dem eine Reaktion von zum Betrieb einer Brennstoffzelle vorgesehenem Brennstoff abläuft.

Die vorgestellte Bipolarplatte basiert auf dem Prinzip, dass diese spiegelsymmetrische inaktive Bereiche mit einer Anzahl Verteilungselemente umfasst. Die Spiegelsymmetrie in Verbindung mit den Verteilungselementen der inaktiven Bereiche bewirkt eine besonders gleichmäßige Verteilung bzw. eine Minimierung von Druckunterschieden von durch die inaktiven Bereiche strömenden Betriebsmedien über einen gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs bzw. eine gleichmäßige Abfuhr von Betriebsmedien aus einem gesamten Auslassbereich des aktiven Bereichs. Entsprechend werden lokale Fehlstellen, die durch inhomogene Reaktionsverläufe entstehen, minimiert. Mit anderen Worten minimiert die vorgestellte Bipolarplatte eine Alterung einer entsprechenden Brennstoffzelle.

Durch den spiegelsymmetrischen Aufbau der vorgestellten Bipolarplatte werden insbesondere zwei parallele Versorgungspfade geschaffen, sodass sämtliche Betriebsmedien zum Betrieb der Bipolarplatte sowohl in einem ersten Bereich als auch in einem zweiten Bereich bereitgestellt bzw. angeführt werden.

Entsprechend wird nicht, wie im Stand der Technik üblich, ein Volumenstrom über die gesamte Bipolarplatte verteilt, sondern es werden mehrere Volumenströme verteilt über die Bipolarplatte bereitgestellt. Dies bedeutet, dass eine flache parabelförmige Verteilungskurve von durch die Bipolarplatte strömenden Betriebsmedien erzeugt wird und sogenannte „hot spots“ verhindert werden.

Insbesondere werden durch die Verteilungselemente Druckunterschiede über den Einlassbereich bzw. den Auslassbereich des aktiven Bereichs hinweg minimiert, sodass besonders homogene Reaktionsbedingungen in dem aktiven Bereich vorliegen. Dabei bewirkt die bogenförmige Anordnung zumindest eines Teils der Verteilungselemente einen minimalen Druckverlust beim Strömen der Betriebsmedien, da der mechanische Widerstand, den die Verteilungselemente einem strömenden Betriebsmedium entgegenstellen, über einen weiten Bereich in dem entsprechenden Verteilerfeld verteilt wird. Entsprechend werden auch durch die bogenförmige Anordnung lokale Druckmaxima und Druckminima minimiert, sodass insbesondere die bogenförmige Anordnung eine Alterung einer entsprechenden Brennstoffzelle minimiert und eine Leistung der Brennstoffzelle maximiert.

Insbesondere bewirkt die bogenförmige Anordnung der Verteilungselemente eine nicht-Normalverteilung, sodass bspw. an jeweiligen Rändern eines Verteilungsbereichs gleich viel Betriebsmedium bereitgestellt wird, wie in einem mittleren Bereich der Bipolarplatte.

Insbesondere wird durch die vorgestellte Bipolarplatte eine Druckdifferenz von zu dem aktiven Bereich bzw. aus dem aktiven Bereich strömenden Betriebsmedien in Querrichtung, d.h. parallel zu einem Einlassbereich bzw. Auslassbereich des aktiven Bereichs, minimiert.

Ferner bewirken die Verteilungselemente eine mechanische Verstärkung der Bipolarplatte gegenüber einer Belastung entlang einer Höheachse der Bipolarplatte, wie sie bspw. durch Spannkräfte zum Spannen eines Brennstoffzellenstapels vorkommt. Dazu können die Verteilungselemente derart ausgestaltet sein, dass diese eine Kraftverbindung bzw. Kraftschluss zwischen verschiedenen Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels bedingen. Dies bedeutet, dass jeweilige Verteilungselemente verschiedener Bipolarplatten übereinander angeordnet werden können, sodass eine durchgehende Säule von Verteilungselementen entsteht. Entsprechend kann ein Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl der vorgestellten Bipolarplatten aufgebaut ist, besonders stark, d.h. mit besonders hohen Spannkräften gespannt werden, ohne dass die Bipolarplatten sich verbiegen.

Insbesondere basiert die vorgestellte Bipolarplatte auf einem geradlinigen Luftströmungspfad, der durch eine seitliche Anordnung von Überströmkanälen bzw. Versorgungskanälen eine „Doppel-u-förmige“ Symmetrie aufweist. Dabei können bspw. die Versorgungskanäle zur Versorgung mit einem ersten Medium, wie bspw. Luft, gegenüberliegend in den Schenkeln eines „U“ ausgebildet sein, wohingegen die Versorgungskanäle zur Versorgung mit einem zweiten Medium, wie bspw. Wasserstoff, nebeneinander, insbesondere getrennt durch einen Versorgungskanal zur Versorgung mit einem dritten Betriebsmedium in einer Basis des U ausgebildet sein können, sodass sich zwischen den Schenkeln, der Basis und dem aktiven Bereich das Verteilerfeld erstreckt.

