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WO2015144269A1 - Bipolarplatte sowie brennstoffzelle mit einer solchen - Google Patents

Bipolarplatte sowie brennstoffzelle mit einer solchen Download PDF

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Publication number
WO2015144269A1
WO2015144269A1 PCT/EP2014/078536 EP2014078536W WO2015144269A1 WO 2015144269 A1 WO2015144269 A1 WO 2015144269A1 EP 2014078536 W EP2014078536 W EP 2014078536W WO 2015144269 A1 WO2015144269 A1 WO 2015144269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plates
bipolar plate
coolant
channel volume
channels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/078536
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Emerson Gallagher
Hannes Scholz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of WO2015144269A1 publication Critical patent/WO2015144269A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, wherein the bipolar plate comprises a pair of profiled plates and each plate has a coolant side and a cell side and the two plates are arranged and connected such that channels for transporting coolant are formed between the facing coolant sides and a fuel cell with such a.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case a membrane disposed on both sides of the electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers are added together.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the fuel is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • the electrolyte or the membrane which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment.
  • the electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
  • Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, resulting in a reduction from 0 2 to O 2 " with the electrons being taken in.
  • these oxygen anions react with the protons transported through the membrane to form water From chemical to electrical energy, fuel cells achieve improved efficiency over other generators of electricity due to the Carnot factor bypass.
  • the fuel cell is formed by a plurality of individual cells arranged in the stack, so that it is also referred to as a fuel cell stack.
  • bipolar plates are arranged, which supply the individual cells with the operating media, so ensure the reactants and a coolant.
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode units.
  • Bipolar plates are usually composed of a pair of profiled plates, each having a coolant side and a cell side and the two plates are arranged and connected to each other such that form between the facing coolant sides channels for the transport of coolant.
  • the plates have in their active region a grouping of grooves or channels which form open flow fields on their cell sides for distributing the reactants across the surfaces of the respective anodes and cathodes. Coolant channels are formed between the plates within the bipolar plate and distribute coolant over the fuel cell stack for cooling thereof.
  • the invention is based on the object to provide a bipolar plate for producing a fuel cell, in which the thermal mass of the coolant can be influenced or at least reduced and which in particular shows improved behavior in cold and frost starts.
  • a bipolar plate for a fuel cell which comprises a pair of profiled plates, each plate has a coolant side and a cell side, and the two plates are arranged and connected such that between the facing coolant sides channels for transporting Coolant can be formed.
  • at least one of the plates has on its coolant side a material for reducing the channel volume of the channels.
  • An inventively constructed bipolar plate is characterized in that the cross section of the coolant channels is reduced compared to conventional bipolar plates.
  • conventional bipolar plates there is a slight cooling, relative to the reactant gases. medium volume flow, also in comparison to the reactant gases, large volume available.
  • This mismatch leads in conventional bipolar plates to significant disadvantages in frost start behavior, system dynamics and coolant uniform distribution.
  • the reduction of the coolant channel cross sections compensates for these disadvantages. In particular, it leads to an increase in the frost stability of the bipolar plates and the fuel cell constructed from such as well as to a reduction in the minimum possible temperature for the startup of a fuel cell.
  • the inventively introduced into the channels of the bipolar plate material leads by displacement of coolant to a reduction of the coolant volume.
  • an additional degree of freedom of design is obtained, since the cross section of the coolant channels is no longer due to the design of the outer flow fields, but rather can be designed specifically targeted.
  • a pressure loss of the coolant during the design of the bipolar plate can be influenced by the material arrangement.
  • a bipolar plate is basically composed of two plates, which are usually connected to each other inseparably. This compound can be made for example by gluing, welding and / or by pressing.
  • the plates have a profiling structure which forms coolant channels on the mutually facing sides and forms open channels on the opposite sides of the cell sides, which form a flow field for the reaction media or else reactant gases.
  • the bipolar plate forms a separator between two active cells.
  • one of the plates of a bipolar plate is adjacent to a cathode space, and is therefore also referred to as a cathode plate, while the plate connected to this cathode plate is adjacent to an anode space, and thus is referred to as an anode plate.
  • the plates can also be connected to each other via profile-related webs, which at the same time separate the channels between the plates.
  • a material for reducing a channel volume is introduced on the coolant side of the plates, ie ultimately between the plates.
  • Channel volume is significantly caused by displacement of the coolant through the material.
  • the material communicates with at least one of the plates.
  • the material is therefore preferably arranged on the cathode plate and / or the anode plate.
  • the material which reduces the channel volume has a thermal conductivity ⁇ of at least 1 W / mK.
  • the decisive total thermal resistance of an individual cell is measured over the entire cell height, ie over the distance between the catalyst layer (at which the heat to be dissipated arises) and the coolant in the coolant channels.
  • the total thermal resistance is thus made up of the individual thermal conductivities (or thermal resistances) of the
  • the displacement material is now preferably chosen so that its thermal conductivity is significantly greater than that of the gas diffusion layer (or its thermal resistance is significantly lower than that of the GDL). Thus, the total thermal resistance almost does not change. This has the advantage that no volume, weight or performance penalty arise.
  • the thermal conductivity of common gas diffusion layers is in the range of 0.1 W / mK. It has now been shown that the introduction of channel volume decreasing
  • Material in the region between the plates of a bipolar plate is particularly advantageous if the material has a thermal conductivity lambda ⁇ of at least an order of magnitude greater than that of the gas diffusion layer used, that is preferably 1 W / mK.
  • the channel volume reducing material comprises carbon black, graphite composite, silicon carbide, aluminum nitrite, metal foam and / or a thermally conductive polymer.
  • a graphite composite is particularly preferred.
  • graphite composite means any mixture of carbon and a binder which has a high thermal conductivity
  • graphite composites are included which are also used in the production of conventional electrodes and are therefore accessible to the person skilled in the art.
  • reducing material is in the form of a coating.
  • the advantage of this embodiment is that coatings are easy and especially evenly applied to structured surfaces.
  • the coating can in principle be carried out by means of all known coating methods.
  • the coating by injection molding, by chemical methods, but also by spraying, printing, knife coating, rolling, brushing, brushing or sputtering is preferred.
  • the selection of the method depends in particular on the selected material. If, for example, a thermally conductive polymer is used as the coating, then it is preferably applied in the liquid state by spraying, printing, by means of injection molding or the like.
  • the coating has a thickness which preferably corresponds to at least 10% of a channel diameter.
