DE102018114006A1

DE102018114006A1 - Bipolarplatte und Brennstoffzelle aufweisend eine Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102018114006A1
Application number: DE102018114006.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Haußmann; Hanna Östreicher; Jürgen Remmlinger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10, 10') zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (12), umfassend ein Gasverteilerelement (14), welches eine Mehrzahl von Kanälen (16) zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle (12) aufweist, wobei das Gasverteilerelement (14) eine Mehrzahl von in einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases nebeneinander angeordneten Strömungselementen (20) aufweist, wobei jedes Strömungselement (20) entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases einen eine Wellenform ausbilden Metallstreifen mit jeweils Wellentälern (22) und Wellenbergen (24) aufweist derart, dass die Wellentäler (22) und Wellenberge (24) zweier benachbarter Strömungselemente (20) jeweils in der Hauptströmungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Wellentäler (22) aller Strömungselemente (20) in einer ersten Ebene (E1) liegen und weiterhin die Wellenberge (24) aller Strömungselemente (20) in einer zweiten Ebene (E2) liegen, und wobei die Wellentäler (22) und die Wellenberge (24) jeweils eine planare Anlagefläche (16, 28) für einen Kontakt mit einem Gegenelement ausbilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle aufweisend eine derartige Bipolarplatte.
Brennstoffzellen sind als alternativer Energiewandler weitläufig bekannt. Sie umfassen meist eine Bipolarplatte, die beispielsweise als wesentlicher Teil einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle einzelne Zellen zu einem Brennstoffzellenstapel in Reihe verbindet. Dabei umfasst eine Zelle meist eine Bipolarplatte, eine Gasdiffusionslage und eine Katalysatorschicht jeweils auf Kathoden- und Anodenseite, die durch eine Membran elektrisch getrennt sind. Die Bipolarplatte weist sowohl auf der Anodenseite, als auch auf der Kathodenseite ein Gasverteilerfeld auf, welche unterschiedlich geformt sein können. Diese Verteilerfelder haben die Aufgabe, die Gase gleichmäßig zu verteilen, so dass eine homogene Verteilung in der Katalysatorschicht erreicht wird. In der Katalysatorschicht läuft die Reaktion unter Beteiligung der Reaktionsgase ab. In der Katalysatorschicht der Kathode entsteht dabei Wasser, das aufgrund einer Temperatur von unter 100°C auch flüssig auftritt. Die Membran ist wasserdurchlässig, so dass flüssiges Wasser sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite auftreten kann. Die Verteilerfeldplatte hat somit neben der Gaszuführung auch die Aufgabe, das entstehende Wasser aus der Zelle auszutragen.
Stand der Technik ist, dass die Form einer Bipolarplatte so ausgeformt ist, dass jeweils Kanäle gebildet werden, durch die die Reaktionsgase strömen und Stege, die die Gasdiffusionslage und damit die Katalysatorschicht elektrisch und thermisch kontaktieren. Üblicherweise stellen sich unter den Stegen kältere und schlecht durchströmte Bereiche ein, die unter feuchten Betriebsbedingungen zu Wasseransammlungen in diesen Bereichen führen. Dies führt in der Regel zu einer schlechteren Leistung der Brennstoffzelle.
DE10 2007 009 905 A1 beschreibt beispielsweise eine Brennstoffzelle, bei welcher ein Brenngasströmungsfeld an einer Oberfläche eines rechteckigen ersten Metallseparators ausgebildet ist. Das Brenngasströmungsfeld enthält Strömungsnuten, die sich in der Schwerkraftrichtung erstrecken. Ein Auslasspuffer ist am Unterende des Brenngasströmungsfelds vorgesehen. Der Auslasspuffer enthält eine geneigte Oberfläche, die zu dem Brenngasabführkanal hin geneigt ist. Der Brenngasabführkanal ist unter dem Auslasspuffer angeordnet. Auslasskanalnuten sind durch Rippen gebildet, die zwischen dem Brenngasabführkanal und dem Auslasspuffer vorgesehen sind. Unterenden der Rippen sind in einem Zick-Zack-Muster angeordnet.
US 9,306,228 B2 beschreibt eine Brennstoffzelle, die einen Gaskanal zum Leiten von Sauerstoffgas aufweist. Dieser Gaskanal weist wellenförmige Bereiche auf, die in Flussrichtung des Gases übereinander angeordnet sind.
DE 11 2009 001 377 T5 beschreibt ein Gasströmungsweg-bildendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei das Gasströmungsweg-bildende Element aus einer Metallgitterstruktur besteht, die aus einer dünnen Metallplatte gebildet ist, wobei eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen in der Metallgitterstruktur nach Art eines Gitters ausgebildet sind, wobei das Gasströmungsweg-bildende Element eine Vielzahl von ringförmigen Abschnitten aufweist, welche die durchgehenden Öffnungen bilden, wobei die ringförmigen Abschnitte jeweils einen flachen Oberflächenabschnitt in einem Kontaktabschnitt zwischen dem ringförmigen Abschnitt und der Gasdiffusionsschicht aufweisen.
