DE102016208873A1

DE102016208873A1 - Bipolarplatte, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit kaskadierter Befeuchtung

Info

Publication number: DE102016208873A1
Application number: DE102016208873.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Daniel Grundei; Jan-Philipp Brinkmeier; Christian Schlitzberger; Hannes Scholz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Um eine Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle (11), umfassend eine Anodenseite (41) und eine Kathodenseite (40), wobei die Bipolarplatte (15) auf Anoden- oder Kathodenseite (41, 40) einen aktiven Bereich (AA) aufweist, der anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld (43) und kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld (42) ausbildet, sowie ein internes Kühlmittelströmungsfeld, Versorgungsbereiche (44, 45), dahingehend zu verbessern, dass in einfacher Weise eine Steuerung des Wasserhaushaltes der Reaktionsgase, insbesondere des Kathodengases ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Bipolarplatte (15) zumindest einen zusätzlichen Kathodengasport (54) zur Zuführung eines Kathodengases aufweist, der mit dem Kathodengasströmungsfeld (42) fluidführend verbunden ist, und dass der Bereich der Zuführung von Kathodengas zum Kathodengasströmungsfeld (42) eines ersten Kathodengasports (48) vom Bereich der Zuführung von Kathodengas des zusätzlichen Kathodengasports (54) zum Kathodengasströmungsfeld (42) in Strömungsrichtung des Kathodengasströmungsfeldes (42) voneinander beabstandet ist. Ferner werden ein Brennstoffzellenstapel (10) und ein Brennstoffzellensystem (100) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenseite und eine Kathodenseite, wobei die Bipolarplatte auf Anoden- oder Kathodenseite Folgendes aufweist: einen aktiven Bereich, der anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld und kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld ausbildet, sowie ein internes Kühlmittelströmungsfeld, Versorgungsbereiche, umfassend Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, nämlich Anodengasports zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels, Verteilerfelder, nämlich Anodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Anodengasports sowie dem Anodengasströmungsfeld fluidführend verbunden sind; Kathodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kathodengasports sowie dem Kathodengasströmungsfeld fluidführend verbunden sind und Kühlmittelverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kühlmittelports sowie dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbunden sind, sowie einen Brennstoffzellenstapel und 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. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über 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 e^– werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2H⁺ + O^2– → H₂O).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten dient und andererseits der Zuführung eines Kühlmittels zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.
Bipolarplatten für Brennstoffzellen weisen einen, üblicherweise zentral angeordneten aktiven Bereich auf, der an die katalytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit anschließt und an dem die eigentlichen Brennstoffzellenreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist der aktive Bereich anodenseitig ein offenes Anodengasströmungsfeld auf und kathodenseitig ein offenes Kathodengasströmungsfeld. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder sind zumeist in Form diskreter rinnenartiger Kanäle ausgebildet. Bekannt sind jedoch auch Strömungsfelder, die neben einer Hauptströmungsrichtung auch seitliche Strömungsrichtungen erlauben, oder offenporige/poröse Strukturen. Zudem weist der aktive Bereich ein internes Kühlmittelströmungsfeld auf, wobei dieses üblicherweise in Form von eingeschlossenen Kanälen ausgebildet ist. Um den aktiven Bereich mit den entsprechenden Betriebsmitteln zu versorgen, weisen Bipolarplatten zudem inaktive Versorgungsbereiche auf, in denen Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (vorliegend auch Ports genannt) angeordnet sind, nämlich jeweils zwei Anodengasports zur Zu- und Abführung des Anodengases, zwei Kathodengasports zur Zu- und Abführung des Kathodengases und zwei Kühlmittelports zur Zu- und Abführung des Kühlmittels. Im Brennstoffzellenstapel liegen diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich aufeinander, sodass sie durch den gesamten Stapel durchsetzende Hauptversorgungskanäle für die entsprechenden Betriebsmittel ausbilden. In den inaktiven Versorgungsbereichen sind ferner Verteilerfelder angeordnet, die dem Anschluss der Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und den entsprechenden Strömungsfeldern des aktiven Bereichs dienen. Dabei umfassen die Verteilerfelder jeweils Anodengasverteilerfelder, die einen Anodengasport und mit dem Anodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbinden, Kathodengasverteilerfelder, welche einen Kathodengasport mit den Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbinden, sowie Kühlmittelverteilerfelder, die einen Kühlmittelport und mit dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbinden. Die Verteilerfelder sind zumeist in Form diskreter, offener oder geschlossener Strömungskanäle ausgebildet.
