DE102012012257A1

DE102012012257A1 - Separatorplatte für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012012257A1
Application number: DE201210012257
Authority: DE
Inventors: Björn Lippoth; Simon Steinhübl
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte (10) für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, welche einen Befeuchtungsbereich (16) zum Befeuchten zumindest eines einen Brennstoff oder ein Oxidationsmittel umfassenden Betriebsmediums für die Brennstoffzelle und einen stromabwärts des Befeuchtungsbereichs (14) angeordneten, mit dem befeuchteten Betriebsmedium beaufschlagbaren Reaktionsbereich (12) aufweist. Die Separatorplatte (10) umfasst einen stromaufwärts des Befeuchtungsbereichs (14) angeordneten Wärmetauscherbereich (16), welcher zum Kühlen des zumindest einen zu befeuchtenden Betriebsmediums ausgelegt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Separatorplatte (10) sowie ein Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Die Separatorplatte weist einen Befeuchtungsbereich auf, welcher dem Befeuchten zumindest eines in Form eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels vorliegenden Betriebsmediums für die Brennstoffzelle dient. Stromabwärts des Befeuchtungsbereichs ist ein mit dem befeuchteten Betriebsmedium beaufschlagbarer Reaktionsbereich angeordnet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit zwei Separatorplatten und ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen.
Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz PEMFC), wie er beispielsweise in der US 2008/0233443 A1 beschrieben ist, ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H₂ + O₂ → 2H₂O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.
Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; Die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
Eine PEM kann mehrere Komponenten enthalten. Die wichtigste Komponente ist dabei ein oder mehrere protonenleitfähige Ionomere. Ferner können verstärkende Komponenten wie z. B. organische Fasern (insbesondere PTFE-Fasern) und/oder anorganische Fasern (insbesondere Glasfasern) enthalten sein, die z. B. als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sein können. Ferner können Füllstoffe enthalten sein, wie z. B. Metalloxid-Partikel (insbesondere Kieselgel, SiO₂), die z. B. bei der Feuchthaltung der PEM eine Funktion übernehmen. Darüber hinaus können weitere Komponenten enthalten sein, wie z. B. Phosphorsäure, niedermolekulare Amphotere (insbesondere Imidazol und/oder Pyrazol). Eine PEM kann aber auch aus einem protonenleitfähigen Glasfilm bestehen, insbesondere aus einem nanoporösen Phosphosilicat-Glasfilm. Ist auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM eine Katalysatorschicht aufgebracht, so wird im Allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.
Des Weiteren beschreibt die US 5 683 828 A einen Brennstoffzellenstapel mit gestapelten Separatoren und Membran-Elektroden-Anordnungen. Die Separatoren sind wiederum aus dünnen, gestapelten Platten gebildet, welche Strömungskanäle für das Befeuchten der Reaktionsgase aufweisen. Weitere Strömungskanäle für die befeuchteten Reaktionsgase bilden jeweilige Reaktionsbereiche, in welchen die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. In einer der aufeinander gestapelten dünnen Platten sind auch Kühlkanäle ausgebildet, mittels welchem sich die in den Reaktionsbereichen bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Abwärme abführen lässt.
Ein solcher Aufbau der Separatoren aus einer Vielzahl von dünnen Platten mit eingeätzten oder durchgeätzten Strömungskanälen in den einzelnen dünnen Platten ist vergleichsweise aufwändig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Separatorplatte und eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welche bzw. welches besonders einfach und bauraumsparend ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Separatorplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Separatorplatte umfasst einen stromaufwärts des Befeuchtungsbereichs angeordneten Wärmetauscherbereich, welcher zum Kühlen des zumindest einen zu befeuchtenden Betriebsmediums ausgelegt ist. Durch das Integrieren sowohl der Befeuchtungsfunktion als auch der Wärmetauscherfunktion in die Separatorplatte ist eine besonders einfache und bauraumsparende Bauweise erreicht.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass üblicherweise ein Wärmetauscher als gesonderte Einheit einem Befeuchter und einem die eigentlichen Reaktionsbereiche, also die Flow Fields aufweisenden Brennstoffzellenstapel vorgeschaltet ist. Dadurch ist es nötig, zwischen dem Wärmetauscher und dem Befeuchter sowie zwischen dem Befeuchter und dem Brennstoffzellenstapel (oder zwischen dem Wärmetauscher und einem den Befeuchter umfassenden Brennstoffzellenstapel) Verbindungsleitungen vorzusehen. Derartige Verbindungsleitungen sind teuer und platzraubend.
Durch das Verschmelzen des Wärmetauschers, des Befeuchters und der Reaktionsbereiche in der Separatorplatte werden also der üblicherweise durch Verbindungsleitungen eingenommene Platz und die damit verbundenen Kosten eingespart.
