DE102008033209A1

DE102008033209A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102008033209A1
Application number: DE102008033209A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Kleemann; Markus Dr.-Ing. Schudy; Florian Dr. Finsterwalder
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen (2), zwischen denen jeweils mindestens eine Bipolarplatte (3.1, 3.2), die aus mindestens einer oder zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet ist, angeordnet ist, wobei zumindest auf einer oder beiden Außenseiten jeweils ein Strömungsfeld (F1, F2) durch in die jeweilige Platte eingebrachte Kanalstrukturen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen (K1, K2) und zwischen zwei Kanälen (K1, K2) parallel zueinander verlaufenden Stegen (S1, S2) gebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Stege (S1, S2) zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessung versehen, dass eine zwischen den beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (2) im montierten Zustand gewellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine Brennstoffzellenanordnung oder ein Brennstoffzellenstapel (auch kurz Stack genannt) besteht aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten, planparallel übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt auf, beispielsweise in Form einer Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz PEM bezeichnet), die zusammen eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz MEA bezeichnet) bilden.
Zwischen den im Brennstoffzellenstapel benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen ist jeweils eine Bipolarplatte (auch Bipolar-Separatorplatteneinheit genannt) angeordnet. Die Bipolarplatte dient dabei der Beabstandung benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidationsmittel über die angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnungen und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Anordnungen hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.
Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltenes Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder abgereicherter Brennstoff.
Die jeweilige Bipolarplatte besteht dabei aus einem Formteil, vorzugsweise jedoch aus zwei oder mehr planparallel miteinander verbundenen Formteilen, insbesondere Platten – einer Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der einen Membran-Elektroden-Anordnung und einer Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Anordnung – oder einer Platte mit ober- und unterseitig eingebrachten Kanalstrukturen. An der der einen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidationsmittels über der anderen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
Die Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Hohlprägen (mit Form und Stempel), Hydroforming (mit Form und Flüssigkeit), Hochgeschwindigkeitsumformen (mit Form und Stempel), Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.
Um bei einer Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug im Betrieb eine hinreichende Wirtschaftlichkeit und geringe Kosten zu erzielen, sind einerseits die Leistung pro Quadratmeter Zellfläche und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu steigern, indem beispielsweise Leistungsverluste infolge von Kontakt- und/oder Materialwiderständen reduziert sowie Stoff- und Ladungstransport verbessert werden. Andererseits werden zunehmend kostengünstige Materialien, wie z. B. rollbare Elektrodenlagen für die Gasdiffusionselektroden, verwendet.
Aus der DE 10 2005 037 093 A1 ist beispielsweise eine Brennstoffzelle mit Fluidführungskanälen mit sich gegenläufig ändernden Strömungsquerschnitten bekannt.
Aus der DE 60212001 T2 ist eine Brennstoffzellenflüssigkeitsverteilungsplatte (auch Bipolarplatte genannt) bekannt, die auf wenigstens einer Fläche ein Netz von progressiv feineren Kanälen aufweist, die einen oder mehrere verzweigte Gaslieferungskanäle mit einer Vielzahl von daran angeschlossenen Gasdiffusionskanälen mit einer Breite geringer als 0,2 mm aufweisen.
Aus der US 20020167109 A1 ist eine herkömmliche Bipolarplatte und deren Herstellung beschrieben, wobei die Strömungskanäle unterschiedliche Kanalquerschnittsformen aufweisen. Dabei werden die Strömungskanäle durch Rollprägen in eine Platte aus einem flexiblen Graphit-Material eingebracht.
Aus der US 20030059662 A1 ist eine herkömmliche Bipolarplatte bekannt, welche einen serpentinenartig verlaufenden Strömungskanal aufweist, wobei der Steg zwischen benachbarten Kanalabschnitten des Kanals in der Breite variiert.
Aus der US 6586128 B1 ist zur Verbesserung und Einstellung eines Stofftransports zwischen benachbarten Kanälen ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Druckunterschiede in dem jeweiligen Kanal durch Änderung des Kanalverlaufs bei konstanter Stegbreite einstellbar sind.
Aus der DE 69901187 T2 ist darüber hinaus eine Brennstoffzellenanordnung mit einer wellenförmigen Membran-Elektroden-Anordnung durch versetzte Anordnung von gleichförmigen Stegen bekannt.