Es kann vorgesehen sein, dass zumindest der erste inaktive Bereich einen Kühlmittelversorgungskanal umfasst, der sich mittig entlang der Symmetrieachse in Richtung des aktiven Bereichs erstreckt, wobei der Kühlmittelversorgungskanal sich zunehmend in Richtung des aktiven Bereichs verjüngt.

Durch einen sich in Richtung des aktiven Bereichs verjüngenden Kühlmittelverteilungskanal wird eine Strömungsgeometrie bewirkt, bei der in Richtung des aktiven Bereichs strömendes Betriebsmedium in einem Winkel, insbesondere in einem Winkel zwischen 30° und 80° zu der Symmetrieachse der Bipolarplatte in den Verteilerbereich geleitet wird. Entsprechend wird durch das Strömungsverhalten ein Weg des Betriebsmediums durch das Verteilerfeld maximiert und eine Verteilung des Betriebsmediums durch die Verteilungselemente ermöglicht, sodass das Betriebsmedium auch bis in jeweilige Randbereiche des aktiven Bereichs geleitet wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest eine Reihe von Verteilungselementen in Richtung des Kühlmittelversorgungskanals oder des aktiven Bereichs gebogen verläuft. Die bogenförmige Ausrichtung der Verteilungselemente kann in jede Richtung gebogen verlaufen, wobei insbesondere eine in Richtung des aktiven Bereichs bzw. eines Kühlmittelversorgungskanals gebogene Anordnung zu einer gleichmäßigen Verteilung von Betriebsmedien in dem Verteilerfeld führt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilungselemente kegelstumpfförmig sind und einen Kegelwinkel zwischen 30° und 60° aufweisen.

Kegelstumpfförmige Verteilungselemente eignen sich besonders zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen verschiedenen Bipolarplatten, da diese eine ebene Kontaktfläche zur Kontaktierung einer jeweilig anderen Bipolarplatte aufweisen und aufgrund ihrer kegelform eine gleichmäßige Verteilung einer eingeleiteten Kraft in eine umgebende Struktur bewirken. Alternativ können die Verteilungselemente auch eine andere Form, wie bspw. eine Schiffchenform bzw. eine längliche gebogene Form aufweisen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte im Gleichstromprinzip ausgestaltet ist, wobei der erste inaktive Bereich Versorgungskanäle zum Zuführen von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich und der zweite inaktive Bereich Versorgungskanäle zum Abführen von Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich umfasst oder dass die Bipolarplatte im Gegenstromprinzip ausgestaltet ist, wobei der erste inaktive Bereich und der zweite inaktive Bereich jeweils Versorgungskanäle zum Zuführen und Abführen ausgewählter Betriebsmedien umfassen.

Im Gleichstromprinzip strömen sämtliche Betriebsmedien in dem ersten inaktiven Bereich in die Bipolarplatte ein und in gleicher Richtung durch den zweiten inaktiven Bereich aus der Bipolarplatte aus, wohingegen im Gegenstromprinzip ein erster Medienstrom in eine erste Richtung und ein zweiter Medienstrom in einer der ersten Richtung entgegengehetzten zweiten Richtung entsteht.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Verteilungselemente dazu konfiguriert sind, in das Verteilfeld einströmende Betriebsmedien auf einen gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs zu verteilen. Um eine insbesondere gleichmäßige Verteilung von Betriebsmedien auf den gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs der vorgestellten Bipolarplatte zu verteilen, können die Verteilungselemente bspw. versetzt zueinander angeordnet sein, sodass eine sukzessive Aufteilung eines aus einem Versorgungskanal austretenden Volumenstroms erfolgt, der sich zwischen den Verteilungselementen verteilt und entsprechend durch das gesamte Verteilerfeld geleitet wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilungselemente einen Durchmesser zwischen 2 mm und 3 mm haben und in einem Abstand zwischen 3 mm und 8 mm zueinander angeordnet sind.

Verteilungselemente mit einem Durchmesser zwischen 2 mm und 3 mm sind stabil und zur Aufnahme von mechanischen Kräften gut geeignet. Ein Abstand zwischen 3 mm und 8 mm der Verteilungselemente zueinander hat sich in Experimenten als besonders wirkungsvoll zur Verteilung von Betriebsmedien in dem Verteilerfeld bei einer Beibehaltung eines Mindestdrucks bzw. bei einem minimalen Druckverlust erwiesen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilungselemente in einem jeweiligen Verteilerfeld in höchstens 6 parallel zu einem Einlassbereich des aktiven Bereichs verlaufenden Anreihungen angeordnet sind.