Zudem weisen aus dem Stand der Technik bekannte Wärmetauscher, Befeuchter und Brennstoffzellenstapel üblicherweise einen rechteckigen Strömungsquerschnitt auf, während die Verbindungsleitungen üblicherweise runde Strömungsquerschnitte aufweisen. Um einen möglichst strömungsgünstigen Übergang von dem runden Strömungsquerschnitt auf den rechteckigen Strömungsquerschnitt zu erreichen, sind bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen üblicherweise platzraubende Verteileinrichtungen von Nöten. Derartige Verteileinrichtungen können vorliegend besonders weitgehend entfallen, da der Wärmetauscherbereich der Separatorplatte selber die Funktion des – ansonsten dem Brennstoffzellenstapel vorgeschalteten – Wärmetauschers übernimmt.
Zudem ist eine besonders gute Verteilung des Betriebsmediums erreichbar, da das Aufteilen von einem runden auf einen eckigen Strömungsquerschnitt lediglich einmal zu erfolgen braucht. Dies führt im Betrieb zu einem besonders guten Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, welche die Separatorplatte mit dem Wärmetauscherbereich, dem Befeuchtungsbereich und dem Reaktionsbereich umfasst.
Durch die bauraumsparende Ausführung der die Wärmetauscherfunktion aufweisenden Separatorplatte lässt sich ein besonders kompaktes Brennstoffzellensystem realisieren. Auch ist durch den Verzicht auf einen gesonderten Wärmetauscher und eine separate, von dem Wärmetauscher zu dem Befeuchtungsbereich führende Verbindungsleitung ein besonders geringes Gewicht eines Brennstoffzellen mit solchen Separatorplatten aufweisenden Brennstoffzellensystems und eine besonders geringe thermische Masse desselben erreichbar.
Günstig ist des Weiteren die thermische Anbindung des Wärmetauschers und des Befeuchters an den Reaktionsbereich, da der Wärmetauscherbereich und der Befeuchtungsbereich Komponenten ein und derselben Separatorplatte sind. Durch die kompakte Bauweise ist auch eine einfache Isolierbarkeit eines derartige Separatorplatten umfassenden Brennstoffzellenstapels gegeben. Besonders bei einer Produktion in hohen Stückzahlen lassen sich deutliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu einer separaten Produktion des Wärmetauschers und eines dem Wärmetauscher nachgeschalteten Befeuchters und Brennstoffzellenstapels erreichen. Da die Separatorplatte sowohl den Wärmetauscherbereich als auch den Befeuchtungsbereich und den Reaktionsbereich umfasst, ist auch eine besonders schnelle und einfache Montage des Brennstoffzellensystems erreichbar.
Insbesondere der Verzicht auf Rohrleitungen zwischen dem die Wärmetauscherfunktion bereitstellenden Wärmetauscherbereich und dem die Befeuchtungsfunktion bereitstellenden Befeuchtungsbereich erlaubt es, den ansonsten für die Rohrleitungen und Verbindungstechnik zum Verbinden der Rohrleitungen mit den genannten Komponenten vorzusehenden Aufwand zu minimieren. Des Weiteren ist lediglich am Eingang zum Wärmetauscherbereich eine Gleichverteilung des Betriebsmediums vorzusehen. Im Bereich der Separatorplatte liegt das Betriebsmedium dann in einer für das Abkühlen, das Befeuchten und die im Reaktionsbereich stattfindende Brennstoffzellenreaktion günstigen Verteilung vor.
Besonders einfach lassen sich von dem Betriebsmedium durchströmbare Strömungswege bereitstellen, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Separatorplatte in dem Wärmetauscherbereich, dem Befeuchtungsbereich und dem Reaktionsbereich in radialer Richtung bereichsweise offene Kanäle aufweist, welche durch Abdecken der Separatorplatte mit wenigstens einem Trennelement umfangsseitig verschließbar sind. Die Strömungskanäle werden dann im Zusammenwirken der Separatorplatte mit dem wenigstens einen Trennelement gebildet.
Das Einbringen entsprechend ausgestalteter, umfangsseitig bereichsweise offener Kanäle in die Separatorplatte lässt sich fertigungstechnisch besonders einfach realisieren.
Hierbei kann ein den Wärmetauscherbereich mit dem Befeuchtungsbereich fluidisch koppelnder Sammelraum vorgesehen sein, an welchen die in radialer Richtung bereichsweise offenen Kanäle des Wärmetauscherbereichs und des Befeuchtungsbereichs angeschlossen sind. Durch einen solchen Sammelraum, dessen Breite quer zur Strömungsrichtung des zumindest einen Betriebsmediums der Breite des Wärmetauscherbereichs einerseits und der Breite des Befeuchtungsbereichs andererseits bevorzugt im Wesentlichen gleich ist, ist ein strömungstechnisch besonders günstiger Übertritt des Betriebsmediums aus dem Wärmetauscherbereich in den Befeuchtungsbereich sichergestellt.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn stromabwärts des Befeuchtungsbereichs ein Strömungskanal angeordnet ist, dessen Längserstreckung in die Strömungsrichtung des zumindest einen Betriebsmediums durch den anschließenden Reaktionsbereich gesehen im Wesentlichen der Längserstreckung des Reaktionsbereichs entspricht. Dann wird nämlich der Reaktionsbereich über seine gesamte Länge ausgenutzt und so eine besonders gute Umsetzung des zumindest einen Betriebsmediums erreicht.