Insbesondere durch die Verwendung von kostengünstigen Materialien, wie flexibler, rollbarer Gasdiffusionselektroden-Lagen besteht das Problem, dass bedingt durch die weitgehend biegeweichen, flexiblen und/oder nachgiebigen Diffusionslagenmaterialen bei Montage der Brennstoffzellenanordnung ein von außen aufgebrachter Pressdruck auf die Stege (= Flussfeldstege, d. h. Stege im Bereich der Strömungsfelder) schlecht zur aktiven Schicht (dem Katalysator und der Membran) verteilt wird. Hierdurch entstehen insbesondere in Kanalbereichen erhöhte Kontaktwiderstände zwischen den Schichten und auch im Diffusionslagenmaterial selbst, welche je nach Konfiguration zu sehr deutlichen Leistungsverlusten führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, welche gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Brennstoffzellenordnung umfasst mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen, zwischen denen jeweils mindestens eine Bipolarplatte, die aus mindestens einer oder zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet ist, angeordnet ist, wobei zumindest auf einer oder beiden Außenseiten der jeweiligen Platte jeweils ein Strömungsfeld durch in die Platte eingebrachte Kanalstrukturen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen und zwischen zwei Kanälen parallel zueinander verlaufenden Stegen gebildet ist. Erfindungsgemäß sind zumindest die Stege zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessungen versehen, dass eine zwischen den beiden Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung im montierten Zustand gewellt ist.
Mit anderen Worten: Die Stege zweier benachbarter Strömungsfelder, die jeweils außenseitig der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet sind, sind hinsichtlich ihrer Anordnung und/oder Abmessung derart variierend zueinander ausgebildet, dass ein bei der Montage wirkender Anpressdruck einer Membran-Elektroden-Anordnung an die angrenzenden Bipolarplatten entlang der Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung weitgehend homogenisiert ist. Erreicht wird diese homogenere Verpressung der aktiven Schicht durch die gewellte Membran-Elektroden-Anordnung infolge einer wellenförmigen Verspannung der Gasdiffusionselektroden-Lage unter dem Pressdruck der verschiedenen Stege. Durch die Auslenkung aus der ebenen Normallage übt die Gasdiffusionselektroden-Lage dieser Auslenkung entgegen einen Druck aus, der auch bei breiteren Kanälen noch in der Kanalmitte eine höhere Kompression bewirkt.
Insbesondere sind die Stege derart ausgebildet, dass insbesondere einander gegenüberliegende Stege voneinander verschieden ausgebildet sind. Hierdurch kann ein deutlich höherer Anpressdruck und somit eine deutliche Erhöhung einer Materialverpressung des Gasdiffusionslagen-Materials im Kanalbereich auch bei breiteren Kanälen erzielt werden. Dies wiederum bewirkt sinkende Verluste, insbesondere eine Reduzierung von Druckverlusten im Strömungsfeld und eine deutlich höhere Leistungsdichte auch bei Roll-Gasdiffusionselektroden-Lagen.
Durch eine derartige Optimierung von Stegbreiten und/oder Steghöhen und/oder einer versetzten Steganordnung können eine Anpassung an lokale Bedingungen in den angrenzenden Kanälen und damit einhergehend eine Optimierung der Leistungsdichte einer Brennstoffzellenanordnung erzielt werden. Insbesondere bei einer Brennstoffzellenanordnung mit flexiblen Lagen von Gasdiffusionselektroden können somit unterschiedliche Anforderungen an den Fluid-, insbesondere Gastransport, wie auch unterschiedliche thermische und elektrische Leitfähigkeitsanforderungen durch entsprechende Variation der Stegbreiten und/oder der Steghöhen und/oder der versetzten Steganordnung erfüllt und erreicht werden.
In einer möglichen Ausführungsform sind die Stege der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten seitlich versetzt zueinander angeordnet. Bei einer Verpressung der beiden Bipolarplatten mit der dazwischen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung ergibt sich für diese die gewellte Form, indem die Membran-Elektroden-Anordnung durch den Druck der Stege der einen Bipolarplatte in die gegenüberliegenden Kanäle der anderen Bipolarplatte gebogen wird.
Hierzu sind die Stege zweckmäßigerweise derart seitlich versetzt zueinander angeordnet, dass die Stege der einen Bipolarplatte in die Kanäle der anderen Bipolarplatte zumindest teilweise hineinragen oder zumindest den Kanälen der anderen Bipolarplatte gegenüberliegen.
