DE102015215231A1 - Bipolarplatte sowie Brennstoffzellensystem mit einer solchen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten (10) aufweisend, die jeweils zwei profilierte Separatorplatten (12, 14) besitzen, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (16) sowie zwei Verteilerbereiche (18, 20) zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmittel zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (16), wobei die Separatorplatten (12, 14) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte (10) separate Kanäle (28, 30, 32) für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports (22, 24, 26) für Reaktionsgase und Kühlmittel beider Verteilerbereiche (18, 20) miteinander verbinden, wobei die Kanäle (28, 30) für die Reaktionsgase jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte (12, 14) und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht (58) begrenzt werden. Es ist vorgesehen, dass ein Kanal (28) für ein Reaktionsgas in einem Eintrittsbereich (40) des aktiven Bereichs (16) eine undurchlässige erste Trennplatte (38) aufweist, die den Kanal (28) in zwei Volumenbereiche teilt und sich in Strömungsrichtung (42) erstreckt, wobei nur ein Volumenbereich des Kanals (28) der Gasdiffusionsschicht (58) benachbart ist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Brennstoffzellensystem einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweisend.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend, die jeweils zwei profilierte Separatorplatten besitzen, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmittel zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Separatorplatten derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte separate Kanäle für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports für Reaktionsgase und Kühlmittel beider Verteilerbereiche miteinander verbinden, wobei die Kanäle für die Reaktionsgase jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht begrenzt werden, sowie ein Brennstoffzellensystem.
  • 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 O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
  • Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit, sicherstellt. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. Des Weiteren gewährleisten sie eine dichte Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum.
  • Die Bipolarplatten sind zumeist aus zwei profilierten elektrisch leitfähigen Separatorplatten aufgebaut, welche eine Struktur in Form eines beiderseits der Platten angeordneten Höhenprofils aufweisen. Durch dieses Profil ergeben sich beiderseits der Platten mehr oder weniger diskrete Kanäle, die ausgebildet sind, die Betriebsmedien zu führen. Die Betriebsmedien sind wiederum durch die Platten voneinander getrennt, sodass im Inneren der Platte das Kühlmittel geführt wird, während außerhalb die Reaktandengase geführt werden. Die Kanäle der Reaktandengase sind zum einen von der jeweiligen Platte und zum anderen von einer Gasdiffusionsschicht begrenzt.
  • Zur Steuerung des Wasserhaushaltes hinsichtlich der Reaktionsgase in den Bipolarplatten zur Erhöhung von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Lebensdauer der Brennstoffzelle ist unter anderem in der WO 2012/143781 A1 (Toyota) und US 20090197134 A1 (Daimler) vorgeschlagen worden, in den Kanal für das zu befeuchtende Reaktionsgas eine Vielzahl von Metallstreifen aus Titan einzubríngen, was jedoch teuer und auch aufwendig in der Herstellung ist, da diese schwer zu fixieren und zu positionieren sind, beziehungsweise eine gelochte Metallplatte in den Kanal einzubringen, was ebenfalls teuer und aufwendig in der Herstellung ist. Zudem lassen sich diese Lösungen nicht in Kombination mit grafitischen Bipolarplatten anwenden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend bereitzustellen, der in einfacher Weise eine Steuerung des Wasserhaushaltes der Reaktionsgase ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten aufweisend, die jeweils zwei profilierte Separatorplatten besitzen, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmitteln zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Separatorplatten derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte separate Kanäle für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports für Reaktionsgase und Kühlmittel beider Verteilerbereiche miteinander verbinden, wobei die Kanäle für die Reaktionsgase jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht begrenzt werden, gelöst, wobei erfindungsgemäß die Kanäle für ein Reaktionsgas in einem Eintrittsbereich des aktiven Bereichs eine undurchlässige erste Trennplatte aufweisen, die die Kanäle jeweils in zwei Volumenbereiche teilt und sich in Strömungsrichtung erstreckt, wobei nur ein Volumenbereich der Kanäle der Gasdiffusionsschicht benachbart ist.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Kanäle für beide Reaktionsgase jeweils mit einer Trennplatte ausgerüstet sein. Diese unterscheiden sich vorzugsweise, da durch die unterschiedlichen Reaktionsgase sich auch unterschiedliche Anforderungen an deren Ausgestaltung ergeben.
  • Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird vorteilhafterweise erreicht, dass aufgrund der undurchlässigen Trennplatte das durch die Gasdiffusionsschicht hindurchtretende Wasser nur einen Teil des Reaktionsgases befeuchtet. Dieser Teil befindet sich naturgemäß in dem Bereich des Kanals, der an die Gasdiffusionsschicht angrenzt. So wird ein höherer Befeuchtungsgrad des Reaktionsgases im Eintrittsbereich erzielt, da nur ein geringerer Volumenstrom als üblich befeuchtet werden muss. So kann vermieden werden, dass das Reaktionsgas im Eintrittsbereich zu trocken für eine optimale Umsetzung ist.
  • Als Port sind vorliegend insbesondere Öffnungen in der Bipolarplatte zu verstehen, welche in einem Brennstoffzellenstapel den Stapel durchsetzende Kanäle zur Führung von Betriebsmedien ergeben.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brennstoffzellenstapels eignet sich vorteilhafterweise für den Einsatz von metallischen oder grafitischen Bipolarplatten.
  • Vorzugsweise erstreckt sich die Trennplatte über nicht mehr als die Hälfte der Länge der Kanäle für das Reaktionsgas, da nach dieser Strecke üblicherweise eine ausreichende Befeuchtung des Reaktionsgases gegeben ist.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind in den Kanälen zumindest eine weitere undurchlässige Trennplatte, vorzugsweise 2 bis 4, besonders bevorzugt 2 bis 3 Trennplatten angeordnet. Diese weisen zueinander jeweils einen Abstand auf, sodass an dieser Stelle eine Durchmischung der beiden Volumenströme des Reaktionsgases erfolgen kann, um eine zu starke Befeuchtung des Reaktionsgases sowie eine zu starke Verarmung des Reaktanden aufgrund der stattfindenden elektrochemischen Reaktionen zu vermeiden. Nach dem Abstand beziehungsweise der Lücke zwischen zwei Trennplatten kann der Befeuchtungsgrad wieder ansteigen, bevor er durch die nächste Lücke wieder heruntergeregelt wird. So kann über die gesamte Länge der Kanäle eine relativ gleichmäßige Befeuchtung erzielt werden. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Trennplatten ist so zu wählen, dass eine Vermischung beider Volumenströme stattfinden kann. Der Abstand sollte aus diesem Grund ein Vielfaches der Kanaltiefe betragen.
  • Ein entsprechender Effekt kann dadurch erzielt werden, dass die folgenden Trennplatten vorzugsweise eine geringere Länge aufweisen als die jeweils vorhergehende Trennplatte.
  • Um keine Druckdifferenzen im Kanal hervorzurufen, ist die zumindest eine Trennplatte vorzugsweise parallel zur Gasdiffusionsschicht ausgerichtet.
  • Die Ausgestaltung der zumindest einen Trennplatte für die Kanäle hängt von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Brennstoffzellensystems ab.
  • Die Querschnitte der beiden Volumenbereiche können verschieden sein. Wichtig ist eine den Auslegungszielen entsprechende Ausführung der Form und Länge der zumindest einen Trennplatte, unter Berücksichtigung von Feuchteverlauf, Druckverlusten und Reaktandenverbrauch. Dabei ist zu beachten, dass je weniger Volumenstrom in dem zur Gasdiffusionsschicht GDL benachbarten Volumenbereich fließt, desto kürzer muss der durch die Trennplatte geteilte Kanalabschnitt sein.
  • So kann die zumindest eineTrennplatte plan oder räumlich ausgeformt sein, um die Volumenbereiche in gewünschter Weise zu gestalten beziehungsweise zu dimensionieren. Zu beachten ist dabei, dass die Volumenströme nicht zu klein ausgebildet werden sollten. Zudem ist die Höhe des Volumenbereiches, der an die Gasdiffusionsschicht angrenzt, möglichst hoch zu bemessen, da sich die jeweilige Separatorplatte bis zu einem gewissen Grad in diese eindrückt, sodass sich die Höhe des Volumenbereiches wieder verringern kann.
  • Verschiedene Ausführungsformen der zumindest einen Trennplatte werden nachstehend in den Figuren beispielhaft dargestellt.
  • Entsprechend kann auch zumindest eine Separatorplatte ausgeformt werden, sodass sich im Zusammenwirken mit der Ausgestaltung der zumindest einen Trennplatte weitere Möglichkeiten zur Einstellung der Volumenströme des oder der Reaktionsgase (mit unterschiedlichem Wassergehalt) und eines Kühlmittels ergeben.