  • the coating is arranged over a large area on at least one of the plates, it comes all over the surface to a contact between the coating and the plate, so that the coolant in the region of the coating preferably has no direct contact with the plate.
  • the coating can be applied before and / or after assembling and connecting the plates to the bipolar plate.
  • the coating has a material thickness which is not homogeneous over the channel surface.
  • the material has a sealing and / or adhesive function.
  • This embodiment has the advantage that an additional welding to connect the plates can be omitted. This may additionally have a positive influence on a temperature profile of the plate and on the cold or frost start behavior of the bipolar plate or fuel cell, since the thermal mass of the bipolar plate is reduced. Furthermore, a working step can be saved by this embodiment and thus the productivity can be increased.
  • welding is one
  • materials are preferred for coating, which can be applied in liquid or molten or highly viscous form.
  • the liquid is applied to the coolant side of at least one of the plates.
  • the adhesive and / or sealing function is then achieved during assembly, in particular compression, of the panels in the areas in which the still liquid or cured coating makes contact with the opposite panel. Is the
  • the coating For the sealing and / or connecting effect of the coating, it may be irrelevant whether the coating also exists on the webs after the pressing, or of these is pushed out and was displaced in an area near the jetties within the canals.
  • reducing material comprises a porous material, preferably a porous material having an open pore structure, which partially or completely lines the channels.
  • the advantage of this embodiment is, in particular, that the material which reduces the channel volume can also be introduced or applied subsequently into the channels after assembly of the plates. However, it is also preferred that the porous material is applied to at least one of the plates before assembling the plates.
  • the porous material is a substance which, in solid form, has a large number of pores, which are designed to enable a transport of coolant, in particular of water. These may be micro-, meso- and
  • Macropores act, with the dominance of one of the pores is just as preferred as a uniform occurrence of all three types of pores.
  • the porous material may be applied in liquid form as a coating on at least one of the plates, the porous structure of the material being set upon curing.
  • An example here are metal foams.
  • the material can be introduced into the channels in granular form, the granules preferably having small diameters, so that cavities formed between the granules are preferably at most two orders of magnitude larger than an average pore diameter of the porous material.
  • the channel volume reducing material extends only partially over the coolant side.
  • this embodiment allows control of condensate formation during operation of a fuel cell.
  • regions of the coolant side of at least one of the plates are defined, which in turn both
  • Coolant side at least one of the plates either webs or channel bottoms are coated. Particularly preferred is the uniform coating of a
  • Heat exchange between coolant and electrode area influenced by the arrangement of the channel volume reducing material is influenced by the arrangement of the channel volume reducing material.
  • an electrical line between the plates of a bipolar plate is crucial for the operation in a fuel cell. Both the thermal and the electric line are achieved in particular via the resulting in the region of the webs, preferably direct connection between the plates.
  • the channel volume extends
  • the channel volume reducing material is a porous material.
  • the absence of channel volume reducing material in the region of the webs can be achieved in different ways. For example, in a first step, a coating over the entire surface, so also in the region of the webs, take place. In a second step, the coating in the region of the webs can then be removed again. This removal can be done for example by removal, such as by doctoring, the coating in the region of the webs. Alternatively, the coating can be removed from the areas of the lands by placing the tiles together after application of the coating be pressed. Depending on the viscosity of the coating and of the
  • the plates comprise a metallic material.
  • plates for bipolar plates are made of either metallic materials or graphitic carbon.
  • Metallic materials are characterized by the fact that they are
  • bipolar plates made of metallic materials are recyclable.
  • the term metallic material is used for alloys, for pure metals as well as for intermetallic phases. It therefore applies to all materials which have the following characteristic metallic substance properties in solid or liquid form: high electrical conductivity, which decreases with increasing temperature; high thermal conductivity and especially high ductility. These properties are based on the fact that the cohesion of the atoms in question takes place with the metallic bond, the most important feature of which are the freely moving electrons in the lattice.
  • the invention further relates to a fuel cell having at least one bipolar plate in one of the embodiments described above.
  • a fuel cell according to the invention is distinguished, in particular, by an improved cold and frost start behavior compared to conventional fuel cells.
  • a minimum temperature for the startup of the fuel cell compared to conventional fuel cells is significantly reduced.
  • cost-effective metallic materials can be used for the bipolar plates of the fuel cell without being disadvantageous in terms of performance parameters or service life. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a section of a bipolar plate according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a section of a bipolar plate according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a section of a bipolar plate according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a section of a bipolar plate according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a section of a bipolar plate according to a fourth embodiment of the invention
  • Figure 7 is a schematic cross-sectional drawing of a section of a bipolar plate according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 8 is a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of such a fuel cell stack according to the prior art.
  • the fuel cell stack 100 comprises a first end plate 1 1 1 and a second end plate 1 12. Between the end plates 1 1 1, 1 12 a plurality of stacked stack elements is arranged, which bipolar plates 1 13 and membrane Electrode units 1 14 include.
  • the bipolar plates 1 13 are alternately stacked with the membrane electrode units 1 14.
  • the membrane-electrode assemblies 14 each comprise a membrane and electrodes adjoining the membrane on both sides, namely an anode and a cathode (not shown). Adjacent to the membrane, the membrane electrode units 1 14 can also have gas diffusion layers (also not shown). Between the bipolar plates 1 13 and membrane electrode assemblies 1 14 are respectively
  • Seal elements 1 15 arranged, which seal the anode and cathode chambers gas-tight to the outside. Between the end plates 1 1 1 and 1 12 of the fuel cell stack 100 by means of tension elements 1 16, z. B. tie rods or clamping plates, pressed.
  • FIG. 1 only the narrow sides of the bipolar plates 13 and the membrane electrode units 14 are visible.
  • the main sides of the bipolar plates 1 13 and the membrane electrode assemblies 1 14 abut each other.
  • the representation in FIG. 1 is partly not dimensionally true.
  • a thickness of a single cell, consisting of a bipolar plate 1 13 and a membrane electrode assembly 1 14, a few mm, the membrane electrode assembly 1 14 is the much thinner component.
  • FIG. 2 shows a section of a conventional bipolar plate 1 13 in a schematic cross-sectional view in the active area.
  • the fuel cell 100 comprises two profiled plates 1 1, which each have a coolant side 1 1 a and a cell side 1 1 b.
  • the plates have shown in the embodiment of a wave profile and are preferably made of a metallic material.
  • the plates 1 1 are composed such that the coolant sides 1 1 a of the two plates 1 1 facing each other.
  • the plates form 1 1 channels 12, which are separated by webs 16 from each other.