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.
Grundsätzliche Ziele bei der Entwicklung von Bipolarplatten stellen die Reduzierung des Gewichts, des Bauraums und der Kosten sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
So muss das in die Kathode einer Brennstoffzelle eintretende Gas eine bestimmte relative Feuchte aufweisen, um ein Austrocken der MEA zu verhindern, was eine Leistungseinbuße zu Folge hätte. Gegen das Austrocknen der MEA wird in einem Brennstoffzellensystem ein Befeuchter verwendet, der einen Teil des Wassers, das bei der Zellreaktion anfällt, aus dem Brennstoffzellenabgas in das Kathodengas (Luft) überträgt, das der Brennstoffzelle zugeführt wird. Ein solcher Befeuchter benötigt jedoch einen relativ großen Bauraum, der grundsätzlich möglichst klein gehalten werden sollte.
Alternativ wird versucht, durch Anpassung der Betriebsparameter eine optimale Befeuchtung in der Brennstoffzelle sicherzustellen oder beispielsweise durch eine Interne Kaskadierung der Kathodengaszuführung.
So wird zur Steuerung des Wasserhaushaltes der Reaktionsgase in den Bipolarplatten sowie zur Erhöhung von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Lebensdauer der Brennstoffzelle in der WO 2012/143781 A1 (Toyota) und der US 20090197134 A1 (Daimler) vorgeschlagen, in den Kanal für das zu befeuchtende Reaktionsgas eine Vielzahl von Metallstreifen aus Titan beziehungsweise ein Lochblech einzubringen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte, einen Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, womit in einfacher Weise eine Steuerung des Wasserhaushaltes der Reaktionsgase, insbesondere des Kathodengases ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte, einen Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenseite und eine Kathodenseite, wobei die Bipolarplatte auf Anoden- oder Kathodenseite Folgendes aufweist:

– einen aktiven Bereich, der anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld und kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld ausbildet, sowie ein internes Kühlmittelströmungsfeld,
– Versorgungsbereiche, umfassend – Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, nämlich Anodengasports zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels, – Verteilerfelder, nämlich Anodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Anodengasports sowie dem Anodengasströmungsfeld fluidführend verbunden sind; Kathodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kathodengasports sowie dem Kathodengasströmungsfeld fluidführend verbunden sind; und Kühlmittelverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kühlmittelports sowie dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbunden sind,

Zum Aufbau einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels sind die sonstigen Komponenten wie MEA entsprechend der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte auszubilden. Dies gilt auch für alle nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung.
Nachstehend wird zur Vereinfachung die Anordnung von Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, nämlich Anodengasports und Kathodengasports in Relation zu den Strömungsfeldern beschrieben, ohne stets auf die dazugehörigen Verteilerfelder einzugehen, über die die Betriebsgase den Strömungsfeldern zugeführt werden.
Unter Bereichen ist die Einmündung der Verteilerfelder in das jeweilige Strömungsfeld zu verstehen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte ist es vorteilhafterweise möglich, dem Kathodengasströmungsfeld durch einen Kathodengasport am Anfang, bezogen auf die Strömungsrichtung, des Kathodengasströmungsfeldes befeuchtetes Kathodengas und in einem gewissen Abstand vom Kathodengasport durch den zusätzlichen Kathodengasport unbefeuchtetes Kathodengas zuzuführen. Da durch die Zellreaktion Wasser gebildet wird, das sich entlang des Kathodengasströmungsfeldes anreichert, ist es sinnvoll ausreichend, unbefeuchtetes Kathodengas über den zweiten Kathodengasport einzuleiten. So wird vermieden, dass das Kathodengas zum Ende des Kathodengasströmungsfeldes beziehungsweise die angrenzende MEA zu stark befeuchtet wird und sich Leistungseinbußen ergeben. Es wird zudem über die Länge des Kathodengasströmungsfeldes eine gleichmäßige Befeuchtung des Kathodengases erzielt.