  • Zudem wird es bevorzugt, dass die Kanäle vorwiegend gradlinig verlaufen, um unerwünschte Verwirbelungen des Reaktionsgases zu unterbinden, die eventuell eine gleichmäßige Befeuchtung beeinträchtigen könnten.
  • Bevorzugt ist es, die Kanäle für den Transport eines Kathodengases erfindungsgemäß auszugestalten. Eine derartige Ausgestaltung kann auch für die Kanäle für den Transport von Anodengas vorteilhaft sein. Auch können erfindungsgemäß alle Kanäle, das heißt für den Kathoden- und Anodengastransport, derart beschaffen sein.
  • Beansprucht wird zudem ein Brennstoffzellenstapel umfassend eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Bipolarplatten sowie eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten, wobei die Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd aufeinander gestapelt sind.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei den in den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln verwendeten Membranen um Polymerelektrolytmembranen.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann für mobile oder stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere dient sie der Stromversorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Fahrzeugs. Somit ist auch Gegenstand der Erfindung ein Brennstoffzellensystem erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel aufweisend sowie ein Fahrzeug mit einem solchen System.
  • Eine Bipolarplatte des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels hat insbesondere den Vorteil, dass aufgrund der Geradlinigkeit der Kathodenkanäle ein Wasseraustrag begünstigt ist und somit eine Verstopfung von Kathodenkanälen infolge einer Wasseransammlung weitestgehend oder vollständig unterbunden wird. Ferner sind aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung alle Kathodenkanäle gleich lang. Dies begünstigt wiederum eine homogene Verteilung des Drucks und Volumenstroms von Reaktionsgasen.
  • Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist mit Vorteil eine optimierte Druckverteilung mit niedrigem Druckverlust der Betriebsmedien, insbesondere des Kühlmittels, über die einzelnen Bipolarplatten aber auch über den gesamten Brennstoffzellenstapel auf.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Ansicht den erfindungsgemäßen Aufbau einer Bipolarplatte für den Brennstoffzellenstapel,
  • 2 in schematischen Ansichten den Aufbau einer Bipolarplatte nach dem Stand der Technik und den Verlauf des Wasseranteils innerhalb eines Kanals für ein Reaktionsgas,
  • 3 in schematischen Ansichten den Aufbau einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte und den Verlauf des Wasseranteils innerhalb eines Kanals für ein Reaktionsgas,
  • 4 in schematischen Ansichten den Aufbau einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach einer anderen Ausführungsform und den Verlauf des Wasseranteils innerhalb eines Kanals für ein Reaktionsgas,
  • 5 in einer schematischen geschnittenen Ansicht den Aufbau einer metallischen Bipolarplatte nach dem Stand der Technik oder einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte im ungeteilten Bereich des Kanals für ein Reaktionsgas,
  • 6 bis 11 in schematischen geschnittenen Ansichten den Aufbau verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer metallischer Bipolarplatten,
  • 12 in einer schematischen geschnittenen Ansicht den Aufbau einer grafitischen Bipolarplatte nach dem Stand der Technik oder einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte im ungeteilten Bereich des Kanals für ein Reaktionsgas, und
  • 13 bis 16 in schematischen geschnittenen Ansichten den Aufbau verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer grafitischer Bipolarplatten.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete Bipolarplatte 10 für einen erfindungsgemäßen, nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel dargestellt.
  • Die Bipolarplatte 10 weist zwei profilierte Separatorplatten 12, 14 auf, die gemeinsam einen aktiven Bereich 16 ausbilden, an den beidseitig Verteilerbereiche 18, 20 angrenzen, die jeweils zwei Ports 22, 24 für Reaktionsgase und einen Port 26 für ein Kühlmittel aufweisen, worüber dem aktiven Bereich 16 die Reaktionsgase und das Kühlmittel zugeleitet werden.
  • In der Bipolarplatte 10 verlaufen separate Kanäle 28, 30, 32 für die Reaktionsgase und das Kühlmittel, die erst in nachfolgenden 5 bis 16 genauer dargestellt sind. Lediglich die Kanäle 28 für ein Reaktionsgas sind durch eine verstärkte Linie symbolisiert.
