DE10163631A1

DE10163631A1 - Bipolare Platte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10163631A1
Application number: DE10163631A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dohle; Thomas Bewer
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-10

Abstract

Die erfindungsgemäße bipolare Platte für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 weist auf der Oberfläche angeordnete Bereiche mit Stegen zur Verteilung eines flüssigen oder gasförmigen Betriebsmittels auf. Die spezielle Anordnung der Stege bewirkt die vorteilhafte Gleichverteilung. Innerhalb eines Bereiches sind die Stege in mehreren Reihen längs einer Hauptströmungsrichtung ausgerichtet. Innerhalb einer Reihe sind mehrere Stege, durch eine Lücke getrennt, hintereinander angeordnet. Zwei benachbarte Reihen zeigen eine solche Anordnung, dass jeweils ein Steg der ersten Reihe benachbart zu einer Lücke der zweiten Reihe angeordnet ist. Durch Anordnung verschiedener Bereiche auf der Oberfläche, deren Ausrichtung leicht unterschiedlich ist, wird eine besonders hohe Biegefestigkeit der bipolaren Platte in alle Richtungen erzeugt. Dadurch kann die erfindungsgemäße bipolare Platte sehr dünn ausgebildet sein. DOLLAR A Ein zusätzlicher Vorteil der speziellen Anordnung der Stege bei der erfindungsgemäßen bipolaren Platte besteht in einem sehr guten Blasenaustragsvermögen beim zweiphasigen Betrieb einer Direkt-Alkohol-Brennstoffzelle. Die Blasen können sich nicht in den Parallelkanälen festsetzen und zum "Verstopfen" des Kanals führen.

Description

Die Erfindung betrifft eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle.

Stand der Technik 1V

In bekannten Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapeln (DMFC- Stapeln) sind die einzelnen Brennstoffzellen durch bipolare Platten hintereinander geschaltet. Zur Versorgung mit Betriebsmedien verfügt jede Einzelzelle über einen Kathodenraum, dem das Oxidationsmittel zugeführt wird, sowie einen Anodenraum, in den der Brennstoff eingeleitet wird. Bipolare Platten dienen in der Brennstoffzelle sowohl zur Stromableitung als auch zur gleichmäßigen Verteilung der Betriebsstoffe (Edukte) auf der Elektrodenfläche. Des weiteren gewährleisten sie eine dichte Trennung von Anoden und Kathodenraum.

Die bipolaren Platten weisen unterschiedliche Strukturen zur Verteilung der Brennstoffe auf die elektrochemisch aktive Schicht auf. Als sehr praktikabel haben sich dabei parallele Kanäle erwiesen, die mäanderförmig über die Platte geführt werden, wie sie in US 4,988,583 beschrieben sind. Sie gewährleisten eine gute Gleichverteilung der Edukte sowohl bei niedrigen (Teillastbetrieb einer Brennstoffzelle) als auch bei hohen Durchflüssen (Vollastbetrieb).

Mäanderstrukturen haben allerdings den Nachteil, daß sie bei hohen Durchflüssen große Druckverluste verursachen. Dadurch entsteht die Notwendigkeit, die Edukte unter erhöhtem Druck zuzuführen, was zu Verlusten für das Gesamtsystem führt.

Werden die Betriebsstoffe hingegen durch eine Vielzahl von parallelen Kanälen vom Einlaß zum Auslaß geführt, ohne sie mäanderförmig zu führen, kommt es regelmäßig zu Ungleichverteilungen bei hohen Durchflüssen aufgrund der mangelnden Möglichkeit zur Querverteilung der Strömung. Sie weisen allerdings einen wesentlich geringeren Druckverlust auf als Mäanderstrukturen. Im Sammlerbereich zeigen sie eine sehr gute Gleichverteilung.

Bekannt sind auch die sogenannten Füßchenstrukturen, die ebenfalls einen geringen Druckverlust aufweisen. Sie verteilen die Medien allerdings erst bei hohen Durchflüssen zuverlässig auf die gesamte Elektrodenfläche. Insbesondere im Bereich des Sammlers zeigen sich jedoch bei niedrigen und hohen Durchflüssen ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilungen.

Bipolare Platten mit Parallelkanälen oder auch mit Füßchenstrukturen weisen jedoch regelmäßig eine nur geringe Biegefestigkeit auf. Um diesen Umstand auszugleichen, sind häufig große Reststärken des Grundmaterials der bipolaren Platte erforderlich, die das Bauvolumen eines Brennstoffzellenstapels dadurch negativ beeinflussen.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine bipolare Platte mit einer Verteilerstruktur zur Verfügung zu stellen, die eine Gleichverteilung der Betriebsstoffe im gesamten Lastverhalten einer Brennstoffzelle bei gleichzeitig geringem Druckverlust ermöglicht. Des weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung eine bipolare Platte mit einer hohen Biegefestigkeit zu schaffen, um geringe Grundmaterialstärken zu verwirklichen und damit das Stackvolumen und das Stackgewicht einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels zu reduzieren.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine bipolare Platte mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den davon abhängigen Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Die erfindungsgemäße bipolare Platte für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 weist auf der Oberfläche Bereiche mit angeordneten Stegen zur Verteilung eines flüssigen oder gasförmigen Betriebsmittels auf. Die spezielle Anordnung der Stege bewirkt die vorteilhafte Gleichverteilung. Innerhalb eines Bereiches sind die Stege in mehreren Reihen längs der Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels ausgerichtet. Innerhalb einer Reihe sind mehrere Stege, durch eine Lücke getrennt, hintereinander angeordnet. Zwei benachbarte Reihen zeigen eine solche Anordnung, dass jeweils ein Steg der ersten Reihe benachbart zu einer Lücke der zweiten Reihe angeordnet ist. Vorteilhaft weist eine bipolare Platte auf der Oberfläche unterschiedliche Bereiche mit Stegen auf, die sich insbesondere in der Ausrichtung ihrer Längsausdehnung unterscheiden. Diese unterschiedlichen Bereiche bewirken vorteilhaft die erhöhte Biegefestigkeit der Platte.