DE 11 2009 004 658 B4 beschreibt ein Gaskanal-Ausbildungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei das Gaskanal-Ausbildungselement aus einem Streckmetall ausgeführt ist, das von einer dünnen Metallplatte gebildet wird, wobei eine Mehrzahl von Ringabschnitten, die jeweils eine Durchgangsöffnung aufweisen, im Gaskanal-Ausbildungselement ausgebildet und gitterförmig im Gaskanal-Ausbildungselement angeordnet ist, die Ringabschnitte durch Verbindungsstegabschnitte untereinander verbunden sind, wobei jeder der Verbindungsstegabschnitte in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Gases geneigt ist, jeder Verbindungsstegabschnitt einen ersten geneigten Plattenabschnitt aufweist, der gegen eine Rückseite des Separators anliegend gehalten ist, und einen zweiten geneigten Plattenabschnitt aufweist, der gegen eine Oberfläche der Gasdiffusionsschicht anliegend gehalten ist. Dabei wird lediglich ein linienförmiger Kontakt zwischen einem Gaskanal-Ausbildungselement und einem Separator einerseits beziehungsweise einer Gasdiffusionsschicht andererseits ausgebildet. In Blickrichtung einer Gasströmungsrichtung Pg weist das Gaskanal-Ausbildungselement im Schnittbild entlang eines solchen linienförmigen Kontakts einen wellenförmigen Verlauf auf.
DE 10 2015 207 397 A1 beschreibt eine poröse Kanalstruktur für eine Brennstoffzelle enthaltend eine Kanalplatte mit einer Mehrzahl Stegteile, die eine Gasdiffusionsschicht (GDL) berühren, um einen wellenförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung des Gases zu bilden, und eine Mehrzahl Kanalteile, die eine ebene Platte berühren, um Wasserdichtheit herzustellen, und die eine Kanalöffnung haben, durch die Reaktionsgas strömt. Die Kanalöffnung ist so gestanzt, dass sie einen Abschnitt mindestens entweder eines Stegteils der Mehrzahl Stegteile oder eines Kanalteils der Mehrzahl Kanalteile enthält.
DE 10 2014 223 735 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle, die umfasst eine Katalysatorschicht, an der Wasserstoffgas oder Luft durch ihre beiden Oberflächen eingeführt wird; einen ersten Separator, der an einer ersten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten Kanälen umfasst, so dass ein erstes Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft strömen kann; und einen zweiten Separator, der an der zweiten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen umfasst, die in einer Richtung senkrecht zu den ersten Kanälen angeordnet sind. Insbesondere umfasst jeder der zweiten Kanäle eine Mehrzahl von Lüftungsöffnungen, so dass ein zweites Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft in einer Richtung senkrecht zu den zweiten Kanälen strömen kann.
DE10 2014 224 025 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenseparator und eine Brennstoffzelle mit dem Brennstoffzellenseparator. Der Brennstoffzellenseparator umfasst eine durch erste Seiten und zweite Seiten der Kanäle gebildete Einlässe und Auslässe, so dass das in die Kanäle eingeleitete Reaktionsmittel senkrecht zu den Kanälen strömt. Insbesondere sind die Einlässe höher als die Auslässe angeordnet.
DE 10 2012 209 851 A1 beschreibt einen durchlässigen Separator für eine Brennstoffzelle. Der durchlässige Separator enthält eine Strömungsplatte und eine flache Platte. Die Strömungsplatte enthält eine erste Strömungsoberfläche, welche nach oben geneigt ist und eine erste Vielzahl an Strömungsöffnungen aufweist, und eine zweite Strömungsoberfläche, welche nach unten geneigt ist und eine zweite Vielzahl an Strömungsöffnungen aufweist, welche entlang einer Längsrichtung der Strömungsplatte wiederholt angeordnet sind. Die Strömungsplatte ist zwischen einer Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle und einer flachen Platte angeordnet, um die Strömungsplatte abzudichten und einen Strömungsweg für Wasserstoff oder Luft in derselben zu erzeugen.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere bezüglich der Gasverteilung etwa in Kombination mit einer kostengünstigen Herstellbarkeit.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche bei einer Bipolarplatte eine effektive Verteilung des einströmenden Gases ermöglicht wird und/oder welche kostengünstig herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Es wird vorgeschlagen eine Bipolarplatte zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, umfassend ein Gasverteilerelement, welches eine Mehrzahl von Kanälen zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle aufweist, wobei das Gasverteilerelement eine Mehrzahl von in einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases nebeneinander angeordneten Strömungselementen aufweist, wobei jedes Strömungselement entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases einen eine Wellenform ausbildenden Metallstreifen mit jeweils Wellentälern und Wellenbergen aufweist derart, dass die Wellentäler und Wellenberge zweier benachbarter Strömungselemente jeweils in der Hauptströmungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Wellentäler aller Strömungselemente in einer ersten Ebene E1 liegen und weiterhin die Wellenberge aller Strömungselemente in einer zweiten Ebene E2 liegen, und wobei die Wellentäler und die Wellenberge jeweils eine planare Anlagefläche für einen Kontakt mit einem Gegenelement ausbilden.