  • the channels 12 are designed to be in operation as a fuel cell coolant 13th
  • an anode space or a cathode space is formed on the cell side.
  • the plate 1 1 is referred to as an anode or cathode plate.
  • the channel cross section of Coolant channels 12 and thus the amount of guided coolant 13 in the illustrated conventional bipolar plate 1 13 significantly by the structure of the cells on the sides 1 1 b formed open channels (anode or cathode channels) conditionally.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of a bipolar plate 10 according to the invention, wherein the same reference numerals are used for matching elements.
  • the main difference consists in a channel volume reducing material 14, which is arranged in the channel bottoms of the coolant side 1 1 a one of the plates 1 1.
  • the channel volume reducing material 14 is arranged exclusively in the channel bottoms of the channels.
  • the channel volume reducing material 14 can be arranged both on the coolant side 1 1 a of the cathode and the anode plate 1 1.
  • the channel volume reducing material 14 shown in Figure 3 is a non-porous, coated material which occupies a portion of preferably at least 10% of the channel volume.
  • the channel volume reducing material 14 reduces, depending on the thickness in which it is applied to the coolant side 1 1 a, the cross section of the channel 12 and thus the transported coolant volume. Depending on the thermal conductivity of the channel volume reducing material 14, the choice of plate to which the channel volume reducing material 14 is selectively applied affects the flow pattern and hence the cooling behavior on the plates.
  • the channel volume reducing material 14, as shown in Figure 4 be applied to the coolant sides 1 1 a of both plates 1 1.
  • the coatings of channel volume reducing material 14 shown in FIGS. 3 and 4 are formed by applying the material in liquid form, for example, by
  • FIG. 5 shows a bipolar plate 10 according to the invention in a further embodiment.
  • the channel volume reducing material 14 is also designed as a coating, and the coating was applied before contacting the plates 1 1, at least within the active area of the bipolar plate 10 over the entire surface on the coolant side 1 1 a of the plates.
  • It can be chosen a material which is liquid or at least viscous during application. Even before curing of the material, the plates are pressed against each other on the coolant side, so that the channel volume reducing material 14 is pushed out of the region of the webs 16.
  • the channel volume reducing material 14 unlike the embodiment shown in Figure 3, not only in the channel bottom of one of the plates, but also arranged in a region near the web of the other plate.
  • used material 14 is formed in this area between the plates 1 1 a sealing and / or adhesive connection. In the region of the webs 16, the plates 11 are in contact with each other, as in other embodiments shown.
  • the channel volume reducing material 14 is as explained in Figure 5 in a liquid or at least viscous state on the coolant side 1 1 a of the plates 1 1 applied. In contrast to Figure 5, however, the material is removed before assembly of the plates 1 1 before or after the curing of the material in the region of the webs.
  • a suitable method for removing the channel volume reducing material 14 is, for example, doctoring.
  • the material 14 may have a sealing function in the finished bipolar plate 10 in addition to the channel volume decreasing function.
  • the channel volume reducing material 14 may be present as a porous material.
  • FIG. 7 shows a possible embodiment in which the porous, channel-volume-reducing material 14 in the illustrated area lines the entire channel 12.
  • the coolant volume is defined in this embodiment by the number and size of the pores 17 of the material 14.
  • the channel volume reducing material 14 can be done for this purpose, for example by spraying a foam into the channels 12 of a composite bipolar plate.
  • porous channel volume reducing material 14 may be introduced into channels 12 in granular form.
  • Another alternative for introducing a porous, channel volume reducing material 14 into the channels 12 of a bipolar plate 10 provides the outlined in Figure 8 method.
  • the preferably porous, channel volume reducing material 14 may be applied in at least viscous form on the coolant side 1 1 a of one or both plates 1 1 of the bipolar plate 10.
  • the channels 12 are completely or partially filled with the material 14.
  • the lands between the channels are not coated with channel volume reducing material 14.
  • the plates 1 1 are placed over one another and optionally pressed.
  • the channel volume reducing material 14 may preferably be fully cured at the time of assembly of the plates 11, as thus the material 14 remains in the area defined by the application.
  • the plates 1 1 of the bipolar plate 10 are not the same.
  • the structure on the cell side 1 1 b and the coolant side 1 1 a is not symmetrical.
  • One of the plates shows
  • Coolant side a profile in which the webs 16 are wider than the channel bottoms, while the other plate 1 1 shows a reverse image.
  • the resulting due to the composition of such plates 1 1 coolant channels 12 are also not symmetrical.
  • contact between channel volume reducing material 14 and opposing plate 11 may occur if the channel volume reducing material 14 on the coolant side 11a of that plate 11 was arranged, which has the larger, especially wider channel bottoms.
  • the channel volume reducing material 14 may perform a sealing and / or bonding function, depending on the type of material, in addition to a refrigerant displacing.
  • a material having heat conductivities ⁇ of at least 1 W / mk is preferably used as the channel volume reducing material 14.
  • Such materials are in particular carbon black, graphite composite, silicon carbide, aluminum nitrite,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (10) ein Paar von profilierten Platten (11) umfasst und jede Platte (11) eine Kühlmittelseite (11a) und eine Zellseite (11b) aufweist und die beiden Platten (11) derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten (11a) Kanäle (12) zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen. Es ist vorgesehen, dass zumindest eine der Platten (11) auf ihrer Kühlmittelseite (11a) ein Material (14) zur Verringerung eines Kanalvolumens der Kanäle (12) aufweist.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
Die Erfindung betrifft Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte ein Paar von profilierten Platten umfasst und jede Platte eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweist und die beiden Platten derart angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (Stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu O2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot- Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran- Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden- Einheiten.
Bipolarplatten sind zumeist aus einem Paar profilierter Platten aufgebaut, die jeweils eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweisen und die beiden Platten derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass sich zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausbilden. Die Platten besitzen in ihrem aktiven Bereich eine Gruppierung aus Nuten oder Kanälen, die auf ihren Zellseiten offene Strömungsfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Zwischen den Platten innerhalb in der Bipolarplatte sind Kühlmittelkanäle geformt und verteilen Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel zur Kühlung desselben.
Es ist bekannt, die Kanäle im aktiven Bereich der Bipolarplatte ineinander zu verschachteln, um die Kühlmittelmenge zu reduzieren und dadurch die gesamte thermische Masse des Brennstoffzellenstapels zu minimieren. Beispielsweise sind Bipolarplatten mit verschachtelten Platten in US 6974648 B2 und US 7291414 B2 beschrieben. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch der teilweise doppelwandige Aufbau der Kanäle.