Vorteilhaft weist des Weiteren ein stromabwärts des Reaktionsbereichs angeordneter Sammelraum eine Länge auf, welche im Wesentlichen der Summe einer Breite des Reaktionsbereichs und des Befeuchtungsbereichs entspricht, wobei der Sammelraum an den Befeuchtungsbereich angrenzt. Dann kann nämlich aus dem Sammelraum zum Befeuchten des Betriebsmediums besonders einfach das Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion enthaltende Betriebsmedium in den Befeuchtungsbereich eingebracht werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem umfasst eine erste erfindungsgemäße Separatorplatte und eine zweite Separatorplatte, welche einen Befeuchtungsbereich zum Befeuchten des zumindest einen Betriebsmediums, einen mit einem weiteren Betriebsmedium beaufschlagbaren Reaktionsbereich und einen Wärmetauscherbereich umfasst. Hierbei ist der Wärmetauscherbereich zum Kühlen des zumindest einen zu befeuchtenden Betriebsmediums von einem Kühlmedium durchströmbar. Zwischen den beiden Separatorplatten ist wenigstens ein Trennelement angeordnet. Die beiden Separatorplatten weisen in Form des Wärmetauscherbereichs und des Befeuchtungsbereichs komplementäre Strukturen auf, so dass sich besonders einfach und bauraumsparend im Zusammenwirken mit dem wenigstens einen Trennelement Brennstoffzellen bereitstellen lassen.
Bevorzugt ist das wenigstens eine Trennelement in den Wärmetauscherbereichen für Wärme durchlässig, welche mittels des Kühlmediums abgeführt werden kann. In den Befeuchtungsbereichen ist das Trennelement für Feuchte durchlässig, und in Reaktionsbereichen ist das wenigstens eine Trennelement als Membran einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle ausgebildet. Es kann auch lediglich ein als Membran der Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle ausgebildetes Trennelement vorgesehen sein, um einen besonders einfachen Aufbau der Brennstoffzelle zu erreichen.
Bevorzugt ist jedoch die Beschaffenheit des Trennelements in den unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich und zwar an die jeweilige Funktion besonders gut angepasst. So kann die Membran in den Befeuchtungsbereichen Eigenschaften aufweisen, welche für einen besonderen guten Übertritt von Feuchte auf das zu befeuchtende Betriebsmedium sorgen, während in den Wärmetauscherbereichen ein besonders guter Übergang der von dem Betriebsmedium abzuführenden Wärme auf das Kühlmedium durch das Trennelement sichergestellt ist. Durch das Anordnen des Trennelements zwischen den beiden Separatorplatten kann besonders einfach auch die fluidische Kopplung zwischen dem Wärmetauscherbereich, dem Befeuchtungsbereich und dem Reaktionsbereich der ersten Separatorplatte sichergestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle weist das wenigstens eine Trennelement wenigstens einen Durchlass für ein im Betrieb der Brennstoffzelle Produktwasser enthaltendes Betriebsmedium auf, wobei über den wenigstens einen Durchlass der Befeuchtungsbereich der ersten Separatorplatte mit dem Befeuchtungsbereich der zweiten Separatorplatte fluidisch gekoppelt ist. Dadurch braucht kein gesondertes Befeuchtungsmedium vorgesehen zu werden. Vielmehr kann direkt das Betriebsmedium, welches das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser enthält, auf die feuchte Seite des Trennelements gelangen, also in den Befeuchtungsbereich der zweiten Separatorplatte, indem es durch den wenigstens einen Durchlass hindurch tritt.
Bevorzugt ist dieser wenigstens eine Durchlass stromabwärts des Reaktionsbereichs der ersten Separatorplatte angeordnet, sodass besonders viel Produktwasser auf die im Betrieb feuchte Seite des Trennelements transportiert werden kann.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Durchlass von einem zwischen dem Wärmetauscherbereich und dem Befeuchtungsbereich der ersten Separatorplatte angeordneten Sammelraum zu einem zwischen dem Befeuchtungsbereich und dem Reaktionsbereich der ersten Separatorplatte angeordneten Strömungskanal vorgesehen ist. Dann kann nämlich der Befeuchtungsbereich über diesen Durchlass umgangen werden, etwa wenn das Betriebsmedium andernfalls zu stark befeuchtet in den Reaktionsbereich gelangen würde. So kann die Feuchte des dem Reaktionsbereich zugeführten Betriebsmediums besonders gut eingestellt werden.