Eine derartige Bipolarplatte stellt eine Lösung bereit, durch welche eine effektive und homogene Verteilung des einströmenden Reaktionsgases ermöglicht wird und/oder welche kostengünstig herstellbar ist.
Es wird somit eine Bipolarplatte zur Anordnung in einer Brennstoffzelle vorgeschlagen. Eine derartige Bipolarplatte kann in einer Brennstoffzelle insbesondere dazu dienen, die aktiven Schichten der Brennstoffzelle, wie etwa vorhandene Katalysatorschichten, beispielsweise unter Verwendung von auf den Katalysatorschichten angeordneten Gasdiffusionsschichten, mit den entsprechenden Reaktionsgasen zu versorgen. Die Bipolarplatte kann ferner dazu ausgestaltet sein, eine Mehrzahl von Zellen elektrisch miteinander zu verbinden, wie etwa in Reihe zu schalten. Ferner kann eine Bipolarplatte im Sinne der vorliegenden Erfindung dazu dienen, als Endplatte zu dienen, um so eine am Ende eines Stapels angeordnete Elektrode mit einem Gas zu versorgen.
Die Bipolarplatte ist ausgebildet aus einem, beziehungsweise umfasst ein, Gasverteilerelement, welches eine Mehrzahl von Kanälen zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle aufweist. Somit dient die Bipolarplatte, beziehungsweise ihr Gasverteilerelement, dazu, ein Betriebsgas beziehungsweise Reaktionsgas (die Begriffe werden nachfolgend synonym verwendet) der Brennstoffzelle möglichst homogen und möglichst effektiv zu verteilen. Dies kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da die Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle meist benachbart zu entsprechenden Elektroden angeordnet ist und diese möglichst effektiv mit dem jeweiligen Betriebsgas versorgt werden sollten. Eine Elektrode kann dabei beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht umfassen welche die Bipolarplatte kontaktierend angeordnet ist und dazu dient, ein Reaktionsgas zu einer benachbart zu der Gasdiffusionsschicht angeordneten Katalysatorlage zuzuführen. In der Katalysatorlage kann die eigentliche Reaktion stattfinden. Die Elektrode beziehungsweise die Katalysatorlage ist durch eine Membran von einer entgegengesetzt gepolten Elektrode, wie etwa ebenfalls einer Katalysatorlage, getrennt.
Um eine möglichst effektive Verteilung der Betriebsgase zu ermöglichen, ist es bei der vorstehend definierten Bipolarplatte vorgesehen, dass das Gasverteilerelement eine Mehrzahl von entlang der Hauptströmungsrichtung des Gases nebeneinander angeordneten Strömungselementen aufweist. Die Hauptströmungsrichtung ist dabei insbesondere die Richtung, in welcher das jeweilige Betriebsgas die Bipolarplatte als Gesamtrichtung durchströmt, beispielsweise in das Gasverteilerelement strömt. Diese kann etwa definiert sein als die Summe sämtlicher Richtungsvektoren des in dem Gasverteilerelement strömenden Reaktionsgases.
Ferner sind die Strömungselemente erfindungsgemäß derartig ausgestaltet, dass diese streifenförmig bzw. als Metallstreifen ausgestaltet sind und damit eine verglichen zu ihrer Breite eine größere Länge aufweisen. In anderen Worten sind die Strömungselemente derart ausgestaltet, dass die Breite dieser Strömungselementreihe begrenzt ist und diese an benachbarte Strömungselemente angrenzen.
Dabei ist es ferner vorgesehen, dass die Strömungselemente der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases folgend eine Wellenform ausbilden beziehungsweise einer Wellenform folgen mit jeweils Wellentälern und Wellenbergen derart, dass die Wellentäler und Wellenberge zweier benachbarter Strömungselemente jeweils zueinander versetzt sind. In anderen Worten ist ein benachbartes Strömungselement um insbesondere eine Wellenform oder einen Anteil der Wellenform in Richtung der Gasströmung beziehungsweise in Hauptströmungsrichtung des Gases versetzt angeordnet. Beispielsweise weist ein Strömungselement oder weisen mehrere oder sämtliche Strömungselemente in der Hauptströmungsrichtung eine sich wiederholende Wellenform auf, wobei sich die Wellenform insbesondere in gleicher Weise beziehungsweise regelmäßig wiederholt. Derartige Strömungselemente können entsprechend Strömungselemente darstellen, welche die Betriebsgase effektiv verteilen.
Im Detail kann die Gasströmung durch die Strömungselemente so geleitet werden, dass das Reaktionsgas an einer abfallenden Wellenform beziehungsweise darunter in Richtung einer Elektrode wie etwa einer Gasdiffusionslage der Elektrode, unter die als Steg dienende Wellenform und damit Richtung Katalysatorschicht der Elektrode gelenkt wird, wenn die Bipolarplatte etwa benachbart zu einer Elektrode angeordnet ist, die beispielsweise eine Katalysatorschicht mit darauf angeordneter Gasdiffusionslage enthält. Durch die seitliche Unterbrechung der Strömungselemente beziehungsweise der Strömungselementreihe entlang der ansteigenden Wellenform wird ein Teil des Gasstroms an dem ersten Element vorbeigeführt und zum nächsten Strömungselement geleitet. So wird eine gleichmäßige Gasverteilung im Steg- und Kanalbereich und damit zu der Gasdiffusionslage und damit in der Katalysatorschicht einer Brennstoffzellenelektrode erzielt. Der Kanalbereich kann dabei der rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Bereich sein, der sich oberhalb der Wellentäler beziehungsweise unterhalb der Wellenberge befindet, wobei der Kanalbereich ferner der Bereich sein kann, der von einem Wellenberg zu einem Wellental führt und so beispielsweise nebeneinander liegende Strömungselemente übergreifen kann.