DE 1 12004001443 T5 beschreibt eine Bipolarplatte, deren Platten mittels eines leitenden Klebers miteinander verklebt sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte zur Herstellung einer Brennstoffzelle bereitzustellen, bei welcher die thermische Masse des Kühlmittels beeinflussbar oder zumindest reduziert ist und welche insbesondere ein verbessertes Verhalten bei Kalt- und Froststarts zeigt.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, welche ein Paar von profilierten Platten umfasst, wobei jede Platte eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweist, und die beiden Platten derart angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine der Platten auf ihrer Kühlmittelseite ein Material zur Verringerung des Kanalvolumens der Kanäle aufweist.
Eine erfindungsgemäß aufgebaute Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass der Querschnitt der Kühlmittelkanäle im Vergleich zu herkömmlichen Bipolarplatten reduziert ist. In herkömmlichen Bipolarplatten steht einem, relativ zu den Reaktandengasen, geringen Kühl- mittelvolumenstrom ein, ebenfalls im Vergleich zu den Reaktandengasen, großes Volumen zur Verfügung. Dieses Missverhältnis führt in herkömmlichen Bipolarplatten zu deutlichen Nachteilen bei Froststartverhalten, Systemdynamik und Kühlmittelgleichverteilung. Die Reduktion der Kühlmittelkanalquerschnitte, wie er mit erfindungsgemäßem Aufbau erzielt wird, gleicht diese Nachteile aus. Insbesondere führt er zu einer Erhöhung der Froststabilität der Bipolarplatten und der aus solchen aufgebauten Brennstoffzelle sowie zu einer Herabsetzung der minimal möglichen Temperatur für das Hochfahren einer Brennstoffzelle. Das erfindungsgemäß in die Kanäle der Bipolarplatte eingebrachte Material führt durch Verdrängung von Kühlmittel zu einer Reduktion des Kühlmittelvolumens. Somit erhält man bei der Auslegung der Bipolarplatte einen zusätzlichen Gestaltungsfreiheitsgrad, da sich der Querschnitt der Kühlmittelkanäle nicht mehr durch das Design der äußeren Strömungsfelder ergibt, sondern vielmehr unabhängig davon gezielt ausgelegt werden kann. Ferner lässt sich ein Druckverlust des Kühlmittels während der Auslegung der Bipolarplatte durch die Materialanordnung beeinflussen.
Eine Bipolarplatte setzt sich grundsätzlich aus zwei Platten zusammen, welche zumeist unlösbar miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Kleben, Schweißen und/oder durch Verpressen hergestellt sein. Die Platten weisen eine profilgebende Struktur auf, welche auf den einander zugewandten Seiten Kühlmittelkanäle ausbildet und auf den einander abgewandten Seiten der Zellseiten offene Kanäle ausbildet, welche ein Flussfeld für die Reaktionsmedien, oder auch Reaktandengase, bilden. Die Bipolarplatte bildet unter anderem einen Separator zwischen zwei aktiven Zellen. Somit grenzt eine der Platten einer Bipolarplatte an einen Kathodenraum, und wird daher auch als Kathodenplatte bezeichnet, während die mit dieser Kathodenplatte verbundene Platte an einen Anodenraum grenzt, und somit als Anodenplatte bezeichnet wird. Neben der Verbindung, welche durch Kleben und/oder Schweißen hergestellt ist, können die Platten ebenfalls über profilbedingte Stege miteinander verbunden sein, welche gleichzeitig die Kanäle zwischen den Platten voneinander trennen. Erfindungsgemäß ist auf der Kühlmittelseite der Platten, also letztlich zwischen den Platten, ein Material zur Verringerung eines Kanalvolumens eingebracht. Die Verringerung des
Kanalvolumens wird dabei maßgeblich durch Verdrängung des Kühlmittels durch das Material verursacht. Ferner steht das Material mit zumindest einer der Platten in Verbindung. Bevorzugt ist das Material daher an die Kathodenplatte und/oder die Anodenplatte angeordnet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das das Kanalvolumen verringernde Material einen Wärmeleitwert Λ von mindestens 1 W/mK auf. Bei Brennstoffzellen bemisst sich der maßgebliche thermische Gesamtwiderstand einer Einzelzelle über die gesamte Zellhöhe, also über die Strecke zwischen der Katalysatorschicht (an der die abzuführende Wärme entsteht) und dem Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen. Der thermische Gesamtwiderstand setzt sich somit aus den einzelnen Wärmeleitwerten (bzw. thermischen Widerständen) der
Gasdiffusionsschicht (GDL) und der Anoden- oder Kathodenplatte der Bipolarplatte sowie dem thermischen Kontaktwiderstand zwischen Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte zusammen. Das Verdrängungsmaterial ist nun bevorzugt so gewählt, dass seine Wärmeleitfähigkeit deutlich größer ist als die der Gasdiffusionsschicht (beziehungsweise sein thermischer Widerstand deutlich geringer als der der GDL ist). Somit ändert sich der thermische Gesamtwiderstand nahezu nicht. Dies bringt den Vorteil, dass keine Volumen, Gewicht oder Leistungsnachteile entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit von üblichen Gasdiffusionsschichten liegt im Bereich von 0,1 W/mK. Es hat sich nun gezeigt, dass die Einbringung von Kanalvolumen verringerndem
Material in den Bereich zwischen den Platten einer Bipolarplatte besonders vorteilhaft ist, wenn das Material einen Wärmeleitwert Lambda Λ von mindestens einer Größenordnung größer als den der verwendeten Gasdiffusionsschicht, also bevorzugt 1 W/mK aufweist.