Die Erfindung sieht vor, die Stege in eine Richtung, vorteilhaft in der Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels innerhalb eines Bereichs länger auszuführen als quer dazu. Des weiteren werden die Stege versetzt zueinander angeordnet. Dieses kombiniert die Vorteile der Kanalstrukturen im Sammlerbereich mit den Querverteilereigenschaften der Füßchenstrukturen und gewährleistet eine sehr gute Gleichverteilung im gesamten Lastbereich bei einem geringen Druckverlust und einfacher Fertigung. Die versetzte Anordnung fördert dabei zum einen die Querverteilung und erhöht zum anderen die Biegefestigkeit der Platte. Die erhöhte Biegefestigkeit bietet die Möglichkeit bipolare Platten mit geringeren Grundmaterialstärken herzustellen und im Stack zu integrieren. Dieses reduziert vorteilhaft das Bauvolumen des Stacks und erhöht die spezifische Leistung.

Es wurde gefunden, dass eine Ausführungsform der bipolaren Platte mit versetzten Stegen eine Steiffigkeit aufweist, die ca. 50% der einer gleich dicken Platte aus Vollmaterial aufweist.

Ein weiterer Vorteil der speziellen Anordnung der Stege bei der erfindungsgemäßen bipolaren Platte besteht in einem sehr guten Blasenaustragsvermögen beim zweiphasigen Betrieb einer Direkt-Alkohol-Brennstoffzelle. Die Blasen können sich nicht in den Parallelkanälen festsetzen und zum "Verstopfen" des Kanals führen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen bipolaren Platte sehen jeweils gleichlange Stege vor. Zudem werden einerseits die Abstände zwischen den Stegen (Lücken) und andererseits zwischen den Stegreihen konstant gehalten. Dadurch ist eine sehr gute Gleichverteilung möglich. Durch die versetzte Anordnung der Stege wird vorteilhaft eine kanalförmige Fließrichtung vorgegeben, bei der jedoch Ausweichmöglichkeiten existieren. Es ergeben sich dadurch keine nachteiligen Druckverluste während der Strömung.

Unter besonderen Bedingungen kann aber gerade auch eine individuelle Anordnung bezüglich der Lücken und/oder der Abstände erwünscht sein, um z. B. dem verstärkten Blasenaufkommen in Richtung zum Ablauf aus der bipolaren Platte Rechnung zu tragen.

Eine gleichförmige Anordnung erleichtert jedoch regelmäßig die Herstellung einer solchen bipolaren Platte. Anstelle von einzelnen Stegen sollen im Rahmen der Erfindung auch entsprechend perforierte Bleche als Stegreihen umfasst sein.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand zweier Figuren näher erläutert, ohne daß der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Oberflächenbereich einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen bipolaren Platte. Der Bereich weist sieben parallele Stegreihen längs der Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels auf. Jeweils drei Stege sind pro Stegreihe hintereinander angeordnet. Die dazwischen verbleibenden Lücken sind in ihrer Längsausdehnung geringer als die der einzelnen Stege. Dadurch kommt es bei der versetzten Anordnung zweier benachbarter Stegreihen vorteilhaft zu einer Überlappung der Stege hinsichtlich der Querströmung. Eine vollständige Querströmung wird dadurch verhindert. Das Betriebsmittel wird so vorteilhaft verteilt. Eine solche Anordnung fördert die Biegefestigkeit senkrecht zur Hauptströmungsrichtung deutlich stärker als parallel zur Hauptströmungsrichtung.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen bipolaren Platte, mit mehreren Oberflächenbereichen, die jeweils leicht unterschiedliche Hauptströmungsrichtungen aufweisen. Dadurch wird die Biegefestigkeit in alle Richtungen vorteilhaft erhöht. Die einzelnen Bereiche auf der Oberfläche können beliebig klein ausgestaltet sein.

Claims

1. Bipolare Platte für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einem auf der Oberfläche angeordneten Bereich mit Stegen zur Verteilung eines flüssigen Betriebsmittels, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stege innerhalb der Bereiche in ihrer Längsausdehnung in mehreren Reihen in einer Richtung angeordnet sind,
dass innerhalb einer Reihe mehrere Stege, durch eine Lücke getrennt, hintereinander angeordnet sind, und
dass in zwei benachbarten Reihen die Stege derart angeordnet sind, dass jeweils ein Steg der ersten Reihe benachbart zu einer Lücke der zweiten Reihe angeordnet ist.

2. Bipolare Platte nach vorhergehendem Anspruch, bei der die Lücken zwischen den Stegen einer Reihe im wesentlichen gleich groß sind.

3. Bipolare Platte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei der die Längsausdehnung der Stege größer als die der Lücken ist.

4. Bipolare Platte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 3, bei der die Abstände zwischen zwei Stegreihen annähernd gleich sind.

5. Bipolare Platte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei der die Lücken größer sind, als die Abstände zwischen den Stegreihen.

6. Bipolare Platte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, mit wenigstens zwei Bereichen auf der Oberfläche mit Stegen, wobei die Stege der einzelnen Bereiche längs unterschiedlicher Richtungen angeordnet sind.