In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weisen die Stege der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten unterschiedliche Höhen auf. Vorzugsweise weisen die Stege der jeweiligen oder einer jeden Bipolarplatte abwechselnd unterschiedliche Höhen auf. So weisen beispielsweise die Stege eines Kathodenströmungsfelds (auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung und gebildet durch die Stege der einen Bipolarplatte) immer abwechselnd einen bestimmten Höhenversatz und somit abwechselnd unterschiedliche Höhen auf. Die Stege des gegenüberliegenden Anodenströmungsfeldes (auf der anderen Seite der Membran-Elektroden-Anordnung und gebildet durch die Stege der anderen Bipolarplatte) sind derart ausgebildet, dass deren unterschiedliche Höhen und somit deren Höhenversatz mit den Höhen und dem Höhenversatz der Stege der anderen Bipolarplatte derart korrespondieren, dass niedrige Stege der einen Bipolarplatte hohen Stegen der anderen Bipolarplatte oder umgekehrt einander gegenüberliegen. Mit anderen Worten: Die beiden Bipolarplatten sind derart zueinander angeordnet, dass Stege mit unterschiedlichen Höhen einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Darüber hinaus können die Stege und/oder die Kanäle einer jeden Bipolarplatte zumindest eine variierende Kanalbreite, eine variierende Stegbreite und/oder einen variierenden Kanalabstand aufweisen. Durch entsprechende Dimensionierung der Steg- und/oder Kanalbreiten und/oder Kanalabstände ist eine Verbesserung der Kompression möglich. So kann beispielsweise ein verbreiterter hervorstehender Steg im konvexen Teil der Wellenform der Membran-Elektroden-Anordnung eine hohe Kompression auch noch bis weit in den Kanal der Gegenseite bewirken.
Zur Erzielung der Wellenform der Membran-Elektroden-Anordnung im gepressten Zustand sind die beiden Bipolarplatten vorzugsweise derart zueinander angeordnet, dass Stege mit unterschiedlichen Stegbreiten einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich können die beiden Bipolarplatten derart zueinander angeordnet sein, dass Stege mit unterschiedlichen Stegbreiten und/oder mit unterschiedlichen Höhen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Darüber hinaus können die Stege zumindest teilweise oder vollständig versetzt zueinander angeordnet sein. Dabei sind die Stege vorzugsweise derart zueinander versetzt angeordnet, dass diese zumindest teilweise oder vollständig in Kanäle eingreifen oder diesen gegenüberliegend angeordnet sind.
Ferner ist eine beliebige Kombination verschiedener Stegformen, z. B. verschiedene Steghöhen und/oder Stegbreiten, und/oder von verschiedenen Stegversätzen, z. B. Höhenversatz und/oder Seitenversatz, möglich. Beispielsweise ist sowohl ein Höhenversatz, d. h. unterschiedliche Steghöhen, zwischen den Stegen einer Platte als auch ein seitlich teilweiser oder vollständiger Versatz der Stege von korrespondierenden Platten gegeneinander möglich.
Vorzugsweise sind die beiden Bipolarplatten derart zueinander angeordnet, dass eine Gesamthöhe einer Anordnung aus zwei Bipolarplatten und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung konstant ist. Dies erlaubt eine höhere Packungsdichte.
Darüber hinaus ist die Geometrie der Stege an Strömungsverhältnisse und/oder -parameter des Strömungsfeldes angepasst. In einer möglichen Ausführungsform weisen die Stege der beiden Bipolarplatten abgerundete Stegkanten auf. Derartige abgerundete Stegkanten bewirken eine Vermeidung oder zumindest eine Reduzierung von Belastungsspitzen der Membran-Elektroden-Anordnung.
Alternativ oder zusätzlich können die Stege der beiden Bipolarplatten eine unebene Stegoberfläche, insbesondere eine schräge oder ovale Stegoberfläche, aufweisen. Auch dies führt zu einer Verbesserung des Verpressungseffektes und zur Reduzierung von Belastungsspitzen.
Für einen möglichst kostengünstigen Aufbau der Brennstoffzellenanordnung ist die Membran-Elektroden-Anordnung aus zwei Gasdiffusionselektroden und einer dazwischen liegenden Polymer-Elektrolyt-Membran gebildet, wobei die Gasdiffusionselektroden bevorzugt aus einer flexiblen, insbesondere rollbaren Lage gebildet sind.