Diese Bedingungen sind insbesondere bei den Materialien Ruß, Graphit-Komposit, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrit, Metallschäumen und/oder Polymeren, insbesondere wärmeleitfähigen Polymeren, erfüllt. Somit umfasst nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das, das Kanalvolumen verringernde Material Ruß, Graphit-Komposit, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrit, Metallschaum und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer. Insbesondere bevorzugt ist dabei ein Graphit-Komposit. Vorliegend ist unter Graphit-Komposit jede Mischung aus Kohlenstoff und einem Binder zu verstehen, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit,
insbesondere mindestens 1 W/mK aufweist. Vorzugsweise sind davon Graphit-Komposite umfasst, welche auch bei der Herstellung von herkömmlichen Elektroden Verwendung finden und somit dem Fachmann zugänglich sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass das Kanalvolumen
verringernde Material in Form einer Beschichtung vorliegt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass Beschichtungen leicht und insbesondere gleichmäßig auf strukturierte Oberflächen aufzutragen sind. Das Beschichten kann grundsätzlich mittels aller bekannter Beschichtungs- verfahren erfolgen. Insbesondere ist die Beschichtung durch Spritzguss, durch chemische Verfahren, aber auch durch Sprühen, Drucken, Rakeln, Walzen, Pinseln, Streichen oder Sputtern bevorzugt. Die Auswahl des Verfahrens richtet sich insbesondere nach dem gewählten Material. Wird beispielsweise ein wärmeleitfähiges Polymer als Beschichtung verwendet, so wird dieses bevorzugt in flüssigem Zustand durch Sprühen, Aufdrucken, mittels Spritzguss oder ähnlichem aufgetragen. Unter Beschichtung wird in vorliegender Erfindung insbesondere die Anordnung einer Schicht aus Kanalvolumen verringerndem Material auf der Kühlmittelseite von zumindest einer der Platten verstanden, wobei die Beschichtung eine Dicke aufweist, welche vorzugsweise mindestens 10 % eines Kanaldurchmessers entspricht. Vorzugsweise wird die Beschichtung großflächig auf zumindest einer der Platten angeordnet, dabei kommt es vollflächig zu einem Kontakt zwischen Beschichtung und Platte, sodass das Kühlmittel im Bereich der Beschichtung vorzugsweise keinen direkten Kontakt mit der Platte hat.
Grundsätzlich kann die Beschichtung vor und/oder nach dem Zusammensetzen und Verbinden der Platten zur Bipolarplatte aufgebracht werden. Es ist aber bevorzugt, eine Beschichtung von zumindest einer Platte vor dem Zusammensetzen vorzunehmen. Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Materialstärke auf, die über die Kanalfläche nicht homogen ist.
In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Material eine dichtende und/oder klebende Funktion hat. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein zusätzliches Schweißen zur Verbindung der Platten entfallen kann. Dies kann zusätzlich einen positiven Einfluss auf ein Temperaturprofil der Platte sowie auf das Kalt- bzw. Froststartverhalten der Bipolarplatte bzw. Brennstoffzelle haben, da die thermische Masse der Bipolarplatte reduziert wird. Ferner kann durch diese Ausgestaltung ein Arbeitsschritt eingespart und somit die Produktivität erhöht werden. Insbesondere handelt es sich beim Schweißen um einen
Arbeitsschritt, welcher die Flexibilität beim weiteren Aufbau der Zellseite negativ beeinflussen kann.
In dieser Ausgestaltung sind zur Beschichtung insbesondere Materialien bevorzugt, welche sich in flüssiger oder schmelzflüssiger oder hochviskoser Form auftragen lassen. Je nach
Ausgestaltung wird die Flüssigkeit auf die Kühlmittelseite zumindest einer der Platten aufgetragen. Dabei werden sowohl die Bereiche der Struktur, welche später die Kanäle ausbilden, als auch die Bereiche die später die Stege ausbilden, mit Flüssigkeit benetzt. Die klebende und/oder dichtende Funktion wird dann beim Zusammensetzen, insbesondere Zusammenpressen, der Platten in den Bereichen erzielt, in welchen die noch flüssige oder ausgehärtete Beschichtung Kontakt mit der gegenüberliegenden Platte hat. Ist die
Beschichtung beim Zusammensetzen der Platten bereits ausgehärtet, hat sie neben der Verdrängung des Kühlmittels insbesondere eine dichtende Funktion. Findet das
Zusammensetzen der Platten statt, wenn die Beschichtung noch nicht ausgehärtet ist, kann zu der Kühlmittel verdrängenden und dichtenden Funktion eine verbindende Funktion der beiden Platten miteinander hinzukommen.
Für die dichtende und/oder verbindende Wirkung der Beschichtung kann es dabei unerheblich sein, ob die Beschichtung auch nach dem Verpressen auf den Stegen besteht, oder aus diesen herausgedrückt ist und in einem, den Stegen nahen Bereich innerhalb der Kanäle verdrängt wurde.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass das Kanalvolumen
verringernde Material ein poröses Material, vorzugsweise ein poröses Material mit einer offenen Porenstruktur, umfasst, welches die Kanäle teilweise oder vollständig auskleidet. Der Vorteil in dieser Ausgestaltung liegt insbesondere darin, dass das Kanalvolumen verringernde Material auch nachträglich, also nach einem Zusammensetzen der Platten in die Kanäle eingebracht bzw. aufgebracht werden kann. Ebenfalls bevorzugt ist jedoch auch, dass das poröse Material vor dem Zusammensetzen der Platten auf zumindest eine der Platten aufgebracht wird.
Bei dem porösen Material handelt es sich vorliegend um einen Stoff, welcher in fester Form eine große Anzahl von Poren aufweist, welche ausgebildet sind, einen Transport von Kühlmittel, insbesondere von Wasser, zu ermöglichen. Es kann sich dabei um Mikro-, Meso- und
Makroporen handeln, wobei die Dominanz einer der Poren ebenso bevorzugt ist wie ein gleichmäßiges Vorkommen aller drei Porenarten. Das poröse Material kann in flüssiger Form als Beschichtung auf zumindest eine der Platten aufgebracht werden, wobei sich die poröse Struktur des Materials bei der Aushärtung einstellt. Ein Beispiel sind hier Metallschäume.
Alternativ kann das Material in granulärer Form in die Kanäle eingebracht werden, wobei die Granalien bevorzugt geringe Durchmesser aufweisen, sodass zwischen den Granalien entstehende Hohlräume bevorzugt maximal zwei Größenordnungen größer sind als ein mittlerer Porendurchmesser des porösen Materials.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung erstreckt sich das Kanalvolumen verringernde Material nur bereichsweise über die Kühlmittelseite. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Ausgestaltungsform eine Steuerung einer Kondensatbildung während des Betriebs einer Brennstoffzelle.