Der Abstand der beiden Bereiche, für die Zuführung von befeuchtetem und unbefeuchtetem Kathodengas liegt vorzugsweise zwischen 1/3 und 2/3, vorzugsweise zwischen 1/3 und 1/2 der Länge des Kathodengasströmungsfeldes, sodass vorteilhafterweise ein vorgebbarer Grenzwert für den Feuchtegehalt des Kathodengases nicht überschritten wird.
Auch ist es erfindungsgemäß möglich, zwei oder drei oder auch mehr zusätzliche Kathodengasports vorzusehen, wobei die Abstände zueinander nicht gleich sein müssen, sodass die Einleitung trockenen Kathodengases in das Kathodengasströmungsfeld bedarfsgerecht gesteuert werden kann. Die Anzahl zusätzlicher Kathodengasports sollte jedoch gering gehalten werden, um den technischen Aufwand für deren Einbindung zu begrenzen.
Vorzugsweise nimmt der Abstand bei zwei, drei oder mehr zusätzlichen Kathodengasports zueinander entlang des Kathodengasströmungsfeldes in Strömungsrichtung wegen des bei der Zellreaktion gebildeten Wassers ab.
Die Anordnung des zusätzlichen Kathodengasports erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Bipolarplatte direkt im Kathodengasströmungsfeld und zwar vorzugsweise mittig in Querrichtung im Kathodengasströmungsfeld. Die mittige Anordnung in Querrichtung wird bevorzugt, um Druckdifferenzen aufgrund von unterschiedlichen Strecken in den zwei zusätzlichen Verteilerfelder zu vermeiden. Die Anordnung des zusätzlichen Kathodengasports in Längsrichtung, das heißt, welcher Abstand zu dem Kathodengasport, der das befeuchtete Kathodengas einleitet, vorgesehen ist, erfolgt wie bereits vorab beschrieben. Im Anodengasströmungsfeld ist an korrespondierender Stelle zu dem zusätzlichen Kathodengasport eine Struktur vorgesehen, die den Anodengasstrom vorbeileitet.
Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Bipolarplatte wird das Kathodengasströmungsfeld in Längsrichtung mittig in zwei -Strömungsbereiche geteilt, wobei der zusätzliche Kathodengasport sich auf der Seite des Kathodengasströmungsfeldes befindet, die dem Bereich, in dem das befeuchtete Kathodengas eingeleitet wird, gegenüberliegt. In diesem Bereich erfolgt auch die Ableitung des Kathodenabgases über einen entsprechenden Kathodengasport. Die Einleitung trockenen Kathodengases erfolgt daher nach der Hälfte der Länge des Kathodengasströmungsfeldes.
Der Kathodengasstrom, der im ersten Strömungsbereich des Kathodengasströmungsfeldes strömt, wird im Bereich des zusätzlichen Kathodengasport durch entsprechende Strukturen mit trockenem Kathodengas angereichert und um 180° in den zweiten Strömungsbereich des Kathodengasströmungsfeldes umgelenkt.
Die Anordnung der sonstigen Betriebsmittelports kann nach dieser Ausführungsform der Bipolarplatte unterschiedlich ausgestaltet sein.
So kann der zusätzliche Kathodengasport sich über die gesamte Breite des Kathodengasströmungsfeldes erstrecken, sodass sich auf dieser Seite der Bipolarplatte lediglich der zusätzliche Kathodengasport befindet, während die sonstigen Betriebsmittelports auf der Seite der Bipolarplatte angeordnet sind, bei der das befeuchtete Kathodengas eingeleitet wird. Bei dieser Ausführungsform kann auf entsprechende Verteilerfelder verzichtet werden.
Daraus folgt, dass die Anodenseite ebenfalls mittig unterteilt ist, wobei der zusätzliche Kathodengasport auf der Anodenseite als Umlenkstruktur ausgebildet ist, die den Anodengasstrom um 180° umlenkt, sodass der Anoden- und Kathodengasstrom in allen Bereichen in die gleiche Raumrichtung strömt.