Zur Kühlung der Brennstoffzellenanordnung können darüber hinaus zwei unmittelbar aneinander angrenzende Bipolarplatten derart zueinander angeordnet sein, dass Negativstrukturen der Kanäle und der Stege Kühlkanäle und/oder Zudosierungskanäle für das jeweilige Strömungsfeld bilden.
Bevorzugt kann es sich bei der Brennstoffzellenanordnung um eine so genannte PEM-Brennstoffzellenanordnung aus einer Anzahl von gestapelten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen handeln, zwischen denen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenanordnung mit einer einzelnen von mehreren planparallel gestapelten Membran-Elektroden-Anordnungen, die jeweils außenseitig von jeweils einer Bipolarplatte mit weitgehend gleichförmigen Stegen begrenzt sind gemäß dem Stand der Technik,
2 schematisch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen,
3 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit seitlich zueinander versetzt angeordneten Stegen,
4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen und unterschiedlichen Stegbreiten,
5 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen und unterschiedlichen Stegbreiten und abgerundeten Stegkanten,
6 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen und unterschiedlichen Stegbreiten und abgerundeten Stegkanten und zusätzlichen Kühlkanälen zwischen zwei planparallel zueinander angeordneten Bipolarplatten, und
7 schematisch ein Diagramm mit dem Verlauf des Pressdrucks zur aktiven Schicht als Funktion des Stegversatzes über einem Steg-Kanal-Steg-Segment.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik mit einer einzelnen von mehreren planparallel gestapelten Membran-Elektroden-Anordnungen 2 (auch kurz MEA genannt), die jeweils außenseitig von jeweils einer Bipolarplatte 3.1, 3.2 begrenzt sind.
Dabei zeigt die 1 die Brennstoffzellenanordnung 1 in Schnittdarstellung zur besseren Verständlichkeit des Aufbaus und der Orientierung der einzelnen Elemente – Membran-Elektroden-Anordnung 2 (= MEA) und der Bipolarplatten 3.1, 3.2 – zueinander.
Bei der Brennstoffzellenanordnung 1 kann es sich insbesondere um eine so genannte PEM-Brennstoffzellenanordnung handeln (mit PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran). Dazu umfasst die Brennstoffzellenanordnung 1 als Membran-Elektroden-Anordnung 2 zwei Gasdiffusionselektroden 2.1, 2.2 (eine davon als Anode, die andere als Kathode) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt 2.3, z. B. eine Polymer-Elektrolyt-Membran. Eine der Oberflächen der jeweiligen Gasdiffusionselektrode 2.1, 2.2 ist dabei dem Elektrolyt 2.3, z. B. der Polymer-Elektrolyt-Membran, und die andere Oberfläche einer der Bipolarplatten 3.1, 3.2 zugewandt.
Die jeweilige Bipolarplatte 3.1, 3.2 ist bevorzugt aus mindestens einer Platte oder aus zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet, wobei die Platten aus einem Metall sind und beispielsweise dünne Metallbleche sind, was einen robusten Aufbau und eine einfache Einbringung der Kanalstruktur in die beiden Platten ermöglicht. Die beiden Platten können prinzipiell aber auch aus Kohlenstoff oder einem Kohlenstoffwerkstoff (Karbon) gebildet sein. Derartige Platten können heutzutage sehr dünnwandig hergestellt werden und haben den Vorteil, dass sie nicht beschichtet werden müssen.
In mindestens eine Außenseite der Platte oder einer der Platten oder beider Platten der jeweiligen Bipolarplatte 3.1, 3.2 sind Kanäle K1, K2 und Stege S1, S2 eingebracht, z. B. durch Hohlprägen (mit Form und Stempel), Hydroforming (mit Form und Flüssigkeit), Hochgeschwindigkeitsumformen (mit Form und Stempel), Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen. Die jeweilige Bipolarplatte 3.1, 3.2 kann somit ein Formteil sein, das z. B. aus einem oder zwei dünnen Metallblechen gebildet ist, welche/s Erhebungen (= Stege S1, S2) und Vertiefungen (= Kanäle K1, K2) aufweisen, die zur Außenseite, d. h. zur jeweils zugehörigen Membran-Elektroden-Anordnung 2, ein Strömungsfeld F1, F2 mit den Kanälen K1, K2 bilden.