Herkömmliche Ansätze zu einer Reduktion des Kühlmittelvolumens führen zu einer
Ungleichverteilung des Kühlmittelvolumenstroms, sodass heiße und kalte Bereiche in der Brennstoffzelle entstehen können. Dies kann wiederum zu Leistungseinbußen und einer Reduktion der Lebensdauer führen. Ebenfalls ergeben sich Nachteile beim Kalt- bzw. Froststart durch langsames Aufheizverhalten, lange Wartezeiten und somit eine Limitierung der minimalen Temperatur, bei der das Brennstoffzellensystem hochgefahren wird. Ferner können sich die Probleme durch die Ungleichverteilung auf die anderen Fluide, nämlich die Reaktanden, verlagern, was gravierende Konsequenzen für den Brennstoffzellenstapel haben kann. Dieser Ungleichverteilung kann dadurch entgegengetreten werden, dass der Kühlmittelstrom in definierten Bereichen weniger stark oder aber stärker als in anderen Bereichen reduziert wird. Dies wird wiederum dadurch erreicht, dass das Kanalvolumen verringernde Material nur bereichsweise und/oder bereichsweise in unterschiedlicher Dicke aufgetragen wird.
Unter bereichsweise kann vorliegend zum einen verstanden werden, dass Bereiche der Kühlmittelseite zumindest einer der Platten definiert werden, welche wiederum sowohl
Kanalböden als auch Stege umfassen. Zum anderen kann unter bereichsweise jedoch auch verstanden werden, dass entweder nur Kanalböden oder nur Stege der Kühlmittelseite zumindest einer der Platten beschichtet werden. Ferner ist eine Kombination aus beiden Auslegungen bevorzugt, das heißt, dass nur in definierten Bereichen der Fläche der
Kühlmittelseite zumindest eine der Platten entweder Stege oder aber Kanalböden beschichtet werden. Insbesondere bevorzugt ist die gleichmäßige Beschichtung eines
zusammenhängenden Bereichs der Kühlmittelseite, wobei vorzugsweise ein Randbereich der Kühlmittelseite und insbesondere im Randbereich angeordnete Kanäle nicht beschichtet werden. Somit wird das Strömungsbild des Kühlmittels und ein daraus resultierender
Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Elektrodenbereich durch die Anordnung des Kanalvolumen verringernden Materials beeinflusst.
Neben einer thermischen Leitung ist eine elektrische Leitung zwischen den Platten einer Bipolarplatte für die Funktionsweise in einer Brennstoffzelle maßgeblich. Sowohl die thermische als auch die elektrische Leitung werden insbesondere über die im Bereich der Stege entstehende, vorzugsweise direkte Verbindung zwischen den Platten erzielt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich daher das Kanalvolumen
verringernde Material nur im Bereich der Kanalböden. Dies stellt vorteilhafterweise sicher, dass sich im Bereich der Stege weder Material noch Hohlräume befinden, welche die thermische und/oder elektrische Leitung zwischen den Platten der Bipolarplatten negativ beeinflussen. Diese Ausgestaltung wird insbesondere dann bevorzugt, wenn es sich bei dem Kanalvolumen verringernden Material um ein poröses Material handelt.
Die Abwesenheit von Kanalvolumen verringerndem Material im Bereich der Stege kann auf unterschiedliche Weise erzielt werden. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt eine Beschichtung vollflächig, also auch im Bereich der Stege, erfolgen. In einem zweiten Schritt kann die Beschichtung im Bereich der Stege dann wieder entfernt werden. Diese Entfernung kann beispielsweise durch Abtragen, wie zum Beispiel durch Rakeln, der Beschichtung im Bereich der Stege erfolgen. Alternativ kann die Beschichtung aus den Bereichen der Stege entfernt werden, indem die Platten nach dem Aufbringen der Beschichtung miteinander verpresst werden. In Abhängigkeit von der Viskosität der Beschichtung sowie von dem
Anpressdruck der Platten aufeinander wird dabei die Beschichtung aus den vorgesehenen Kontaktbereichen, also beispielsweise der Stege, verdrängt und in die Kanäle gedrückt. Handelt es sich bei dem Kanalvolumen verringernden Material um ein poröses Material, so ist in beschriebener Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass das Material erst nach
Zusammenbringen der Platten in die Kanäle eingebracht wird.
Es ist bevorzugt, dass die Platten ein metallisches Material umfassen. Beispielsweise werden Platten für Bipolarplatten entweder aus metallischen Materialien oder aber aus graphitischem Kohlenstoff hergestellt. Metallische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie
insbesondere günstiger in der Beschaffung und Herstellung sind. Bei der Auslegung von metallischen Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel tritt jedoch das Problem auf, dass ein Freiheitsgrad durch Einstellung der Querschnittsgeometrie für die Kühlmittelkanäle fehlt. Dies ist durch die Herstellung der profilgebenden Struktur der Platten durch die Biegung der Bleche bedingt. Es hat zur Folge, dass meist Kühlmittelkanalgeometrien resultieren, welche einen großen Querschnitt und somit ein großes Volumen aufweisen. Die dadurch auftretenden Effektivitätsverluste von metallischen Platten gegenüber kostenintensiveren
Ausweichmaterialien können durch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte zumindest ausgeglichen werden. Über den Kostenfaktor hinaus sind Bipolarplatten aus metallischen Materialien recycelbar.
In vorliegender Erfindung wird der Begriff metallisches Material sowohl für Legierungen, für reine Metalle als auch für intermetallische Phasen verwendet. Es gilt somit für alle Materialien, die in fester oder flüssiger Form die folgenden charakteristischen metallischen Stoffeigenschaften aufweisen: hohe elektrische Leitfähigkeit, welche mit steigender Temperatur abnimmt; hohe Wärmeleitfähigkeit sowie insbesondere hohe Duktilität. Diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome mit der metallischen Bindung erfolgt, deren wichtigstes Merkmal die im Gitter freibeweglichen Elektronen sind.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle mit mindestens einer Bipolarplatte in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungsform. Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich insbesondere durch ein im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen verbessertes Kalt- und Froststartverhalten aus. Insbesondere ist eine minimale Temperatur für das Hochfahren der Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen deutlich herabgesetzt. Ferner können für die Bipolarplatten der Brennstoffzelle kostengünstige metallische Materialien eingesetzt werden, ohne in Bezug auf Leistungsparameter oder Lebensdauer nachteilig zu sein. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach dem Stand der Technik,
Figur 3 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 4 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 5 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer dritten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 6 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer vierten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 7 eine schematische Querschnittzeichnung eines Ausschnitts einer Bipolarplatte nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, und
Figur 8 eine schematische Querschnittansicht eines bevorzugten
Herstellungsverfahrens einer Bipolarplatte in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
Figur 1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen solchen Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine erste Endplatte 1 1 1 sowie eine zweite Endplatte 1 12. Zwischen den Endplatten 1 1 1 , 1 12 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 1 13 und Membran- Elektroden-Einheiten 1 14 umfassen. Die Bipolarplatten 1 13 sind mit den Membran-Elektroden- Einheiten 1 14 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran- Elektroden-Einheiten 1 14 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 1 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 sind jeweils
Dichtungselemente 1 15 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 1 1 1 und 1 12 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Zugelementen 1 16, z. B. Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In Figur 1 sind von den Bipolarplatten 1 13 und den Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 1 13 und der Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 liegen aneinander an. Die Darstellung in Figur 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 1 13 und einer Membran-Elektroden-Einheit 1 14, wenige mm, wobei die Membran- Elektroden-Einheit 1 14 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der
Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer herkömmlichen Bipolarplatte 1 13 in einer schematischen Querschnittansicht im aktiven Bereich . Die Brennstoffzelle 100 umfasst zwei profilierte Platten 1 1 , welche jeweils eine Kühlmittelseite 1 1 a und eine Zellseite 1 1 b aufweisen. Die Platten verfügen in dargestellter Ausgestaltung über ein Wellenprofil und sind bevorzugt aus einem metallischen Material gefertigt. Zur Bildung der Bipolarplatte 1 13 sind die Platten 1 1 derart zusammengesetzt, dass die Kühlmittelseiten 1 1 a der beiden Platten 1 1 einander zugewandt sind. Dabei bilden die Platten 1 1 Kanäle 12 aus, welche durch Stege 16 voneinander getrennt sind. Die Kanäle 12 sind ausgebildet um im Betrieb als Brennstoffzelle Kühlmittel 13
vorzuhalten und/oder zu transportieren. Zumindest im Bereich der Stege 16 kommt es zu einem Kontakt der Platten 1 1 .