Zudem kann in der Elektrode entstehendes flüssiges Wasser unter den Stegen, also insbesondere den Verbindungsbereichen der Wellenberge und Wellentäler, mit dem dorthin gelenkten Gasstrom in den Kanal transportiert und von dort ausgetragen werden.
Durch diese Maßnahmen wird sowohl eine bessere Durchmischung der Gasdiffusionslage und der Katalysatorschicht mit Reaktionsgas bewirkt, als auch ein verbesserter Wasseraustrag des flüssigen Wassers aus der Gasdiffusionslage und der Katalysatorschicht in Richtung Gasverteilerfeld, also dem Gasverteilerelement der Bipolarplatte, erreicht. Dadurch können eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung und eine insgesamt bessere Leistung der Brennstoffzelle erzielbar sein.
Bei der Ausführung des als Verteilerfeldplatte ausgestalteten Gasverteilerelements kann einem Grundelement durch ein Umformen eine wellenförmige Form gegeben werden, die sich insbesondere regelmäßig wiederholt. Das Grundelement und damit das Strömungselement sind aus einem Metall, wie etwa einem Metallblech, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Strömungselement aus Stahlblech gebildet. Dies ermöglicht eine gute elektrische und thermische Leitung bei geringen Herstellungskosten. Alternativ kann aber auch ein Metallblech aus Titan, Aluminium, sowie aus weiteren metallischen Werkstoffen oder Legierungen in Betracht kommen.
Beispielsweise sind die Strömungselemente somit aus einem oder mehreren Metallblechen ausgeformt, die beispielsweise mit einer korrosionsschützenden Schicht versehen sein können. Aufgrund der Herstellung und Umformung können insbesondere runde beziehungsweise gerundete Grundformen mit einem entsprechenden Radius bevorzugt beziehungsweise besonders einfach ausgebildet werden. Dabei ist die Wellenform insbesondere durch minimale Radien limitiert, was insbesondere bedeuten soll, dass stets Rundungen vorliegen, jedoch keine scharfen Kanten.
Ferner kann sich an ein Strömungselement seitlich eine Mehrzahl von insbesondere gleichen oder auch unterschiedlichen Strömungselementen anschließen, wobei die Wellenformen derart versetzt und/oder unterschiedlich sein können, dass das dritte, vierte, fünfte, sechste oder ein noch weiter entferntes Strömungselement bezüglich den Wellentälern und Wellenbergen wieder dem ursprünglichen Strömungselement entspricht. In anderen Worten können die Strömungselemente sich seitlich in einer Frequenz von zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Strömungselementen etwa in der Wellenform beziehungsweise deren Lage wiederholend angeordnet sein. Somit kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Wellenform der einzelnen Strömungselemente gleich sein können oder sich voneinander unterscheiden können und sich dabei gegebenenfalls regelmäßig wiederholen können.
Es ist ferner vorgesehen, dass die Wellentäler und Wellenberge jeweils eine Anlagefläche für einen Kontakt mit einem, insbesondere gasdichten beziehungsweise gasundurchlässigen, Gegenelement ausbilden. Das soll insbesondere bedeuten, dass ein Gegenelement, wie beispielsweise eine Elektrode, etwa eine Gasdiffusionsschicht der Elektrode, oder ein etwa gasdichtes Plattenelement, an den Wellenbergen beziehungsweise Wellentälern anliegen können.
Erfindungsgemäß bilden die Wellentäler und Wellenberge jeweils eine planare Anlagefläche aus, also dass die Anlageflächen der Wellenberge und die Anlageflächen der Wellentäler, also sämtliche Wellentäler und sämtliche Wellenberge, jeweils in einer Ebene liegt. Dabei liegen die Anlageflächen der Wellentäler in einer ersten Ebene E1 und die Anlageflächen der Wellenberge in einer zweiten Ebene E2, wobei die beiden vorbezeichneten Ebenen insbesondere parallel ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung kann insbesondere vorteilhaft sein für eine Positionierung in der Brennstoffzelle. Denn in dieser Ausgestaltung kann die Wellenform beziehungsweise das Gasverteilerelement sowohl eine ebene Anlagefläche in Richtung zweier Elektroden, wie etwa zweier Gasdiffusionslagen oder auch für eine Elektrode, wie etwa für eine Gasdiffusionslage und in Richtung eines ebenen Plattenelements aufweisen, wie dies nachstehend beschrieben ist. Die beiden Anlageflächen sind dann über einen geneigten Übergangsbereich beziehungsweise Stegbereich miteinander verbunden, so dass die Anlageflächen und die Übergangsbereiche jeweils die Wellenform ausbilden. In dieser Ausgestaltung wird somit die Kontaktierung von einer oder mehreren Elektroden, und/oder einer Platte erleichtert und besonders definiert gestaltet, was für eine effektive Wirkungsweise einer Brennstoffzelle dienen kann.
