DE102021005570A1

DE102021005570A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102021005570A1
Application number: DE102021005570.5A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schleicher; Rudolf Fink
Original assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Es wird eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle beschrieben, die einen ebenflächigen Zentralkörper (12) aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen (14) Membrane-Anlageorgane (18) aufweist, die von der jeweiligen Hauptfläche (14) senkrecht wegstehen und voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane (18) der einen Hauptfläche (14) und die Membrane-Anlageorgane (18) der anderen Hauptfläche (14) sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten (10) zwischen den Membrane-Anlageorganen (18) der einen Hauptfläche (14) und den Membrane-Anlageorganen (18) der anderen Hauptfläche (14) ein mäanderförmiger Spaltraum (20) für eine Brennstoffzellen-Membrane (22) definiert ist, und wobei der Zentralkörper (12) der Bipolarplatte (10) an der jeweiligen Hauptfläche (14) mit einer Gaseinlass-Vertiefung (24) ausgebildet ist, die mit den an der jeweiligen Hauptfläche (14) vorgesehenen Membrane-Anlageorganen (18) fluidisch verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
Derartige Bipolarplatten sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bekannt.
Bspw. beschreibt die DE 11 2006 000 345 B4 eine Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeld- d.h. Bipolarplatte, die eine Vielzahl von Reaktanten-Anströmungskanälen aufweist. Die Bipolarplatte weist eine Beschichtung auf, welche die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend macht. Die Beschichtung ist eine ursprünglich zwei Metalle umfassende Metallbeschichtung, die Nanoporen aufweist, die durch die Entfernung eines der Metalle aus der Beschichtung entstehen. Das Material dieser Bipolarplatte kann aus rostfreiem Stahl, Titan oder Aluminium bestehen oder ein Polymer-Graphit-Composit basiertes Material sein.
Die DE 10 2018 220 825 A1 offenbart eine Einzelzelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einzelzelle einen Einsatz aus einer Membrane-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Gas-Diffusionsschicht (GDL) aufweist. Die Einzelzelle weist außerdem einen geschäumten Körper auf, der an einer Außenseite des Einsatzes angeordnet ist.
Die DE 10 2019 209 766 A1 beschreibt eine Bipolarplatte zur Verteilung eines Reaktanten auf eine Membrane der Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte weist zu diesem Zwecke mindestens einen Kanal zur Erzeugung eines Flussfeldes auf und ist elektrisch leitfähig. Sie kann aus einem Compositwerkstoff bestehen, der wenigstens ein hygroskopisches und wenigstens ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Aus der DE 10 2020 204 292 A1 ist eine Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenstapel (Stack) zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie bekannt.
Die DE 10 2020 118 597 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Einheitszellen, die in einem Stapel (Stack) angeordnet sind. Jede Einheitszelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf.
Bei den bekannten Bipolarplatten sind sowohl diese als auch die Membranen ebenflächig ausgebildet. Die Membranen mit den Katalysator- und Diffusionsschichten sind zwischen den ebenflächigen Bipolarplatten angeordnet, so dass die Grundfläche der Brennstoffzelleneinheiten entsprechend groß sein muss, um eine gewünschte Stromdichte (A/cm²) und folglich eine gewünschte elektrische Leistung zu generieren. Daraus resultieren große Gesamtabmessungen eines Stapels aus den Bennstoffzelleneinheiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zu schaffen, mit der eine Brennstoffzelleneinheit mit vergleichsweise kleiner Grundfläche und folglich ein Brennstoffzellen-Stapel mit vergleichsweise kleinem Gesamtvolumen realisierbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1, d.h. dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte einen ebenflächigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen Membrane-Anlageorgane aufweist, die von der jeweiligen Hauptfläche senkrecht wegstehen und die voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane der einen Hauptfläche und die Membrane-Anlageorgane der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten zwischen den Membrane-Anlageorganen der einen Hauptfläche und den Membrane-Anlageorganen der anderen Hauptfläche ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist, und dass der Zentralkörper der Bipolarplatte an der jeweiligen Hauptfläche mit Gaseinlass-Vertiefungen ausgebildet ist, die mit den an der jeweiligen Hauptfläche vorgesehenen Membrane-Anlageorganen fluidisch verbunden sind.