Auf den Zellseiten 1 1 b entsteht durch die Struktur der Platten 1 1 jeweils ein Kanalsystem, auch Flussfeld genannt, welches in den Bereichen der Stege 16 einen Transport von
Reaktandengasen 15 und Produktwasser zwischen Elektrode und Bipolarplatte 1 13
ermöglichen kann. Unter anderem in Abhängigkeit von den geführten Reaktandengasen 15 bildet sich auf der Zellseite ein Anodenraum oder ein Kathodenraum aus. Je nach dem, ob die Zellseite 1 1 b der Platte 1 1 an einen Anodenraum oder einen Kathodenraum angrenzt, wird die Platte 1 1 als Anoden- oder Kathodenplatte bezeichnet. Der Kanalquerschnitt der Kühlmittelkanäle 12 und somit die Menge an geführtem Kühlmittel 13 ist in der gezeigten herkömmlichen Bipolarplatte 1 13 maßgeblich durch die Struktur der auf den Zellseiten 1 1 b ausgebildeten offenen Kanäle (Anoden- beziehungsweise Kathodenkanäle) bedingt.
Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, wobei die gleichen Bezugszeichen für übereinstimmende Elemente verwendet werden. Der wesentliche Unterschied besteht in einem Kanalvolumen verringernden Material 14, welches in die Kanalböden der Kühlmittelseite 1 1 a einer der Platten 1 1 angeordnet ist. In der in Figur 3 gezeigten Ausgestaltung ist das Kanalvolumen verringernde Material 14 ausschließlich in den Kanalböden der Kanäle angeordnet. Das Kanalvolumen verringernde Material 14 kann sowohl auf der Kühlmittelseite 1 1 a der Kathoden- als auch der Anodenplatte 1 1 angeordnet sein. Bei dem in Figur 3 gezeigten Kanalvolumen verringernden Material 14 handelt es sich um ein nicht poröses, als Beschichtung aufgebrachtes Material, welches einen Teil von bevorzugt mindestens 10% des Kanalvolumens ausfüllt.
Das Kanalvolumen verringernde Material 14 reduziert in Abhängigkeit von der Dicke, in der es auf die Kühlmittelseite 1 1 a aufgetragen wird, den Querschnitt des Kanals 12 und somit das transportierte Kühlmittelvolumen. Je nach Wärmeleitwert des Kanalvolumen verringernden Materials 14 beeinflusst die Wahl der Platte, auf die das Kanalvolumen verringernde Material 14 selektiv aufgebracht wird, das Strömungsbild und damit das Kühlverhalten an den Platten.
In alternativer Ausgestaltung kann das das Kanalvolumen verringernde Material 14, wie in Figur 4 gezeigt, auf den Kühlmittelseiten 1 1 a beider Platten 1 1 aufgebracht sein. Dadurch wird bei gleichzeitigem Einhalten der Symmetrie der Kanäle 12 eine weitere Reduzierung des
Kanalquerschnitts und infolge dessen eine weitere Kühlmittelvolumenreduktion erreicht.
Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Beschichtungen von Kanalvolumen verringerndem Material 14 sind durch Auftragen des Materials in flüssiger Form beispielsweise durch
Spritzguss, Siebdruck oder Ähnliches herstellbar. Das Material wird dabei stets nur in einem definierten Bereich innerhalb der Kanalböden der betreffenden Kühlmittelseite 1 1 a vor einem Zusammensetzen der Platten 1 1 aufgebracht. Die in Figur 4 gezeigte Ausgestaltung kann alternativ auch in zwei Schritten nach dem Zusammensetzen der Platten 1 1 hergestellt werden. Die beiden Schritte umfassen dann ein Einbringen des Materials in die Kanäle in flüssiger Form und, nach Härten eines Teils des Materials, ein Entfernen des überschüssigen Materials, beispielsweise durch Ausgießen. Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 in einer weiteren Ausgestaltung. Hierbei ist das Kanalvolumen verringernde Material 14 ebenfalls als Beschichtung ausgeführt, und die Beschichtung wurde vor dem Zusammenbringen der Platten 1 1 , zumindest innerhalb des aktiven Bereichs der Bipolarplatte 10, vollflächig auf die Kühlmittelseite 1 1 a einer der Platten aufgebracht. Das heißt, zunächst sind sowohl die Bereiche der Kanäle 12, als auch die der Stege 16 mit Kanalvolumen verringerndem Material 14 beschichtet. Es kann dabei ein Material gewählt werden, welches während des Auftragens flüssig oder zumindest viskos ist. Noch vor einem Aushärten des Materials werden die Platten kühlmittelseitig aufeinandergepresst, sodass das Kanalvolumen verringernde Material 14 aus dem Bereich der Stege 16 herausgedrückt wird. Dadurch ist das Kanalvolumen verringernde Material 14, im Unterschied zu den in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform, nicht nur im Kanalboden einer der Platten, sondern auch in einem stegnahen Bereich der anderen Platte angeordnet. Je nach Eigenschaft des
verwendeten Materials 14 wird in diesem Bereich zwischen den Platten 1 1 eine dichtende und/oder klebende Verbindung ausgebildet. Im Bereich der Stege 16 stehen die Platten 1 1 ebenso wie in weiteren gezeigten Ausführungsformen miteinander in Kontakt.