Diesbezüglich kann es bevorzugt sein, dass in wenigstens einem Strömungselement, vorzugsweise in sämtlichen Strömungselementen, die Summe einer Länge aller Anlageflächen beziehungsweise Anlagebereiche der Wellenberge und Wellentäler in der Hauptströmungsrichtung größer ist als die Summe der Längen der Bereiche zwischen den Anlageflächen in der Hauptströmungsrichtung. In anderen Worten überwiegt die Ausdehnung der Anlageflächen gegenüber den zwischen den Anlageflächen angeordneten Übergangsflächen eines Strömungselements. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein besonders effektives und leistungsstarkes Arbeiten der Brennstoffzelle, da ein effektives Kontaktieren von Elektroden bei gleichzeitig effektiver Verteilung der Reaktionsgase ermöglicht werden kann.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente mechanisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die benachbarten Strömungselemente durch ein elektrisch und/oder thermisch leitendes Material mit einander verbunden sein, etwa durch ein metallisches Material. Beispielsweise kann die Bipolarplatte beziehungsweise das Gasverteilerelement mit seinen Strömungselementen derart gestaltet sein, dass die Wellentäler und die Wellenberge benachbarter Strömungselemente jeweils über einen beispielsweise geneigten Übergangsbereich miteinander verbunden sind. Dadurch kann insbesondere die mechanische Stabilität, die elektrische und thermische Querleitung also das Arbeitsverhalten der Brennstoffzelle, sowie die Herstellbarkeit verbessert werden. Insbesondere können die Anlageflächen der einzelnen Wellenreihen Überlappungsbereiche aufweisen, in denen die Anlageflächen miteinander verbunden sind.
Insbesondere sind benachbarte Strömungselemente einstückig ausgebildet und dort miteinander verbunden, wo Wellentäler benachbarter Strömungselemente aneinander angrenzen. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass an den Wellenbergen oder den Wellentälern ein das Gasverteilerelement zumindest teilweise abschließendes Plattenelement als Gegenelement vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung kann die Bipolarplatte somit das Gasverteilerelement und das insbesondere ebene Plattenelement aufweisen oder daraus bestehen, oder kann ein von der Bipolarplatte getrenntes Plattenelement vorgesehen sein. Dabei ist das Plattenelement auf der vorstehend beschriebenen planaren Anlagefläche angeordnet. In dieser Ausgestaltung ergibt sich der Strömungsweg entsprechend der Strömungselemente alternierend zwischen dem Plattenelement und einer etwa gegenüberliegend zu dem Plattenelement angeordneten Elektrode, insbesondere deren Gasdiffusionslage. In dieser Ausgestaltung kann die Bipolarplatte etwa als Endelement dienen, also für eine endseitig angeordnete Elektrode vorgesehen sein. Somit braucht diese Bipolarplatte keine Zellen zu verbinden, sondern kann lediglich die Versorgung der Elektrode mit Betriebsgas beziehungsweise Reaktionsgas sicherstellen.
Insbesondere ist ein jeder Metallstreifen eines Strömungselements in der Hauptströmungsrichtung in einer durchgehend gleichen Breite unterbrechungsfrei ausgebildet. Unterbrechungsfrei bedeutet dabei, dass der Metallstreifen durchgehend nahezu die gleiche Dicke aufweist, also keine Öffnungen, Einschnitte oder Unterbrechungen aufweist. Geringfügige Dickenunterschiede ergeben sich gegebenenfalls lediglich durch Umformprozesse in zu den planaren Anlageflächen angrenzenden Bereichen eines Metallstreifens.
Insbesondere weist ein Metallstreifen ein periodisch wiederkehrendes Wellenprofil auf, was fertigungstechnisch zu einer Vereinfachung und Kostenersparnis hinsichtlich der Werkzeuge führt.
Bevorzugt sind die Wellenberge und die Wellentäler wenigstens zweier benachbarter Strömungselemente genau gegensätzlich angeordnet sind. In anderen Worten kann sich dann, wenn sich in einem Strömungselement ein Wellental befindet, in einem benachbarten Strömungselement auf gleicher Höhe ein Wellenberg befinden. Dabei liegen die Mittelpunkte der Anlageflächen des Wellenbergs und des Wellentals (senkrecht auf die Anlagefläche gesehen) auf einer gedachten Linie, die senkrecht zu einer Längsrichtung der benachbarten Strömungselemente verläuft. In dieser Ausgestaltung können die entstehenden Kanäle besonders groß dimensioniert sein, wodurch der Druckverlust und damit die parasitäre Leistung z.B. eines Luftverdichters verringert werden und damit der Brennstoffzellensystemwirkungsgrad verbessert wird.