Nach einer andern Ausgestaltung erstreckt sich der zusätzliche Kathodengasport nicht über das gesamte Kathodengasströmungsfeld, sondern dieser ist neben den Ports für das Anodengas und das Kühlmittel angeordnet, sodass sich auf der Seite der Bipolarplatte, auf der das befeuchtete Gas eingeleitet wird, sich die beiden Kathodengasports zur Zu- und Ableitung des Kathodengases sowie ein Anodengas- und ein Kühlmittelport befinden.
Die Anodenseite kann bei dieser Ausgestaltung der Bipolarplatte mit der mittigen Aufteilung so betrieben werden, dass das Anodengas entweder im Gleichstrom mit dem eintretenden befeuchteten Kathodengas oder mit dem mit trockenem Kathodengas angereicherten Kathodengasstrom, der um 180° umgelenkt wird, strömt.
Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel ist unter Verwendung voranstehend beschriebener Bipolarplatten aufgebaut.
Beansprucht wird auch ein entsprechendes Brennstoffzellensystem, das einen Befeuchter zum Befeuchten von Kathodengas und zur Entfeuchtung von Kathodenabgas aufweist und das ausgelegt ist, einem Brennstoffzellenstapel aus voranstehend beschriebener Bipolarplatte über einen zusätzlichen Kathodengashauptversorgungskanal trockenes Kathodengas zuzuführen.
Ein Brennstoffzellenstapel weist für die Betriebsmedien Hauptversorgungskanäle auf, die sich beim Stapeln von MEA und Bipolarplatten zwangsläufig durch die übereinander angeordneten Betriebsmittelports ergeben.
Da die erfindungsgemäße Bipolarplatte einen zusätzlichen Kathodengasport aufweist, ergibt sich auch ein zusätzlicher Kathodengashauptversorgungskanal, der mit trockener Luft beschickt wird.
Im Brennstoffzellensystem wird parallel zum Befeuchter über ein Stellmittel trockenes Kathodengas zum zusätzlichen Kathodengashauptversorgungskanal geleitet. Beispielsweise kann über ein Stellmittel vor dem Befeuchter Kathodengas in eine separate Leitung überführt werden. Als Stellmittel ist beispielsweise eine Regelklappe geeignet. Alternativ kann in der separaten Leitung, die vor dem Befeuchter abzweigt, auch eine Drosselklappe vorgesehen sein. Über derartige Stellmittel können dann die Massenströme für die einzelnen Kathodengasports gesteuert werden.
Zur Versorgung mit Kathodengas ist vorzugsweise ein Verdichter oder auch zwei Verdichter vorgesehen, für den erfindungsgemäß verschiedene Verdichterschaltungen gegeben sein können. So kann bei zwei Verdichtern auch parallel zum Befeuchter trockenes Kathodengas gefördert werden.
Bei der Verwendung von zwei Verdichtern für die Luftzufuhr, wird vorzugsweise eine „back-to-back“-Anordnung der beiden Verdichter denkbar, um vorteilhafterweise die Lagerkräfte zu minimieren.
Alternativ ist es vorgesehen, einen der beiden Verdichter direkt mittels einer Turbine zu betreiben in Form eines Abgasturboladers ohne zusätzlichen Motor.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems ermöglicht vorteilhafterweise einen Befeuchter mit einer vergleichsweise geringen Größe.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brennstoffzellenstapels lässt sich vorteilhafterweise bei metallischen oder graphitischen Bipolarplatten realisieren.
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 er 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.
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 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäße Brennstoffzellensystems;
2 eine Aufsicht auf die Kathodenseite einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte;
3 eine Aufsicht auf die Anodenseite der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach 2,
4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer geschnittenen Ansicht eines Brennstoffzellenstapels aufweisend Bipolarplatten nach 2 und 3;
5 in einer Kurve den Feuchtegehalt von Kathodengas in Relation zur Länge des Strömungsfeldes;
6 eine Aufsicht auf die Kathodenseite einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach einer zweiten Ausführungsform;
7 eine Aufsicht auf die Anodenseite der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach 6,
8 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer geschnittenen Ansicht eines Brennstoffzellenstapels;
9 eine Aufsicht auf die Kathodenseite einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach einer dritten Ausführungsform;
10 eine Aufsicht auf die Anodenseite der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach 9;
11 eine Aufsicht auf die Anodenseite der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach 9 mit veränderter Strömungsrichtung des Anodengases;
12 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer Ausführungsform einer Verdichterverschaltung;
13 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer zweiten Ausführungsform einer Verdichterverschaltung; und
14 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer dritten Ausführungsform einer Verdichterverschaltung.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100, das Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, ist, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist.