  • Der aktive Bereich 16 ist wiederum in zwei Teilbereiche 34, 36 gegliedert, wobei in einem Teilbereich 34 die Kanäle 28 für eins der Reaktionsgase mit einer in 1 nicht ersichtlichen Trennplatte 38 versehen sind, wobei dieser Teilbereich 34 dem Eingangsbereich 40 des entsprechenden Reaktionsgases in dem aktiven Bereich 16 entspricht.
  • 2 zeigt eine Bipolarplatte 10, die der aus 1 insoweit entspricht, als diese die hinsichtlich des aktiven Bereichs 16 dem Teilbereich 36 gleicht, das heißt, dass keine Trennplatte vorgesehen ist. Zudem zeigt 2 einen Längsschnitt durch einen der Kanäle 28 für ein Reaktionsgas, wobei die Strömungsrichtung 42 durch einen Pfeil angegeben wird. Von einer Seite 44 der Kanäle 28, die, wie nachfolgend noch erläutert wird, an eine Gasdiffusionsschicht grenzt, dringt Produktwasser 46, durch Pfeile symbolisiert, in diesen ein, sodass das Reaktionsgas befeuchtet wird. Der Wasseranteil im Reaktionsgas (H2O/Vol.) wird in einem Diagramm der 2 durch eine Kurve 48 in Relation zur Länge l des aktiven Bereichs 16 dargestellt. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass das Reaktionsgas mit einem geringen Wasseranteil in den aktiven Bereich 16 eintritt und im Verlauf des Durchströmens des aktiven Bereichs 16 ständig Wasser aufnimmt, sodass der Wasseranteil des Reaktionsgases bis zum Verlassen des aktiven Bereichs 16 kontinuierlich ansteigt.
  • 3 stellt ebenfalls den Wassereintrag in die Kanäle 28 für ein Reaktionsgas dar, jedoch am Beispiel der erfindungsgemäß ausgestalteten Bipolarplatte 10 gemäß 1. Im Längsschnitt der 3 durch einen der Kanäle 28 für ein Reaktionsgas wird die Strömungsrichtung 42 durch einen Pfeil angegeben. Von einer Seite 44 des Kanals 28, die an eine Gasdiffusionsschicht grenzt, dringt Produktwasser 46, durch Pfeile symbolisiert, in diesen ein, sodass das Reaktionsgas befeuchtet wird. Der Wasseranteil im Reaktionsgas (H2O/Vol.) wird in einem Diagramm der 2 durch eine Kurve 48 in Relation zur Länge l des aktiven Bereichs 16 dargestellt. Das Reaktionsgas tritt mit einem geringen Wasseranteil in den aktiven Bereich 16 ein, wobei sich durch die Trennplatte 38 im Eingangsbereich 40 des aktiven Bereichs 16 eine Aufspaltung der Kurve 48 ergibt. So ist eine Teilkurve 48a gegeben, die dem Bereich 50 des Kanals 28 zuzuordnen ist, in den das Produktwasser 46 eindringt. Der andere Bereich 52 des Kanals 28 zeigt einen Kurvenverlauf gemäß Teilkurve 48b (gestrichelt gezeichnet). Während die Teilkurve 48a des Bereich 50, in den Produktwasser 46 eindringt, einen steileren Verlauf zeigt als die vergleichbare Kurve 48 der 2, verbleibt der Wassergehalt gemäß Kurve 48b des anderen Bereichs 52 auf gleichbleibenden Niveau, da hier keine zusätzliche Befeuchtung durch Produktwasser 46 auftritt. Hingegen erklärt sich der steile Verlauf der Kurve 48a, dadurch dass eine identische Menge Produktwasser 46 durch die Trennplatte 38 in ein geringeres Volumen des Reaktionsgases eindringt und sich so ein höherer Wassergehalt ergibt. Sobald das Reaktionsgas n der Kanäle 28 die Trennplatte 38 hinter sich lässt, vereinigen sich die Teilkurve 41a und 48b rasch, da sich der Wassergehalt im gesamten Volumen des Reaktionsgases verteilt. Nachfolgend zeigt die Kurve 48 wieder einen kontinuierlichen Anstieg des Wassergehaltes.