Im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 werden die Kanäle K1, K2 des jeweiligen Strömungsfelds F1, F2 von einem Fluid durchströmt, z. B. ein Anoden-Strömungsfeld von einem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und ein Kathoden-Strömungsfeld von einem Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff oder Luft.
In 1 ist nur ein Teil der Brennstoffzellenanordnung 1 – eine Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit zwei außenseitig angrenzenden Bipolarplatten 3.1, 3.2 – dargestellt. In nicht näher dargestellter Art und Weise grenzen außenseitig an die jeweilige Bipolarplatte 3.1, 3.2 weitere nicht näher dargestellte Membran-Elektroden-Anordnungen 2 plan parallel an.
Im Stand der Technik sind die Stege S1, S2 einander gegenüberliegender Bipolarplatten 3.1, 3.2 weitgehend gleichförmig ausgebildet.
Nachfolgend werden verschiedene alternative Ausführungsformen der Erfindung anhand der 2 bis 7 näher beschrieben.
Um Transportverluste, Kontakt- und/oder Materialwiderstände sowie Fluid- oder Gas-, Wärmetransport- und/oder Ladungstransportverluste zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, sind die Stege S1, S2 zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten 3.1, 3.2 derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessungen versehen, dass die zwischen den Bipolarplatten 3.1, 3.2 angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung 2 im montierten Zustand gewellt ist.
2 zeigt schematisch eine mögliche erste Ausführungsform für unterschiedliche Stege S1, S2 zweier Bipolarplatten 3.1, 3.2.
Dabei weisen die Stege S1 und S2 der beiden gegenüberliegenden Bipolarplatten 3.1 bzw. 3.2 unterschiedliche Höhen H1 bzw. H2 auf. Bevorzugt sind die Bipolarplatten 3.1 und 3.2 derart zueinander angeordnet und mit Stegen S1 und S2 mit unterschiedlichen Höhen H1 bzw. H2 versehen, dass ein kurzer Steg S1 der einen Bipolarplatte 3.1 einem langen Steg S2 der anderen Bipolarplatte 3.2 oder umgekehrt gegenüber liegt.
Darüber hinaus ist die jeweilige Bipolarplatte 3.1 oder 3.2 derart mit Stegen S1 bzw. S2 versehen, dass die Stege S1 oder S2 der jeweiligen Bipolarplatte 3.1 bzw. 3.2 abwechselnd unterschiedliche Höhen H1.1 und H1.2 bzw. H2.1 und H2.2 aufweisen. Hierbei liegen dann abwechselnd ein niedriger Steg S1 der einen Bipolarplatte 3.1 einem hohen Steg S2 der anderen Bipolarplatte 3.2 und benachbart ein hoher Steg S1 der Bipolarplatte 3.1 einem niedrigen Steg S2 der anderen Bipolarplatte 3.2 einander gegenüber.
Bei Verpressung der Bipolarplatten 3.1 und 3.2 und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung 2 ergibt sich dann die dargestellte Wellenform, durch welche eine deutliche höhere Materialverpressung bewirkt wird und somit Druckverluste im jeweiligen Strömungsfeld F1 bzw. F2 reduziert sind.
Um auch eine hinreichende Materialverpressung bei breiteren Kanälen K1 bzw. K2 zu erzielen, können, wie in 3 näher dargestellt, die Stege S1, S2 der beiden Bipolarplatten 3.1, 3.2 zusätzlich zu den unterschiedlichen Steghöhen H1, H2 oder alternativ dazu seitlich versetzt zueinander angeordnet sein.
Dabei können die Stege S1 und S2 derart zueinander versetzt sein, dass deren Stegoberfläche in die Kanäle K2 bzw. K1 der anderen Bipolarplatte 3.2 bzw. 3.1 zumindest teilweise hineinragen oder diesen zumindest gegenüber liegen. Hierdurch ergibt sich in analoger Weise, wie zu 2 beschrieben, bei Verpressung die gewellte Form der Membran-Elektroden-Anordnung 2.