Dies gilt insbesondere, wenn der Durchlass mit einem Absperrelement ganz oder teilweise verschließbar ist. Als Absperrelement kann hierbei beispielsweise ein Schieber zum Einsatz kommen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Durchlass von einem zwischen dem Wärmetauscherbereich und dem Befeuchtungsbereich der ersten Separatorplatte angeordneten Sammelraum zu einem Auslass der Brennstoffzelle vorgesehen. So kann das Betriebsmedium direkt unter Umgehung des Befeuchtungsbereichs und des Reaktionsbereichs der ersten Separatorplatte dem Auslass zugeführt werden. Dies kann beispielsweise wünschenswert sein, wenn das Betriebsmedium mittels eines elektrisch angetriebenen Turboladers oder Verdichters in die Brennstoffzelle eingebracht wird und wenn ein besonders hoher Luftdurchsatz durch die Brennstoffzelle vorgesehen ist, welcher sich jedoch nicht im Reaktionsbereich und im Befeuchtungsbereich der ersten Separatorplatte bemerkbar machen soll.
Bei Vorsehen eines Turboladers, dessen Turbine von aus dem Auslass der Brennstoffzelle austretendem Betriebsmedium angetrieben wird, kann durch das Umgehen des Befeuchtungsbereichs und des Reaktionsbereichs der ersten Separatorplatte ein besonders verlustarmes Beaufschlagen der Turbine mit dem Betriebsmedium erreicht werden. Dies ist beispielsweise dann förderlich, wenn der Turbolader schnell auf eine hohe Verdichtungsleistung gebracht werden soll.
Auch hier ist es vorteilhaft, wenn der Durchlass mit einem Absperrelement, beispielsweise einem Schieber, vollständig oder bereichsweise abgesperrt werden kann.
Die Brennstoffzelle kann einen Abscheider für flüssiges Wasser aufweisen. Dieser Abscheider ist bevorzugt in einer Einbaulage der Brennstoffzelle in einem unteren Bereich derselben angeordnet, da sich dort flüssiges Wasser aufgrund der Schwerkraft ansammelt und so leicht abführen lässt. Der Abscheider kann insbesondere seitlich an der Brennstoffzelle angeordnet sein, und zwar an einer Stelle, an welcher üblicherweise das Betriebsmedium aus der Brennstoffzelle abgeführt wird. Hierbei kann der Abscheider insbesondere durch einen Auslasskanal für eines der Betriebsmedien bereitgestellt sein. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Auslasskanal einen vergleichsweise großen durchströmbaren Querschnitt aufweist, sodass sich in diesem eine besonders niedrige Strömungsgeschwindigkeiten einstellt und daraufhin das Abscheiden von Flüssigwasser erreichbar ist.
Insbesondere wenn die Brennstoffzelle so betrieben wird, dass am Ausgang des Reaktionsbereichs der ersten Separatorplatte vergleichsweise viel Flüssigwasser anfällt, kann die Brennstoffzelle eine Drainageöffnung zum Abführen des flüssigen Wassers aus der Brennstoffzelle aufweisen. So kann ein Fluten des Befeuchtungsbereichs mit Flüssigwasser besonders einfach vermieden werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn ein an den Reaktionsbereich der zweiten Separatorplatte für den Brennstoff angrenzender Strömungskanal als Spülkanal zum Abführen von teilverbrauchtem Brennstoff ausgebildet ist. Der teilweise verbrauchte Brennstoff, welcher auch als Purgegas bezeichnet wird, wird vorteilhaft von Zeit zu Zeit aus der Brennstoffzelle entfernt, damit nicht in dem – üblicherweise rezirkulierten – Brennstoff zu viele Verunreinigungen vorliegen, welche dann in den Reaktionsbereich gelangen könnten. Ein solcher Spülkanal kann insbesondere mit dem für das Oxidationsmittel vorgesehenen Ausgang der Brennstoffzelle gekoppelt sein. Um den Spülkanal lediglich dann zu nutzen, wenn dies für die Purgefunktion erwünscht ist, kann der Spülkanal mit einer, beispielsweise als Schieber ausgebildeten, Absperreinrichtung versehen sein.
Bevorzugt sind der Wärmetauscherbereich der ersten Separatorplatte zum Kühlen und der Befeuchtungsbereich der ersten Separatorplatte zum Befeuchten des Oxidationsmittels ausgebildet. Da das Oxidationsmittel nämlich üblicherweise verdichtet in die Brennstoffzelle eingebracht wird, ist hier das Abkühlen und das Befeuchten desselben in besonderem Maße von Nöten, um eine Schädigung der Membran der jeweiligen Brennstoffzelle zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen, welche einen Brennstoffzellenstapel bilden. Die Membran-Elektroden-Anordnung der jeweiligen Brennstoffzelle ist mit dem Brennstoff einerseits und mit dem Oxidationsmittel andererseits als Betriebsmedium beaufschlagbar. In dem Brennstoffzellenstapel sind die Wärmetauscherbereiche, die Befeuchtungsbereiche und die Reaktionsbereiche der jeweiligen Brennstoffzellen miteinander fluchtend angeordnet. So lassen sich besonders leicht Zuleitungen und Ableitungen für den Brennstoff und das Oxidationsmittel sowie für ein in den Wärmetauscherbereich einzubringendes Kühlmedium realisieren.