Letzteres ist ebenfalls in einer weiteren, in Figur 6 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung gewährleistet. Das Kanalvolumen verringernde Material 14 wird wie bei Figur 5 erläutert in flüssigem oder zumindest viskosem Zustand auf die Kühlmittelseite 1 1 a einer der Platten 1 1 aufgebracht. Im Unterschied zu Figur 5 wird das Material jedoch vor dem Zusammensetzen der Platten 1 1 vor oder nach dem Aushärten des Materials im Bereich der Stege abgetragen. Ein geeignetes Verfahren zum Abtragen des Kanalvolumen verringernden Materials 14 ist zum Beispiel Rakeln. Das Material 14 kann in der fertiggestellten Bipolarplatte 10 neben der Kanalvolumen verringernden Funktion eine dichtende Funktion zeigen.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Auftragung als Beschichtung kann das Kanalvolumen verringernde Material 14 als poröses Material vorliegen. In Figur 7 ist dazu eine mögliche Ausgestaltung gezeigt, in der das porös vorliegende, Kanalvolumen verringernde Material 14 im dargestellten Bereich den gesamten Kanal 12 auskleidet. Das Kühlmittelvolumen wird in dieser Ausgestaltungsform durch Anzahl und Größe der Poren 17 des Materials 14 definiert. Das Kanalvolumen verringernde Material 14 kann hierzu beispielsweise durch ein Einsprühen eines Schaums in die Kanäle 12 einer zusammengesetzten Bipolarplatte erfolgen. Alternativ kann poröses, Kanalvolumen verringerndes Material 14 in granulärer Form in die Kanäle 12 eingebracht werden. Eine weitere Alternative zum Einbringen eines porösen, Kanalvolumen verringernden Materials 14 in die Kanäle 12 einer Bipolarplatte 10 bietet das in Figur 8 skizzierte Verfahren. Das vorzugsweise poröse, Kanalvolumen verringernde Material 14 kann in zumindest viskoser Form auf die Kühlmittelseite 1 1 a einer oder beider Platten 1 1 der Bipolarplatte 10 aufgebracht werden. Dabei werden die Kanäle 12 vollständig oder teilweise mit dem Material 14 gefüllt. Gleichzeitig werden die Stege zwischen den Kanälen nicht mit Kanalvolumen verringerndem Material 14 beschichtet. Anschließend werden die Platten 1 1 übereinandergesetzt und gegebenenfalls verpresst. In dieser Ausführungsform kann das Kanalvolumen verringernde Material 14 zum Zeitpunkt des Zusammensetzens der Platten 1 1 vorzugsweise vollständig ausgehärtet sein, da somit das Material 14 in dem durch das Aufbringen definierten Bereich verbleibt.
In der in Figur 8 gezeigten Ausgestaltung sind im Unterschied zu den anderen Darstellungen die Platten 1 1 der Bipolarplatte 10 nicht gleich ausgeführt. Insbesondere ist die Struktur auf der Zellseite 1 1 b und der Kühlmittelseite 1 1 a nicht symmetrisch. Eine der Platten zeigt
kühlmittelseitig ein Profil, in dem die Stege 16 breiter sind als die Kanalböden, während die andere Platte 1 1 ein umgekehrtes Bild zeigt. Die infolge des Zusammensetzens derartiger Platten 1 1 entstehenden Kühlmittelkanäle 12 sind ebenfalls nicht symmetrisch. Somit kann es bei einem im Zuge der Figur 8 beschriebenen Verfahren zum Anordnen des Kanalvolumen verringernden Materials 14 zu einem Kontakt zwischen Kanalvolumen verringerndem Material 14 und gegenüberliegender Platte 1 1 kommen, falls das Kanalvolumen verringernde Material 14 auf der Kühlmittelseite 1 1 a derjenigen Platte 1 1 angeordnet wurde, der die größeren, insbesondere breiteren Kanalböden aufweist. In diesem Fall kann das Kanalvolumen verringernde Material 14 je nach Materialtyp zusätzlich zu einer Kühlmittel verdrängenden eine dichtende und/oder verklebende Funktion erfüllen.
In allen beschrieben Ausführungsformen wird als Kanalvolumen verringerndes Material 14 vorzugsweise ein Material mit Wärmeleitwerten Λ von mindestens 1W/mk verwendet. Derartige Materialien sind insbesondere Ruß, Graphit-Komposit, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrit,
Metallschaum und/oder wärmeleitfähige Polymere.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Bezugszeichenliste Bipolarplatte
Platte
a Kühlmittelseite
b Zellseite
Kühlmittelkanal
Kühlmittel
Kanalvolumen verringerndes Material
Reaktandengas
Steg
Poren 0 Brennstoffzelle
1 erste Endplatte
2 zweite Endplatte
3 Bipolarplatte (Stand der Technik)
4 Membran-Elektroden-Einheit
5 Dichtungselement
6 Spannelement

Claims

Patentansprüche
1 . Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (10) ein Paar von
profilierten Platten (1 1 ) umfasst und jede Platte (1 1 ) eine Kühlmittelseite (1 1 a) und eine Zellseite (1 1 b) aufweist und die beiden Platten (1 1 ) derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten (1 1 a) Kanäle (12) zum Transport von Kühlmittel ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Platten (1 1 ) auf ihrer Kühlmittelseite (1 1 a) ein Material (14) zur Verringerung eines Kanalvolumens der Kanäle (12) aufweist.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) einen Wärmeleitwert AB von mindestens 1 W/mK aufweist.
3. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) Ruß, Graphit-Komposit, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrit, Metallschaum und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer umfasst.
4. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) eine Beschichtung ist.
5. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) eine dichtende und/oder klebende Funktion hat.
6. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen verringernde Material (14) ein poröses Material ist, das die Kanäle (12) teilweise oder vollständig ausfüllt.
7. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kanalvolumen verringernde Material (14) nur bereichsweise, über die Kühlmittelseite (1 1 a) erstreckt.
8. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kanalvolumen verringernde Material (14) nur im Bereich der Kanalböden erstreckt.
9. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (1 1 ) ein metallisches Material umfassen.
10. Brennstoffzelle mit mindestens einer Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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