Insbesondere in dieser Ausgestaltung aber in keiner Weise beschränkt hierauf kann es ferner bevorzugt sein, dass die Wellenformen wenigstens zweier Strömungselemente sich entsprechend ausgebildet sind. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass die Strömungselemente die gleiche Wellenstruktur aufweisen, also etwa mit gleichen Radien und gleichen Anlageflächen, wobei die Wellenformen lediglich in Hauptströmungsrichtung relativ zueinander verschoben sind. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit ermöglicht werden, da mit einer Vielzahl von entsprechend ausgeformten Strömungselementen gearbeitet werden kann. Darüber hinaus kann eine besonders homogene Gasverteilung ermöglicht werden, was Vorteile bezüglich des Arbeitens der Brennstoffzelle ermöglichen kann.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente mit zueinander unterschiedlichen Wellenformen ausgebildet sind. In dieser Ausgestaltung kann auf die Gasverteilung gezielt Einfluss genommen werden, was anwendungsbedingt ebenfalls Vorteile mit sich bringen kann. Beispielsweise kann eine erste Wellenform zur jeweils zweiten, oder auch dritten, vierten oder fünften usw. Wellenform in Bezug auf die Ausführung der Wellenform verschieden sein. Dabei kann ein Unterschied etwa in Bezug auf wenigstens eines der folgenden Merkmale vorhanden sein: Länge einer Anlagefläche der Wellentäler in Hauptströmungsrichtung, Länge einer Anlagefläche der Wellenberge in Hauptströmungsrichtung, Breite eines Strömungselements, Höhe eines Strömungselements, Winkel zwischen erster Ebene E1 und Metallstreifen im Bereich zwischen den Anlageflächen eines Wellentals und eines sich anschließenden Wellenbergs (= Stegbereich), Winkel zwischen zweiter Ebene E2 und Metallstreifen im Bereich zwischen den Anlageflächen eines Wellentals und eines sich anschließenden Wellenbergs (= Stegbereich). Dabei kann nur eines der vorgenannten Merkmale verschieden sein und die weiteren Merkmale können gleich sein, oder eine beliebige Anzahl der vorbeschriebenen Merkmale kann verscheiden sein.
Ferner kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Wellenform eines Strömungselements in sich unterschiedlich ist. Beispielsweise kann ein Strömungselement oder können mehrere Strömungselemente derart ausgestaltet sein, dass die jeweils zweite Welle doppelt so lang ist, wie die erste Welle.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der vorstehend beschriebenen Bipolarplatte wird auf die Beschreibung der Brennstoffzelle, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Brennstoffzelle, aufweisend eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, die wenigstens eine Elektrode elektrisch kontaktiert, und wobei die Brennstoffzelle ausgestaltet ist, um ein Reaktionsgas in der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases durch die Bipolarplatte zu leiten.
Die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle kann beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle sein. Sie weist eine oder bevorzugt eine Vielzahl von Bipolarplatten auf, die wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sind. Die Bipolarplatten kontaktieren beispielsweise eine Elektrode und auf der entgegengesetzten Seite ein Plattenelement oder kontaktieren zwei Elektroden elektrisch und vorzugsweise thermisch.
Es kann somit vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte nur aus dem Gasverteilerelement besteht und beispielsweise beidseitig mit einer Elektrode in Kontakt steht, etwa an entsprechenden Anlageflächen. Dabei kann das Gasverteilerelement etwa Bereiche aufweisen, um eine Gaszuführung zu gewährleisten oder andere Bereiche, wobei diese zusätzlichen Bereiche jedoch einteilig mit dem als Gasverteilerelement beschriebenen Bereich ausgestaltet sind. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte an den Anlageflächen der Wellentäler und an den Anlageflächen der Wellenberge jeweils eine Elektrode elektrisch kontaktiert, oder dass die Bipolarplatte an den Anlageflächen der Wellenberge ein das Gasverteilerelement zumindest teilweise abschließendes Plattenelement kontaktiert oder aufweist und an den Anlageflächen der Wellentäler eine Elektrode elektrisch kontaktiert.
Dabei ist mindestens ein Gaseinlass vorgesehen, der die entsprechenden Reaktionsgase in der Hauptströmungsrichtung durch die jeweilige Bipolarplatte beziehungsweise durch das jeweilige Gasverteilerelement leitet.
Eine derartige Brennstoffzelle weist insbesondere die Vorteile auf, wie diese vorstehend im Detail beschrieben sind. Insbesondere kann eine kostengünstige Herstellbarkeit und/oder eine effektive und homogene Gasverteilung ermöglicht werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle wird auf die Beschreibung der Bipolarplatte, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht von schräg oben von einer Ausgestaltung eines Gasverteilerelements einer Bipolarplatte;
2 eine schematische Schnittansicht durch die Ausgestaltung aus 1 von der Seite;
3 eine schematische Draufsicht auf die Ausgestaltung aus 1;
4 eine Schnittansicht durch einen Teil einer Brennstoffzelle.
5 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte; und
6 einen Querschnitt B-B durch die Bipolarplatte gemäß 5 mit Vergrößerung der Strömungselemente im gestrichelt gekennzeichneten Bereich B; und
7 schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle im Querschnitt.