  • 4 zeigt den Wassereintrag in die Kanäle 28 bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. So weisen die Kanäle 28 für ein Reaktionsgas eine zweite Trennplatte 54 auf, die einen Abstand 56 zur ersten Trennplatte 38 besitzt. Es werden wieder die Bipolarplatte 10 in schematischer Aufsicht, im Längsschnitt und eine Kurve des Wassergehalts in Relation zur Länge des aktiven Bereichs dargestellt. Für sich wiederholende Bezugszeichen wird auf die vorangegangenen Figuren Bezug genommen. Der Kurvenverlauf 48, 48a, 48b entspricht in Strömungsrichtung 42 bis nach der Trennplatte 38 dem in 3. Anschließend erfolgt wiederum die Vereinigung der beiden Teilkurven 48a, 48b. Sobald das Reaktionsgas zu der zweiten Trennplatte 54 gelangt, erfolgt wieder eine Aufspaltung der Kurve 48 in zwei Teilkurven 48a, 48b, entsprechend der Begründung zu 3. Der weitere Verlauf der Teilkurven 48a, 48b mit Vereinigung der Teilkurven 48a, 48b entspricht wiederum der ersten Vereinigung der Teilkurven 48a, 48b nur bei anderen Wassergehalten. Bei dieser Ausführungsform wird deutlich, dass durch eine wiederholte Aufspaltung des Reaktionsgases in zwei Volumenströme dessen Befeuchtung derart gesteuert werden kann, dass dabei stets eine optimale Befeuchtung des Reaktionsgases erreicht werden kann.
  • 5 zeigt den Aufbau einer metallischen Bipolarplatte 10, wobei dieser Aufbau entweder einer Bipolarplatte 10 aus dem Stand der Technik entspricht oder dem Bereich einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, in dem keine Trennplatte 48, 54 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 10 weist zwei Separatorplatten 12, 14 auf, die derart profiliert sind, dass für die beiden Reaktionsgase jeweils Kanäle 28, 30 und ein für das Kühlmittel ein Kanäle 32 ausgebildet sind. Auf beiden Seiten der Elektroden 12, 14 ist jeweils eine Gasdiffusionsschicht 58 mit einer Membran 60 angeordnet.
  • Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten 10 nach den 6 bis11 entsprechen der Bipolarplatte 10 in 5, mit dem Unterschied, dass in den Kanälen 28 für ein Reaktionsgas eine Trennplatte 38, 54 eingefügt ist, wobei sich die Kanäle 28 in zwei Bereiche 50, 52 aufteilen, die dasselbe Reaktionsgas enthalten, jedoch mit einem unterschiedlichen Wassergehalt. Die in 6 bis 11 dargestellten unterschiedlichen Geometrien der Kanäle 28, 30, 32 für die Reaktionsmedien und das Kühlmittel weisen unterschiedliche Vorteile auf. In der einfachsten Variante nach 6 und 11 ist die Trennplatte 38, 54 plan ausgeführt und ist zwischen den Separatorplatten 12, 14 angeordnet. Bei den nachfolgenden Ausführungsformen gemäß 7 bis 10 ist die Trennplatte 38, 54 mit Sicken ausgestaltet, sodass sich ein Volumenstrom der Kanäle 32 für das Kühlmedium vergrößert und gleichzeitig sich ein Volumenstrom im Bereich 52 mit dem geringeren Wassergehalt der Kanäle 28 verringert. Weiterhin kann auf die einzelnen Volumenströme in den Bereichen 50, 52 der Kanäle 28 und in den Kanälen 32 für das Kühlmittel Einfluss genommen werden durch die Ausgestaltung der entsprechenden Separatorplatte 14, die die Kanäle 28 mit der Trennplatte 38, 54 ausformen. So können durch Auswahl beispielsweise der Höhe und die Breite der Sicken, die die Profilierung ausbilden, die Volumenströme den jeweiligen Zwecken angepasst werden (7 bis 11).
  • 12 zeigt den Aufbau einer grafitischen Bipolarplatte 10, wobei dieser Aufbau entweder einer Bipolarplatte 10 aus dem Stand der Technik entspricht oder dem Bereich einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, in dem keine Trennplatte 48, 54 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 10 weist zwei Separatorplatten 12, 14 auf, die derart profiliert sind, dass für die beiden Reaktionsgase jeweils Kanäle 28, 30 und für das Kühlmittel ein Kanal 32 ausgebildet sind. Auf beiden Seiten der Separatorplatten 12, 14 ist jeweils eine Gasdiffusionsschicht 58 mit einer Membran 60 angeordnet.
  • Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten 10 nach den 12 bis 16 entsprechen der Bipolarplatte 10 in 5, wobei in den Kanälen 28 für ein Reaktionsgas eine Trennplatte 32, 54 eingefügt ist, sodass sich die Kanäle 28 in zwei Bereiche 50, 52 aufteilen, die dasselbe Reaktionsgas enthalten, jedoch mit einem unterschiedlichen Wassergehalt. Die in 12 bis 16 dargestellten unterschiedlichen Geometrien der Kanäle 28, 30, 32 für die Reaktionsmedien und das Kühlmittel weisen unterschiedliche Vorteile auf. Wie bereits am Beispiel der 6 bis 11 für die metallischen Bipolarplatten 10 können die Volumenströme für das Reaktionsmedium in den Kanälen 28 mit zumindest einer Trennplatte 38, 54 und für die Kanäle 32 des Kühlmediums durch entsprechende Ausgestaltungen der Trennplatte 32, 58 sowie der Separatorplatte 14 beliebig variieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Bipolarplatte
    12, 14
    Separatorplatten
    16
    aktiver Bereich
    18, 20
    Verteilerbereiche
    22, 24
    Port für Reaktionsgase
    26
    Port für Kühlmittel
    28, 30, 32
    Kanäle für Betriebsmedien
    34, 36
    Teilbereiche
    38
    Trennplatte
    40
    Eingangsbereich
    42
    Strömungsrichtung
    44
    Seite
    46
    Produktwasser
    48
    Kurve
    48a, 48b
    Teilkurve
    50, 52
    Bereich
    54
    Trennplatte
    56
    Abstand
    l
    Länge
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/143781 A1 [0005]
    • US 20090197134 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten (10) aufweisend, die jeweils zwei profilierte Separatorplatten (12, 14) besitzen, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (16) sowie zwei Verteilerbereiche (18, 20) zur Zu- und Ableitung von Reaktionsgasen und Kühlmittel zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (16), wobei die Separatorplatten (12, 14) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die jeweilige Bipolarplatte (10) separate Kanäle (28, 30, 32) für die Reaktionsgase und das Kühlmittel aufweist, welche Ports (22, 24, 26) für Reaktionsgase und Kühlmittel beider Verteilerbereiche (18, 20) miteinander verbinden, wobei die Kanäle (28, 30) für die Reaktionsgase jeweils von einer Oberfläche einer Separatorplatte (12, 14) und einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht (58) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (28) für ein Reaktionsgas in einem Eintrittsbereich (40) des aktiven Bereichs (16) eine undurchlässige erste Trennplatte (38) aufweisen, die die Kanäle (28) in zwei Volumenbereiche teilt und sich in Strömungsrichtung (42) erstreckt, wobei nur ein Volumenbereich der Kanäle (28) der Gasdiffusionsschicht (58) benachbart ist.
  2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) metallisch oder grafitisch sind
  3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanälen (28) stromab der ersten Trennplatte (38) eine oder mehrere weitere undurchlässige Trennplatte(n) (54), vorzugsweise zwei oder drei, besonders bevorzugt drei Trennplatten (54) angeordnet ist oder sind, wobei alle Trennplatten (38, 54) voneinander beabstandet angeordnet sind.
  4. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Eingangsbereich (40) der Kanäle (28) jede nach der ersten Trennplatte (38) folgende Trennplatte (54) eine geringere Länge aufweist als die jeweils vorhergehende Trennplatte (38, 54).
  5. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (38) oder die Trennplatten (38, 54) parallel zur Gasdiffusionsschicht (58) verlaufen.
  6. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Trennplatte (38) oder die Trennplatten (54) gegebenen Bereiche (50, 52) ausgebildet sind, einen gleichen Volumenstrom an Reaktionsgas zuzulassen.
  7. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20, 30, 32) gradlinig verlaufen.
  8. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (28, 30) mit der zumindest einen Trennplatte (38, 54) zum Transport von Kathodengas oder Anodengas dienen oder dass die Kanäle (28, 30) jeweils mit der zumindest einen Trennplatte (38, 54) versehen sind und Kanäle (28, 30) zum Transport von Kathodengas und Kanäle (28, 38) zum Transport von Anodengas dienen.
  9. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel Polymerelektrolytmembranen (60) aufweist.
  10. Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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