Dadurch, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten zwischen den Membrane-Anlageorganen der einen Hauptfläche und den Membrane-Anlageorganen der anderen Hauptfläche der benachbarten Bipolarplatte ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane gegeben ist, ergibt sich der Vorteil, dass zwischen den benachbarten Bipolarplatten eine vergleichsweise großflächige Membrane anordenbar ist. Nachdem bekanntermaßen der generierbare elektrische Strom (1A≈1cm²) und damit die elektrische Leistung zur Membrane-Fläche proportional ist, ist es erfindungsgemäß möglich, entweder die Flächenabmessungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatten bei einer vorgegebenen elektrischen Leistung zu reduzieren, oder bei vorgegebenen Flächenabmessungen der Bipolarplatten eine größere elektrische Leistung zu erzielen. Für einen Brennstoffzellenstapel (Stack) bedeutet das, dass mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten bei einer vorgegebenen Grundfläche der Brennstoffzellenstapel die Höhenabmessung die Gesamthöhe des Stapels kleiner sein kann, oder dass bei einer vorgegebenen Höhenabmessung des Brennstoffzellenstapels seine Grundfläche kleiner sein kann als bei Stacks mit bekannten Bipolarplatten. Dem Zwecke einer großen elektrischen Stromausbeute ist es hierbei in vorteilhafter Weise förderlich, wenn der Zentralkörper der erfindungsgemäßen Bipolarplatte an der jeweiligen Hauptfläche mit Gaseinlass-Vertiefungen ausgebildet ist, die mit den zugehörigen Membrane-Anlageorganen fluidisch verbunden sind. Die Gaseinlass-Vertiefungen sind erfindungsgemäß im Vergleich zu bekannten, geätzten oder gestanzten Gaseinlässen bekannter Bipolarplatten mit kleinen lichten Querschnitten großvolumig, so dass eine entsprechend große Quantität der Reaktanten wie bspw. von Wasserstoff und Luftsauerstoff der entsprechenden Bipolarplatte zugeführt werden kann. Daraus resultiert, dass mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten ein vergleichsweise großer elektrischer Strom erzeugbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte können die Membrane-Anlageorgane als Längsrippen ausgebildet sein, die durch Längstäler voneinander beabstandet sind. Die Längsrippen und Längstäler wechseln sich vorzugsweise mäanderförmig, wellenartig ab, so dass zwischen benachbarten Bipolarplatten eine Membrane problemlos anordenbar ist, ohne dass Beschädigungen derselben zu befürchten sind.
Die Membrane besteht üblicherweise aus einem flexiblen Material mit einer Wanddicke von bspw. 10nm. Sie kann an ihren beiden Hauptflächen jeweils mit einem Katalysator beschichtet sein. Desgleichen ist es möglich, dass die Membrane an ihren beiden voneinander abgewandten Hauptflächen jeweils einen Katalysator und eine Gasdiffusionsschicht aufweist. Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Membrane siebenschichtig ausgebildet ist, d.h. an ihren beiden Hauptflächen jeweils einen Katalysator, eine Gasdiffusionsschicht und eine Dichtung aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte können die Membrane-Anlageorgane aus einem dünnwandigen Blechmaterial bestehen und mit Perforationslöchern, Schlitzen o.dgl. ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Membrane-Anlageorgane der erfindungsgemäßen Bipolarplatte formstabil aus einem Gitter- oder Netzmaterial bestehen. Die Membrane-Anlageorgane können erfindungsgemäß auch formstabil aus einem Gespinst- oder Gewirkmaterial bestehen. Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, dass bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Membrane-Anlageorgane formstabil aus einem offenporigen Sintermaterial bestehen.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann bevorzugt auch derartig ausgebildet sein, dass die jeweilige Längsrippe von Zungenelementen gebildet sind, die voneinander beabstandet sind. Für eine derartige Ausbildung der Bipolarplatte wird ein selbständiger Patentschutz beantragt. Dabei kann die Bipolarplatte aus einem Graphit-Compositmaterial bestehen.