In der 1 ist eine Ansicht eines Gasverteilerelements 14 einer Bipolarplatte 10 (vergleiche 5) gemäß der Erfindung gezeigt. Die Bipolarplatte 10 dient dabei insbesondere zur Anordnung in einer Brennstoffzelle 12 (vergleiche 7, von der ein Teil in der 4 oder 6 gezeigt ist). Das Gasverteilerelement 14 weist eine Mehrzahl von Kanälen 16 zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle 12 auf.
Das Gasverteilerelement 14 weist eine Mehrzahl von entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases, welche durch den Pfeil 18 dargestellt ist, nebeneinander angeordnete Strömungselemente 20 auf. Die Strömungselemente 20 bilden in der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases eine Wellenform aus, wobei die Wellenform Wellentäler 22 und Wellenberge 24 aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass die Wellentäler 22 und Wellenberge 24 jeweils eine planare Anlagefläche 26, 28 ausbilden.
Es ist ferner gezeigt, dass die Wellentäler 22 und Wellenberge 24 zweier benachbarter Strömungselemente 20 entlang der Hauptströmungsrichtung jeweils zueinander versetzt sind. Im Detail ist in den Figuren gezeigt, dass die Wellentäler 22 und die Wellenberge 24 wenigstens zweier benachbarter Strömungselemente 20 gegensätzlich angeordnet sind, wobei die Wellenformen der Strömungselemente 20 grundsätzlich identisch beziehungsweise sich entsprechend ausgebildet sind.
Bezüglich der Wellenform umfasst diese zunächst die Anlageflächen 26, 28 und ferner ansteigende beziehungsweise abfallende Stegbereiche 30, die jeweils gerade ausgestaltet sein können und mit den Anlageflächen 26, 28 durch abgerundete Verbindungsbereiche 34 verbunden sein können. Eine derartige Ausgestaltung kann für die Verteilung der Reaktionsgase von Vorteil sein, jedoch sind die Strömungselemente 20 beziehungsweise deren Wellenformen nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt.
In der 4 ist ferner ein Teil einer Brennstoffzelle 12 (vergleiche 7) mit einer Bipolarplatte 10 (vergleiche 5) gezeigt. Dabei ist gezeigt, dass an den Wellenbergen 24 ein das Gasverteilerelement 14 zumindest teilweise abschließendes Plattenelement 38 vorgesehen ist und dass die Wellentäler 22 eine Elektrode 40 kontaktieren, wobei die Elektrode eine Gasdiffusionsschicht 42 und eine Katalysatorschicht 44 aufweist, wie dies grundsätzlich bekannt ist.
Bezüglich der Verteilung des Reaktionsgases durch die Bipolarplatte 10 beziehungsweise das Gasverteilerelement 14 kann dies wie folgt beschrieben werden. Wie insbesondere in den 2 bis 4 gezeigt, wird ein Teil der Gasströmung, die durch die Pfeile 18 dargestellt wird, in dem Strömungselement 20 mit sich wiederholender Wellenform zunächst durch die nach unten zeigende Wellenform etwa in Richtung Gasdiffusionsschicht 42 und somit Richtung Katalysatorschicht 44 gelenkt. Aufgrund der Druckverhältnisse wird der andere Teil der Strömung rechts bzw. links an dem Strömungselement 20 vorbeigelenkt und zur nach unten zeigenden Wellenform dieses nächsten Strömungselements 20 geführt. Von da an wiederholt sich der Strömungsweg. Daraus resultiert eine Hauptströmungsrichtung, welche parallel zu der Ausrichtung der Strömungselemente 20 verläuft und beispielsweise der Richtung entsprechen kann, in welcher das Reaktionsgas in das Gasverteilerelement 14 geleitet wird, wie dies etwa in den 2 bis 4 zu erkennen ist. In anderen Worten wird das Gas nicht parallel zu den Kanälen 16 in das Gasverteilerelement 14 geleitet, sondern in Abkehr zu den Lösungen aus dem Stand der Technik im Wesentlichen rechtwinklig hierzu.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 10 mit einem Gasverteilerelement 14, das eine Vielzahl von Strömungselementen 20 aufweist. Im Randbereich der Bipolarplatte 10 sind Gaseinlässe 11a vorhanden, durch die ein Reaktionsgas strömt und in Richtung des Pfeils 18, der die Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases anzeigt, über das Gasverteilerfeld 14 entlang der Strömungselemente 20 in Form von einstückig miteinander verbundenen Metallstreifen mit Wellenprofil geführt wird. Den Gaseinlässen 11a gegenüber sind Gasauslässe 11b angeordnet, durch die etwaige Reste des Reaktionsgases und Reaktionsprodukte, dargestellt durch den Pfeil 18', abgeführt werden.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt B-B durch eine Bipolarplatte 10 gemäß 5 mit Vergrößerung der Strömungselemente 20 im gestrichelt gekennzeichneten Bereich B gemäß 5. Zusätzlich ist ein in 5 nicht dargestelltes Plattenelement 38 vorhanden, das an den Anlageflächen 26 der Wellentäler 22 aller Strömungselemente 20 anliegt. Weiterhin ist eine Gasdiffusionsschicht 42 vorhanden, die an den Anlageflächen 28 der Wellenberge 24 aller Strömungselemente 20 anliegt, eine Katalysatorschicht 44, die sich an die Gasdiffusionsschicht 42 anschließt, sowie eine Polymerelektrolytmembrane 46, die sich an die Katalysatorschicht 44 anschließt.