Dies gilt insbesondere, wenn die Wärmetauscherbereiche, die Befeuchtungsbereiche und die Reaktionsbereiche jeweils bündig miteinander abschließend in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind.
Je nach Anzahl der den Wärmetauscherbereich, den Befeuchtungsbereich und den Reaktionsbereich aufweisenden Brennstoffzellen je Brennstoffzellenstapel kann hierbei besonders einfach die von dem Brennstoffzellensystem bereitzustellende elektrische Leistung eingestellt werden. Es brauchen also nicht an die jeweilige Gesamtfläche der Reaktionsbereiche angepasste Befeuchter oder Wärmetauscher bereitgestellt zu werden, da diese in die stapelbaren Brennstoffzellen integriert sind. So lässt sich das Brennstoffzellensystem besonders einfach hinsichtlich unterschiedlicher Leistungsklassen skalieren.
Die für die erfindungsgemäße Separatorplatte und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 in einer Draufsicht eine kathodenseitige Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte einen Wärmetauscherbereich, einen Befeuchtungsbereich und einen Reaktionsbereich für die der Brennstoffzelle zugeführte Luft aufweist;
2 in einer Draufsicht eine anodenseitige Bipolarplatte, welche einen Wärmetauscherbereich für das Kühlen der Luft, einen Befeuchtungsbereich für das Befeuchten der Luft und einen Reaktionsbereich für den Brennstoff aufweist;
3 einen Brennstoffzellen mit den beiden Bipolarplatten gemäß 1 und 2 aufweisenden Brennstoffzellenstapel, wobei der Strömungsweg der Luft durch diesen dargestellt ist;
4 den Brennstoffzellenstapel gemäß 3, wobei der Strömungsweg des Befeuchtungsmediums und eines Kühlmediums durch diesen dargestellt ist; und
5 den Brennstoffzellenstapel gemäß 3, wobei die jeweiligen Einlässe und Auslässe für die Luft sowie das Kühlmedium dargestellt sind.
In 1 und 2 sind Separatorplatten für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs gezeigt. Da über diese Separatorplatten benachbarte Brennstoffzellen zusammengeschaltet sind, werden solche Separatorplatten auch als bipolare Separatorplatten oder Bipolarplatten bezeichnet.
1 zeigt die kathodenseitige oder luftseitige Bipolarplatte 10, welche einen auch als Flow Field bezeichneten Reaktionsbereich 12 für die Luft aufweist. In dem Reaktionsbereich 12 findet die Brennstoffzellenreaktion statt. Stromaufwärts des Reaktionsbereichs 12 ist ein Befeuchtungsbereich 14 vorgesehen, in welchem das dem Reaktionsbereich 12 zugeführte Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, befeuchtet wird. Dem Befeuchtungsbereich 14 ist wiederum ein Wärmetauscherbereich 16 vorgeschaltet, in welchem die der Brennstoffzelle zugeführte Zuluft gekühlt wird. Die Zuluft tritt hierbei über einen Lufteinlasskanal 18 in den Wärmetauscherbereich 16 ein.
In dem Wärmetauscherbereich 16 weist die Bipolarplatte 10 Vertiefungen auf, durch welche Strömungskanäle für die Luft bereitgestellt sind. In 1 geben Strömungspfeile 20 den im Wesentlichen linearen Weg der Luft durch diese im Wärmetauscherbereich 16 bereitgestellten Kanäle an. Zwischen dem Wärmetauscherbereich 16 und dem Befeuchtungsbereich 14 ist ein als Strömungskanal wirkender Sammelraum oder Zwischenraum 22 vorgesehen, in welchen die gekühlte Luft eintritt, bevor sie in den Befeuchtungsbereichs 14 gelangt. Dieser Sammelraum 22 erstreckt sich über die Breite des Wärmetauscherbereichs 16 und des Befeuchtungsbereichs 14, so dass die Luft strömungstechnische besonders günstig in den Befeuchtungsbereich 14 übertreten kann.
Auch im Befeuchtungsbereich 14 veranschaulichen Strömungspfeile 24 den im Wesentlichen linearen Weg der zu befeuchtenden Luft. Durch Rippen oder Stege der Bipolarplatte 10 ist zwischen dem Reaktionsbereich 12 einerseits und dem Wärmetauscherbereich 16 sowie dem Befeuchtungsbereich 14 andererseits ein Strömungskanal 26 gebildet, über welchen die gekühlte und befeuchtete Luft in den Reaktionsbereich 12 gelangt. Auch im Reaktionsbereich 12 veranschaulichen Strömungspfeile 28 den im Wesentlichen linearen Weg der befeuchteten Luft durch die in diesem durch Vertiefungen in der Bipolarplatte 10 bereitgestellten Strömungskanäle.