Um die Gaseinlass-Vertiefungen an den beiden Hauptflächen des Zentralkörpers der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach außen hin abzudichten, ist es zweckmäßig, wenn entlang des Randes jeder der beiden Hauptflächen der Bipolarplatte materialeinstückig ein Dichtungskragen wegsteht. Um benachbarte Bipolarplatten sicher und zuverlässig zusammenbauen zu können, kann es zweckmäßig sein, wenn die von den beiden Hauptflächen der jeweiligen Bipolarplatte wegstehenden Dichtungskragen unterschiedliche Höhenabmessungen aufweisen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch abschnittweise dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
Es zeigen:

1 abschnittweise einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Bipolarplatte,
2 abschnittweise einen Längsschnitt durch zwei zusammengebaute Bipolarplatten gemäß 1 mit einer zwischen diesen angeordneten Membrane,
3 abschnittweise einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Bipolarplatte,
4 einen Schnitt durch die Bipolarplatte entlang der Schnittlinie IV-IV in 3, und
5 einen Schnitt durch die Bipolarplatte entlang der Schnittlinie V-V in 3.

1 zeigt eine Bipolarplatte 10 aus elektrisch leitendem Material für eine Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte 10 weist einen Zentralkörper 12 auf, der an seinen beiden voneinander abgewandten Hauptflächen 14 jeweils mit voneinander durch Längstäler 16 beabstandeten Membrane-Anlageorganen 18 ausgebildet ist, die gasdurchlässig sind. Die Membrane-Anlageorgane 18 können dünnwandig aus einem Gitter- oder Netzmaterial bestehen, das mit dem Zentralkörper 12 eine Einheit bilden. Die Membrane-Anlageorgane 18 können bspw. auch dünnwandig blechförmig mit Perforationslöchern, Schlitzen o.dgl. ausgebildet sein. Die Gasdurchlässigkeit ist durch die strichlierten Linien verdeutlicht.
Wie aus 1 ersichtlich ist, liegen sich die an der einen Hauptfläche 14 vorgesehenen Membrane-Anlageorgane 18 und die an der gegenüberliegenden Hauptfläche 14 vorgesehenen Längstäler 16 gegenüber. Das Querschnittprofil der Membrane-Anlageorgane 18 ist an das Querschnittprofil der Längstäler 16 indestens annähern derartig angepasst, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten 10 - wie er in 2 verdeutlicht ist - zwischen den Membrane-Anlageorganen 18 der einen Bipolarplatte 10 und den Längstälern 16 der benachbarten anderen Bipolarplatte 10 ein mäanderförmiger, wellenartiger Spaltraum 20 für eine Membrane 22 der Brennstoffzelle vorhanden ist.
Jede der beiden Hauptflächen 14 ist mit einer den gasdurchlässigen oder gasführenden Membrane-Anlageorganen 18 zugeordneten Gaseinlass-Vertiefung 24 ausgebildet. Die jeweilige Gaseinlass-Vertiefung 24 ist mit einem zugehörigen Gaseinlass 26 für einen Reaktanten fluidisch verbunden. Durch den Gaseinlass 26 der einen Bipolarplatte 10 wird bspw. Wasserstoff und durch den Gaseinlass 26 der benachbarten anderen Bipolarplatte 10 wird bspw. Luftsauerstoff eingeleitet, um die bekannte chemische Reaktion in der Brennstoffzelle auszulösen, so dass an den Bipolarplatten 10 eine elektrische Spannung ansteht.
Aus 2 ist außerdem ersichtlich, dass entlang des Randes der jeweiligen Bipolarplatte 10 materialeinstückig ein Dichtungskragen30 ausgebildet ist. Zweckmäßig kann es sein, wenn die Dichtungskragen 30 benachbarter Bipolarplatten 10 unterschiedliche Höhenabmessungen h1 und h2 aufweisen, um den Zusammenbau benachbarter Bipolarplatten 10 zu vereinfachen.