Alternativ oder zusätzlich können die Stege S1, S2 unterschiedliche Stegbreiten b_S1 bzw. b_S2 aufweisen. Auch können die Kanäle K1, K2 unterschiedliche Kanalbreiten b_K1 bzw. b_K2 aufweisen. Dabei können die Stege S1 oder S2 der jeweiligen Bipolarplatte 3.1 bzw. 3.2 ebenfalls abwechselnd unterschiedliche Stegbreiten b_S1.1, b_S1.2 bzw. b_S2.1, b_S2.2 aufweisen.
Ferner ist eine beliebige Kombination von verschiedenen Stegen S1, S2 mit unterschiedlichen Steghöhen H1, H1.1, H1.2 bzw. H2, H2.1, H2.2 und/oder unterschiedlichen Stegbreiten b_S1, b_S1.1, b_S1.2 bzw. b_S2, b_S2.1, b_S2.2 und/oder verschiedenen Kanälen K1, K2 mit unterschiedlichen Kanalbreiten b_K1 bzw. b_K2 möglich.
Auch können die Kanalabstände a1, a2 unterschiedlich sein. Unter dem jeweiligen Kanalabstand a1, a2 wird dabei insbesondere der Abstand zwischen einer Kanalwand eines Kanals und der gleichen Kanalwand eines parallel zu diesem Kanal angeordneten benachbarten Kanals einer Bipolarplatte verstanden. Somit entspricht der Kanalabstand a1 in etwa der Summe aus Kanalbreite b_K1 eines Kanals K1 und der Stegbreite b_S1 eines angrenzenden Steges S1 der Bipolarplatte 3.1.
Bei den möglichen Kombinationen von Variationen der Kanal- und/oder Stegkonturen und/oder -abmessungen wird dabei stets sichergestellt, dass die Gesamthöhe und somit die Dicke zweier Bipolarplatten 3.1 und 3.2 und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung 2 gleich bleibt.
4 zeigt eine mögliche Ausführungsform zur Erzielung der gewellten Membran-Elektroden-Anordnung 2 durch Stege S1, S2 mit unterschiedlichen Steghöhen H1.1, H1.2 bzw. H2.1, H2.2 und unterschiedlichen Stegbreiten b_S1 bzw. b_S2 und Kanälen K1, K2 mit unterschiedlichen Kanalbreiten b_K1 bzw. b_K2. Dabei sind die Bipolarplatten 3.1, 3.2 derart zueinander angeordnet, dass deren Stege S1, S2 gegenüber liegend angeordnet sind. In 3 ist ein Beispiel für seitlich zueinander versetzt angeordnete Stege S1, S2 gezeigt.
5 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung 2 zwischen zwei Bipolarplatten 3.1 und 3.2. Dabei weisen die Stege S1, S2 zueinander unterschiedliche Steghöhen H1 bzw. H2 und/oder zueinander unterschiedliche Stegbreiten b_S1, b_S2 auf. Ferner weisen die jeweiligen Stege S1 und S2 abgerundeten Stegkanten auf, wodurch Belastungsspitzen reduziert oder vermieden sind.
6 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1. Zur Kühlung der Brennstoffzellenanordnung 1 sind zusätzlich Kühlkanäle KK zwischen zwei planparallel zueinander angeordneten Bipolarplatten 3.1 und 3.2 vorgesehen, die ohne Zwischenanordnung einer Membran-Elektroden-Anordnung 2 direkt aufeinander angeordnet sind.
Die Kühlkanäle KK sind beispielsweise innenseitig durch Negativstrukturen der äußeren Kanalstrukturen aus den Kanälen K1, K2 bzw. den Stegen S1, S2 der beiden Bipolarplatten 3.1 und 3.2 gebildet. Dabei sind eine als Anode fungierende Platte und eine als Kathode fungierende Platte beispielsweise derart Kanalboden an Kanalboden aufeinander gelegt, dass deren Seitenwände und Stege die innen liegenden Kühlmittelkanäle KK bilden. Alternativ oder zusätzlich können in analoger Weise auch Zudosierungskanäle gebildet werden.
7 zeigt schematisch ein Diagramm mit verschiedenen Verläufen V1 des Pressdrucks p der Gasdiffusionselektroden-Lage 4 zur aktiven Schicht entlang einer Linie von Stegmitte zu Stegmitte gemäß 4 mit unterschiedlichen Stegversätzen s von s = 0 beim Verlauf V1, s = 0.1 mm beim Verlauf V2, s = 0.2 mm beim Verlauf V3 und s = 0.3 mm beim Verlauf V4. Mit zunehmendem Stegversatz s erhöht sich die Materialkompression im Bereich um die Stegkante des verbreiterten Steges S1 gemäß 4, die auch zu einer Erhöhung der Minimalkompression im Kanal K2 führt.