7 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle 12 im Querschnitt, umfassend zwei Bipolarplatten 10, 10', eine Polymerelektrolytmembrane 46, zwei Elektroden 40, 40' umfassend jeweils eine Gasdiffusionsschicht 42, 42' und jeweils eine Katalysatorschicht 44, 44'. Die Abdichtung der Kathodenseite der Polymerelektrolytmembrane 46 von deren Anodenseite erfolgt über ein Dichtelement 51, das das in Hauptströmungsrichtung kathodenseitig zugeführte Reaktionsgas 52 vom anodenseitige in Hauptströmungsrichtung zugeführten Reaktionsgas 54 trennt. Die Bipolarplatten 10, 10'sind hier mit den Wellenbergen 24 jeweils in Richtung der Gasdiffusionsschicht 42, 42' angeordnet.
Bezugszeichenliste

10, 10': Bipolarplatte
11a: Gaseinlass
11b: Gasauslass
12: Brennstoffzelle
14: Gasverteilerelement
16: Kanal
18: Pfeil
20: Strömungselement
22: Wellental
24: Wellenberg
26: Anlagefläche
28: Anlagefläche
30: Stegbereich
34: Verbindungsbereich
38: Plattenelement
40, 40': Elektrode
42, 42': Gasdiffusionsschicht
44, 44': Katalysatorschicht
46: Polymerelektrolytmembrane
51: Dichtelement
52: kathodenseitiges Reaktionsgas
54: anodenseitiges Reaktionsgas
E1: erste Ebene
E2: zweite Ebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007009905 A1 [0004]
US 9306228 B2 [0005]
DE 112009001377 T5 [0006]
DE 112009004658 B4 [0007]
DE 102015207397 A1 [0008]
DE 102014223735 A1 [0009]
DE 102014224025 A1 [0010]
DE 102012209851 A1 [0011]

Claims

Bipolarplatte (10, 10') zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (12), umfassend ein Gasverteilerelement (14), welches eine Mehrzahl von Kanälen (16) zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle (12) aufweist, wobei das Gasverteilerelement (14) eine Mehrzahl von in einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases nebeneinander angeordneten Strömungselementen (20) aufweist, wobei jedes Strömungselement (20) entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases einen eine Wellenform ausbildenden Metallstreifen mit jeweils Wellentälern (22) und Wellenbergen (24) aufweist derart, dass die Wellentäler (22) und Wellenberge (24) zweier benachbarter Strömungselemente (20) jeweils in der Hauptströmungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Wellentäler (22) aller Strömungselemente (20) in einer ersten Ebene (E1) liegen und weiterhin die Wellenberge (24) aller Strömungselemente (20) in einer zweiten Ebene (E2) liegen, und wobei die Wellentäler (22) und die Wellenberge (24) jeweils eine planare Anlagefläche (26, 28) für einen Kontakt mit einem Gegenelement ausbilden.
Bipolarplatte (10, 10') nach Anspruch 1, wobei in wenigstens einem Strömungselement (20) die Summe einer Länge aller Anlageflächen (26, 28) der Wellenberge (24) und Wellentäler (22) in der Hauptströmungsrichtung größer ist, als die Summe der Längen der Bereiche zwischen den Anlageflächen (26, 28) in der Hauptströmungsrichtung.
Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente (20) mechanisch miteinander verbunden sind.
Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei benachbarte Strömungselemente (20) einstückig ausgebildet und dort miteinander verbunden sind, wo Wellentäler (22) benachbarter Strömungselemente (20) aneinander angrenzen.
Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an den Wellenbergen (24) oder den Wellentälern (22) ein das Gasverteilerelement (14) zumindest teilweise abschließendes Plattenelement (38, 38') vorgesehen ist.
Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein jeder Metallstreifen in der Hauptströmungsrichtung in einer durchgehend gleichen Breite unterbrechungsfrei ausgebildet ist.
Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wellenformen wenigstens zweier Strömungselemente (20) sich entsprechend ausgebildet sind.
Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente (20) mit zueinander unterschiedlichen Wellenformen ausgebildet sind.
Brennstoffzelle (12), aufweisend eine Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die wenigstens eine Elektrode (40, 40') elektrisch kontaktiert, wobei die Brennstoffzelle (12) ausgestaltet ist, um ein Reaktionsgas in der Hauptströmungsrichtung des Gases durch die Bipolarplatte (10, 10') zu leiten.
Brennstoffzelle (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10, 10') an den Anlageflächen (26) der Wellentäler (22) und an den Anlageflächen (28) der Wellenberge (24) jeweils eine Elektrode (40) elektrisch kontaktiert, oder dass die Bipolarplatte (10, 10') an den Anlageflächen (28) der Wellenberge (24) ein das Gasverteilerelement (14) zumindest teilweise abschließendes Plattenelement (38, 38') kontaktiert oder aufweist und an den Anlageflächen (26) der Wellentäler (22) eine Elektrode (40, 40') elektrisch kontaktiert.