3 zeigt in einer der 1 ähnlichen Schnittdarstellung eine Ausführungsform der Bipolarplatte 10 mit seinem Zentralkörper 12. Der Zentralkörper 12 weist voneinander abgewandte Hauptflächen 14 auf. Von den Hauptflächen 14 des Zentralkörpers 12 stehen senkrecht Membrane-Anlageorgane 18 weg.
Wie aus den 4 und 5 ersichtlich ist, ist das jeweilige Membrane-Anlageorgan 18 von Zungenelementen 32 gebildet, die in einer Reihe voneinander beabstandet sind.
Eine Ausbildung der Bipolarplatte 10, wie sie in den 3 bis 5 dargestellt ist, kann vorzugsweise aus einem Graphit-Compositmaterial hergestellt sein.
Gleiche Einzelheiten sind in allen Figuren jeweils mit den selben Bezugsziffern bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in Verbindung mit den Figuren alle Einzelheiten jeweils detailliert zu beschreiben.
Bezugszeichenliste

10: Bipolarplatte
12: Zentralkörper (von 10)
14: Hauptfläche (vom 12)
16: Längstäler (an 14)
18: Membrane-Anlageorgan (an 14)
20: mäanderförmiger Spaltraum (zwischen 18 und 16 für 22)
22: Membrane (von 10)
24: Gaseinlass-Vertiefung (von 10 für 16, 18)
26: Gaseinlass (für 24)
28: Rand (von 10)
30: Dichtungskragen (bei 28)
32: Zungenelement (von 18)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112006000345 B4 [0003]
DE 102018220825 A1 [0004]
DE 102019209766 A1 [0005]
DE 102020204292 A1 [0006]
DE 102020118597 A1 [0007]

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) einen ebenflächigen Zentralkörper (12) aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen (14) Membrane-Anlageorgane (18) aufweist, die von der jeweiligen Hauptfläche (14) senkrecht wegstehen und voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane (18) der einen Hauptfläche (14) und die Membrane-Anlageorgane (18) der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche (14) sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier Bipolarplatten (10) zwischen den Membrane-Anlageorganen (18) der einen Hauptfläche (14) und den Membrane-Anlageorganen (18) der anderen Hauptfläche (14) ein mäanderförmiger Spaltraum (20) für eine Brennstoffzellen-Membrane (22) definiert ist, und dass der Zentralkörper (12) der Bipolarplatte (10) an der jeweiligen Hauptfläche (14) mit einer Gaseinlass-Vertiefung (24) ausgebildet ist, die mit den an der jeweiligen Hauptfläche (14) vorgesehenen Membrane-Anlageorganen (18) fluidisch verbunden sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane-Anlageorgane (18) als Längsrippen ausgebildet sind, die durch Längstäler (16) voneinander beabstandet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen und die Längstäler sich mäanderförmig, wellenartig abwechseln.
Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane-Anlageorgane (18) aus einem dünnwandigen Blechmaterial bestehen und mit Perforationslöchern ausgebildet sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane-Anlageorgane (18) formstabil aus einem Gitter- oder Netzmaterial bestehen.
Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane-Anlageorgane (18) formstabil aus einem Gespinst- oder Gewirkmaterial bestehen.
Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane-Anlageorgane (18) formstabil aus einem offenporigen Sintermaterial bestehen.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Membrane-Anlageorgan (18) von Zungenelementen (32) gebildet ist, die in einer Reihe voneinander beabstandet sind.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) aus einem Graphit-Compositmaterial besteht.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Randes (28) jeder der beiden Hauptflächen (14) der Bipolarplatte (10) materialeinstückig ein Dichtungskragen (30) wegsteht.
Bipolarplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von den beiden Hauptflächen (14) der Bipolarplatte (10) wegstehenden Dichtungskragen (30) unterschiedliche Höhenabmessungen (h1, h2) aufweisen.