Entsprechend den Strömungspfeilen 20, 24 ändert sich zwischen dem Wärmetauscherbereich 16 und dem Befeuchtungsbereich 14 die Strömungsrichtung der Luft nicht. Stromabwärts des Befeuchtungsbereichs 14 wird die Luft dann einmal um 180° umgelenkt, um in den Strömungskanal 26 zu gelangen. In einem Endbereich des Strömungskanals 26 erfolgt eine erneute Umlenkung um 180°, woraufhin die Luft in den Reaktionsbereich 12 einströmt und diesen dann entsprechend dem Strömungspfeil 28 durchströmt.
In einem stromabwärts des Reaktionsbereiches 12 ausgebildeten Sammelraum oder Sammelkanal 30 liegt im Betrieb der Brennstoffzelle Luft mit Produktwasser vor, welches durch die im Reaktionsbereich 12 stattfindende Brennstoffzellenreaktion gebildet wurde. Der Sammelkanal 30 weist eine Länge auf, welche der Summe der Breite des Reaktionsbereichs 12 und des Befeuchtungsbereichs 14 entspricht. Der Wärmetauscherbereich 16, der Befeuchtungsbereich 14 und der Reaktionsbereich 12 weisen vorliegend in der Draufsicht jeweils eine Rechteckform auf, so dass sie sich besonders gut im Bereich der insgesamt ebenfalls rechteckigen Bipolarplatte 10 unterbringen lassen.
Umfangsseitig geschlossene Strömungskanäle für die Luft im Wärmetauscherbereich 16, im Befeuchtungsbereich 14 und im Reaktionsbereich 12 werden im Zusammenwirken der kathodenseitigen Bipolarplatte 10 mit einer (nicht gezeigten) Membran gebildet, welche zwischen dieser kathodenseitigen Bipolarplatte 10 und einer anodenseitigen Bipolarplatte 32 (vergleiche 2) angeordnet ist. Diese Membran ist im Reaktionsbereich 12 bevorzugt als mit einer Katalysatorschicht versehene Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet und im Befeuchtungsbereich 14 als Membran eines Membranbefeuchters.
An einem dem Befeuchtungsbereich 14 nahen Ende des Sammelkanals 30 weist die Membran wenigstens einen Durchlass 34 auf, über welchen die das Produktwasser enthaltende Luft auf die Anodenseite der Membran gelangen kann. Entsprechend ist auch im Bereich der anodenseitigen Bipolarplatte 32 (vergleiche 2) ein Befeuchtungsbereich 36 ausgebildet, durch welchen die der Befeuchtung der Zuluft dienende Abluft der kathodenseitigen Bipolarplatte 10 strömt. Stromabwärts dieses Befeuchtungsbereichs 36 der anodenseitigen Bipolarplatte 32 ist ein Luftauslasskanal 38 vorgesehen.
In einem Wärmetauscherbereich 40 der anodenseitigen Bipolarplatte 32 bildet die Bipolarplatte 32 ebenfalls im Zusammenwirken mit der Membran Strömungskanäle für ein Kühlmedium, beispielsweise für Kühlwasser. Entsprechend sind im Wärmetauscherbereich 40 der anodenseitigen Bipolarplatte 32 ein Einlass 42 und ein Auslass 44 für das Kühlmittel vorgesehen. Vorliegend wird das Kühlmittel im Gegenstrom zu der Luft geführt, es kann jedoch auch eine der Strömungsrichtung der Luft durch den Wärmetauscherbereich 16 der kathodenseitigen Bipolarplatte 10 gleichgerichtete Strömung des Kühlmittels durch den Wärmetauscherbereich 40 der anodenseitigen Bipolarplatte 32 vorgesehen sein.
Auch die anodenseitige Bipolarplatte 32 weist einen Reaktionsbereich 46 auf, durch welchen der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, strömt. Entsprechend sind in der anodenseitigen Bipolarplatte 32 ein Einlasskanal 48 und ein Auslasskanal 50 für den Brennstoff vorgesehen. Die Wärmetauscherbereiche 16, 40, die Befeuchtungsbereiche 14, 36 und die Reaktionsbereiche 12, 46 der beiden Bipolarplatten 10, 32 weisen jeweils miteinander korrespondierende Größen auf, so dass sie im aufeinandergestapelten Zustand der beiden Bipolarplatten 10, 32 sich jeweils überdecken. In der anodenseitigen Bipolarplatte 32 sind jedoch der Wärmetauscherbereich 40, der Befeuchtungsbereich 36 und der Reaktionsbereich 46 jeweils fluidisch voneinander getrennt.
Wenn der Befeuchtungsbereich 14 der kathodenseitigen Bipolarplatte 10 umgangen werden soll, kann ein Bypass in Form eines Durchlasses 52 vorgesehen sein, welcher von dem Zwischenraum 22 zwischen dem Wärmetauscherbereich 16 und dem Befeuchtungsbereich 14 direkt zu dem Strömungskanal 26 führt. Dieser Durchlass 52, welcher insbesondere mittels eines Schiebers bei Bedarf freigegeben werden kann, kann benutzt werden, wenn andernfalls eine zu starke Befeuchtung der Luft zu befürchten wäre.