Durch einige wenige Reihen an Verteilungselementen, höchstens 6 Reihen, wird ein Druckverlust, eines Drucks mit dem ein Betriebsmedium in die Bipolarplatte einströmt, minimiert.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte.

Insbesondere durch eine Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl der vorgestellten Bipolarplatten kann ein stabiler, da besonders stark, gespannter Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden. 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.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Erfindung.

In Figur 1 ist eine Bipolarplatte 100 dargestellt. Die Bipolarplatte 100 umfasst einen ersten inaktiven Bereich 101, einen zweiten inaktiven Bereich 103 und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich 101 und dem zweiten inaktiven Bereich 103 angeordneten aktiven Bereich 105.

Die Bipolarplatte 100 ist im Gegenstromprinzip ausgestaltet. Entsprechend umfasst der erste inaktive Bereich 101 Luftzufuhrkanäle 107, Reaktionsproduktabfuhrkanäle 109 und einen Kühlmittelzufuhrkanal 111.

Durch die Luftzufuhrkanäle 107 strömende Luft strömt über ein erstes Verteilerfeld 113 mit Verteilungselementen 115 zu dem aktiven Bereich 105, durch den aktiven Bereich 105 und aus Luftabfuhrkanälen 117 des zweiten inaktiven Bereichs 103 wieder aus der Bipolarplatte 100, wie durch Pfeile 119 angedeutet.

Frischer Wasserstoff strömt durch Wasserstoffzufuhrkanäle 121 des zweiten inaktiven Bereichs 103 über ein zweites Verteilerfeld 123 mit Verteilungselementen 115 in den aktiven Bereich 105, durch den aktiven Bereich 105 und aus den Reaktionsproduktabfuhrkanälen 109 wieder aus der Bipolarplatte 100, wie durch Pfeile 125 angedeutet.

Kühlmittel strömt durch den Kühlmittelzufuhrkanal 111 in das erste Verteilerfeld 113, durch den aktiven Bereich 105 und über einen Kühlmittelabfuhrkanal 127 wieder aus der Bipolarplatte 100, wie durch Pfeile 129 angedeutet. Dabei bewirkt die Verjüngung des Kühlmittelzufuhrkanals 111 in Richtung des aktiven Bereichs 105 eine besonders große Brandungsfläche mit einer großen Uferlänge.

Vorliegend ist eine Grundfläche des Kühlmittelzufuhrkanals 111 kleiner als eine Grundfläche des Kühlmittelabfuhrkanals 127, sodass ein Rückstau von abzuführendem Kühlmittel zuverlässig vermieden wird.

Die Verteilungselemente 115 sind hier beispielhaft kegelstumpfförmig ausgestaltet, sodass ein besonders guter Kraftfluss zu einer über bzw. unter der Bipolarplatte 100 angeordneten Bipolarplatte entsteht, wenn die Bipolarplatte 100 in einem Brennstoffzellenstapel eingespannt wird.

Die Verteilungselemente 115 sind bogenförmig angeordnet, wobei die Bögen in einem Winkel zu dem aktiven Bereich 105 verlaufen. Die bogenförmigen Verteilungselemente 115 bewirken insbesondere einen nicht-normalverteilten Strömungsverlauf von durch das erste Verteilerfeld 113 bzw. das zweite Verteilerfeld 123 strömenden Betriebsmedien.

In Figur 2 ist eine Bipolarplatte 200 dargestellt. Die Bipolarplatte 200 umfasst einen ersten inaktiven Bereich 101, einen zweiten inaktiven Bereich 103 und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich 101 und dem zweiten inaktiven Bereich 103 angeordneten aktiven Bereich 105.

Die Bipolarplatte 200 ist im Gleichstromprinzip ausgestaltet bzw. betrieben, wie durch Pfeile 201 die eine Luftströmung andeuten, Pfeile 203, die einen Kühlmittelstrom andeuten, und Pfeile 205, die einen Wasserstoffstrom andeuten, dargestellt. Entsprechend umfasst der erste inaktive Bereich 101 lediglich Zufuhrkanäle und der zweiten inaktive Bereich 103 lediglich Abfuhrkanäle. Die strukturellen Eigenschaften sind mit der Bipolarplatte 100 gemäß Figur 1 identisch.

In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 300 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 300 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 301 mit einer

Vielzahl Brennstoffzellen, wie bspw. den Brennstoffzellen 100 gemäß Figur 1.