1: Brennstoffzellenanordnung
2: Membran-Elektroden-Anordnung
2.1, 2.2: Gasdiffusionselektrode
2.3: Polymer-Elektrolyt-Membran
3.1, 3.2: Bipolarplatten
a1, a2: Kanalabstand
b_K1, b_K2: Kanalbreite
b_S1, b_S1.1, b_S1.2: Stegbreite der Stege der einen Bipolarplatte
b_S2, b_S2.1, b_S2.2: Stegbreite der Stege der anderen Bipolarplatte Stegbreite
F1, F2: Strömungsfeld
H1, H1.1, H1.2: Steghöhen der Stege der einen Bipolarplatte
H2, H2.1, H2.2: Steghöhen der Stege der anderen Bipolarplatte
K1, K2: Kanäle
S1, S2: Stege

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005037093 A1 [0008]
- DE 60212001 T2 [0009]
- US 20020167109 A1 [0010]
- US 20030059662 A1 [0011]
- US 6586128 B1 [0012]
- DE 69901187 T2 [0013]

Claims

Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen (2), zwischen denen jeweils mindestens eine Bipolarplatte (3.1, 3.2), die aus mindestens einer oder zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet ist, angeordnet ist, wobei zumindest auf einer oder beiden Außenseiten jeweils ein Strömungsfeld (F1, F2) durch in die jeweilige Platte eingebrachte Kanalstrukturen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen (K1, K2) und zwischen zwei Kanälen (K1, K2) parallel zueinander verlaufenden Stegen (S1, S2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessungen versehen sind, dass eine zwischen den beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (2) im montierten Zustand gewellt ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten (3.1, 3.2) seitlich versetzt zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) derart seitlich versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Stege (S1 oder S2) der einen Bipolarplatte (3.1 oder 3.2) in die Kanäle (K2 oder K1) der anderen Bipolarplatte (3.2 oder 3.1) zumindest teilweise hineinragen oder den Kanälen (K2 oder K1) der anderen Bipolarplatte (3.2 oder 3.1) gegenüberliegen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten (3.1, 3.2) unterschiedliche Höhen (H1, H2) aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1 oder S2) der jeweiligen Bipolarplatte (3.1 oder 3.2) abwechselnd unterschiedliche Höhen (H1.1, H1.2 oder H2.1, H2.2) aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass Stege (S1 und S2) mit unterschiedlichen Höhen (H1.1 und H2.2 oder H1.2 und H2.1) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) und/oder Kanäle (K1, K2) einer jeden Bipolarplatte (3.1, 3.2) zumindest eine variierende Kanalbreite (b_K1, b_K2), eine variierende Stegbreite (b_S1, b_S2) und/oder einen variierenden Kanalabstand (a₁, a₂) aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass Stege (S1 und S2) mit unterschiedlichen Stegbreiten (b_S1.1 und b_S2.2 oder b_S1.2 und b_S2.1) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass Stege (S1 und S2) mit unterschiedlichen Stegbreiten (b_S1.1 und b_S2.2 oder b_S1.2 und b_S2.1) und/oder mit unterschiedlichen Höhen (H1.1 und H2.2 oder H1.2 und H2.1) einander gegenüberliegend oder zumindest teilweise oder vollständig versetzt zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass eine Gesamthöhe einer Anordnung aus zwei Bipolarplatten (3.1, 3.2) und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung (2) konstant ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) abgerundete Stegkanten aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) eine unebene Stegoberfläche, insbesondere eine schräge oder ovale Stegoberfläche aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (2) aus zwei Gasdiffusionselektroden (2.1, 2.2) und einer dazwischen liegenden Polymer-Elektrolyt-Membran (2.3) gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektroden (2.1, 2.2) als eine flexible, insbesondere rollbare Lage ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unmittelbar aneinander angrenzende Bipolarplatten (3) derart zueinander angeordnet sind, dass Negativstrukturen der Kanäle (K1, K2) und der Stege (S1, S2) Kühlkanäle (KK) und/oder Zudosierungskanäle bilden.