Ein weiterer optionaler Durchlass 54 in der Membran ermöglicht es, die Luft aus dem Zwischenraum 22 direkt in den Luftauslasskanal 38 einzubringen. Durch diesen Durchlass 54 ist also ein Bypass sowohl um den Befeuchtungsbereich 14 als auch um den Reaktionsbereich 12 bereitgestellt.
Zum Abführen von Wärme aus den Reaktionsbereichen 12, 46 können weitere Kanäle vorgesehen sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Kühlmittel, welches dem Kühlen der Zuluft in dem Wärmetauscherbereich 16 dient, auch zum Kühlen der Reaktionsbereiche 12, 46 zu benutzen. Der Wärmetauscherbereich 16, 40 einer die beiden Bipolarplatten 10, 32 umfassenden Brennstoffzelle 60 (vergleiche 3) ist vorliegend nach Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet, welcher im Gegenstrom betrieben wird. Ebenso ist der Befeuchtungsbereich 14, 36 der die beiden Bipolarplatten 10, 32 umfassenden Brennstoffzelle 60 vorliegend nach Art eines Plattenbefeuchters ausgebildet, welcher im Gegenstrom betrieben wird.
Bevorzugt wird ein die Bipolarplatten 10, 32 aufweisender Brennstoffzellenstapel 56 (vgl. 3) im Reaktionsbereich 12 von oben nach unten von der Luft durchströmt. Dann sammelt sich nämlich das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser in einem unteren Bereich 58 des Brennstoffzellenstapels 56. Von hier kann flüssiges Produktwasser besonders leicht aus dem Brennstoffzellenstapel 56 ausgeleitet werden.
In 3 ist das Eintreten der mittels eines Verdichters verdichteten und daher warmen Zuluft in die einzelnen Brennstoffzellen 60 des Brennstoffzellenstapels 56 durch Strömungspfeile 62 veranschaulicht. Des Weiteren veranschaulichen die Strömungspfeile 20, 24, 28 den Weg der Luft durch den jeweiligen Wärmetauscherbereich 16, Befeuchtungsbereich 14 und Reaktionsbereich 12 der kathodenseitigen Bipolarplatten 10 einzelnen Brennstoffzellen 60.
In 4 veranschaulichen zudem Strömungspfeile 64 den Weg der Feuchte enthaltenden Abluft der Reaktionsbereiche 12 der kathodenseitigen Bipolarplatten 10 durch die Befeuchtungsbereiche 36 der anodenseitigen Bipolarplatten 32 der einzelnen Brennstoffzellen 60. Des Weiteren veranschaulichen Strömungspfeile 66 den Weg des Kühlmittels durch die Wärmetauscherbereiche 40 der anodenseitigen Bipolarplatten 32 im Gegenstrom zu der Zuluft.
Aus 5 geht besonders gut hervor, dass die Wärmetauscherbereiche 16, 40 der durch die Bipolarplatten 10, 32 im Zusammenwirken mit der Membran gebildeten Brennstoffzellen 60 einen Stapel bilden, in welchem die Wärmetauscherbereiche 16, 40 miteinander fluchten. Hierbei liegen die Einlässe 42 und Auslässe 44 für das Kühlmittel in einer Hochrichtung Z des Brennstoffzellenstapels 56 auf jeweils gleichen Höhen, und auch die Lufteinlasskanäle 18 in die einzelnen Brennstoffzellen 60 sind in einer Reihe angeordnet. Dasselbe gilt für die Luftauslasskanäle 38.
Auch die jeweiligen Befeuchtungsbereiche 14, 36 fluchten in eine Längsrichtung Y des Brennstoffzellenstapels 56 miteinander. Dasselbe gilt für die Reaktionsbereiche 12, 46, wobei in der Ansicht in 5 lediglich der Reaktionsbereich 12 für die Zuluft gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

10: Bipolarplatte
12: Reaktionsbereich
14: Befeuchtungsbereich
16: Wärmetauscherbereich
18: Lufteinlasskanal
20: Strömungspfeil
22: Zwischenraum
24: Strömungspfeil
26: Strömungskanal
28: Strömungspfeil
30: Sammelkanal
32: Bipolarplatte
34: Durchlass
36: Befeuchtungsbereich
38: Luftauslasskanal
40: Wärmetauscherbereich
42: Einlass
44: Auslass
46: Reaktionsbereich
48: Einlass
50: Auslass
52: Durchlass
54: Durchlass
56: Brennstoffzellenstapel
58: Bereich
60: Brennstoffzelle
62: Strömungspfeil
64: Strömungspfeil
66: Strömungspfeil
Z: Hochrichtung
Y: Längserstreckungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0233443 A1 [0002]
US 5683828 A [0007]

Claims

Separatorplatte für eine Brennstoffzelle (60) eines, insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehenen, Brennstoffzellensystems, mit einem Befeuchtungsbereich (14) zum Befeuchten zumindest eines einen Brennstoff oder ein Oxidationsmittel umfassenden Betriebsmediums für die Brennstoffzelle (60) und mit einem stromabwärts des Befeuchtungsbereichs (14) angeordneten mit dem befeuchteten Betriebsmedium beaufschlagbaren Reaktionsbereich (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (10) einen stromaufwärts des Befeuchtungsbereichs (14) angeordneten Wärmetauscherbereich (16) umfasst, welcher zum Kühlen des zumindest einen zu befeuchtenden Betriebsmediums ausgelegt ist.
Separatorplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (10) in dem Wärmetauscherbereich (16), dem Befeuchtungsbereich (14) und dem Reaktionsbereich (12) in radialer Richtung bereichsweise offene Kanäle aufweist, welche durch Abdecken der Separatorplatte (10) mit wenigstens einem Trennelement umfangsseitig verschließbar sind.
Separatorplatte nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen den Wärmetauscherbereich (16) mit dem Befeuchtungsbereich (14) fluidisch koppelnden Sammelraum (22), an welchen die in radialer Richtung bereichsweise offenen Kanäle angeschlossen sind.
Separatorplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen stromabwärts des Befeuchtungsbereichs (14) angeordneten Strömungskanal (26), dessen Längserstreckung in die Strömungsrichtung des zumindest einen Betriebsmediums durch den anschließenden Reaktionsbereich (12) gesehen im Wesentlichen der Längserstreckung des Reaktionsbereichs (12) entspricht.
Separatorplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärts des Reaktionsbereichs (12) angeordneter Sammelraum (30) eine Länge aufweist, welche im Wesentlichen der Summe einer Breite des Reaktionsbereichs (12) und des Befeuchtungsbereichs (14) entspricht, wobei der Sammelraum (30) an den Befeuchtungsbereich (14) angrenzt.
Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer ersten Separatorplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und mit einer zweiten Separatorplatte (32), welche einen Befeuchtungsbereich (36) zum Befeuchten des zumindest einen Betriebsmediums, einen mit einem weiteren Betriebsmedium beaufschlagbaren Reaktionsbereich (46) und einen Wärmetauscherbereich (40) umfasst, welcher zum Kühlen des zumindest einen zu befeuchtenden Betriebsmediums von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei zwischen den beiden Separatorplatten (10) wenigstens ein Trennelement angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Trennelement in den Wärmetauscherbereichen (16, 40) für mittels des Kühlmediums abführbare Wärme und in den Befeuchtungsbereichen (14, 36) für Feuchte durchlässig sowie in den Reaktionsbereichen (12, 46) als Membran einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle (60) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Trennelement wenigstens einen Durchlass (34) für ein im Betrieb der Brennstoffzelle (60) Produktwasser enthaltendes Betriebsmedium aufweist, wobei über den wenigstens einen Durchlass (34) der Befeuchtungsbereich (14) der ersten Separatorplatte (10) mit dem Befeuchtungsbereich (36) der zweiten Separatorplatte (32) fluidisch gekoppelt ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen, insbesondere mit einem Absperrelement verschließbaren, Durchlass (52) von einem zwischen dem Wärmetauscherbereich (16) und dem Befeuchtungsbereich (14) der ersten Separatorplatte (10) angeordneten Sammelraum (22) zu einem zwischen dem Befeuchtungsbereich (14) und dem Reaktionsbereich (12) der ersten Separatorplatte (10) angeordneten Strömungskanal (26) und/oder einen, insbesondere mit einem Absperrelement verschließbaren, Durchlass (54) von einem zwischen dem Wärmetauscherbereich (16) und dem Befeuchtungsbereich (14) der ersten Separatorplatte (10) angeordneten Sammelraum (22) zu einem Auslass (38) der Brennstoffzelle (60).
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch – einen, insbesondere durch einen Auslasskanal (38) für eines der Betriebsmedien bereitgestellten, Abscheider für flüssiges Wasser und/oder – eine Drainageöffnung zum Abführen von flüssigem Wasser aus der Brennstoffzelle (60).
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Reaktionsbereich (46) der zweiten Separatorplatte (46) für den Brennstoff angrenzender Strömungskanal als, insbesondere mit einer Absperreinrichtung versehener, Spülkanal zum Abführen von teilverbrauchtem Brennstoff ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (60) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 umfassenden Brennstoffzellenstapel (56), wobei die Membran-Elektroden-Anordnung der jeweiligen Brennstoffzelle (60) mit dem Brennstoff einerseits und dem Oxidationsmittel andererseits als Betriebsmedium beaufschlagbar ist, und wobei die Wärmetauscherbereiche (16, 40), die Befeuchtungsbereiche (14, 36) und die Reaktionsbereiche (12, 46) der jeweiligen Brennstoffzellen (60) in dem Brennstoffzellenstapel (56) miteinander fluchtend angeordnet sind.