Jede Einzelzelle 11 umfasst jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine Bipolarplatte 15 angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodengases (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 über einen Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 kann über ein nicht dargestelltes Stellmittel in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar sein.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodengas zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Befeuchter 33 auf. Der Befeuchter 33 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodengas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 33 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodengas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodengas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Der Übertritt des Wasserdampfes wird durch einen Pfeil in den entsprechenden Figuren symbolisiert. Vor dem Befeuchter 33 ist eine Regelklappe 34 im Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, das den Kathodengasstrom aufteilt und über eine Versorgungsleitung 35 dem Brennstoffzellenstapel 10 trockenes Kathodengas zuführt, wie nachstehend zu den weiteren Figuren erläutert wird.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodengases ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein in 1 nicht dargestellter Verdichter angeordnet. Beispielhafte Verdichteranordnungen werden in den nachfolgenden Figuren gezeigt und erläutert.
Die 2 und 3 zeigen die Kathodenseite 40 beziehungsweise die Anodenseite 41 einer erfindungsgemäße Bipolarplatte 15. In 4 wird ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 10 dargestellt, der erfindungsgemäße Bipolarplatten 15 der Ausführungsform nach 2 und 3 aufweist.
Die Bipolarplatte 15 weist auf der Kathodenseite 40 ein Kathodengasströmungsfeld 42 und auf der Anodenseite 41 ein Anodengasströmungsfeld 43 als aktive Bereiche AA auf. Ein Kühlmittelströmungsfeld findet sich, hier nicht sichtbar, im Inneren der Bipolarplatte 15. An beiden Enden des aktiven Bereichs AA sind Versorgungsbereiche 44, 45 angeordnet, die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, nämlich Anodengasports 46, 47 zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports 48, 49 zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports 50, 51 zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels aufweisen
Weiterhin sind zwischen dem Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und dem Kathodengasströmungsfeld 42 sowie dem Anodengasströmungsfeld 43 Verteilerfelder 52, 53 angeordnet, die die Betriebsmittel den jeweiligen Strömungsfeldern zuführen.
Die Bipolarplatte 15 weist mittig im aktiven Bereich AA einen zusätzlichen Kathodengasport 54 auf, der der Zuführung von trockenem Kathodengas in das Kathodengasströmungsfeld 42 dient. Beidseitig des zusätzlichen Kathodengasports 54 sind ebenfalls Verteilerfelder 55, 56 angeordnet, die das befeuchtete Kathodengas zum zusätzlichen Kathodengasport 54 führen, wo es mit dem trockenen Kathodengas vermischt und wieder dem Kathodengasströmungsfeld 42 zugeführt wird, bis es durch den Kathodengasport 49 zur Ableitung des Kathodenabgases aus der Brennstoffzelle 10 geleitet wird.
Auf der Anodenseite 41 ist im Anodengasströmungsfeld 43 an zum zusätzlichen Kathodengasport 54 korrespondierender Stelle eine Umlenkungsstruktur 57 zur Umlenkung des Anodengasstroms vorgesehen.
Der Brennstoffzellenstapel 10 in 4 weist Hauptversorgungskanäle 58, 59, 60 auf, wobei zur Vereinfachung nur der Hauptversorgungskanal 58 für befeuchtetes Kathodengas, der Hauptversorgungskanal 59 für trockenes Kathodengas und der Hauptversorgungskanal 60 für Kathodenabgas dargestellt sind. Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit Kathodengas erfolgt, wie auch in 1 gezeigt, über einen Kathodengasversorgungspfad 31, in den ein Befeuchter 33 eingebunden ist, der Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas in das Kathodengas (Pfeil) überführt. Vor dem Befeuchter 33 in Strömungsrichtung ist eine Regelklappe 34 vorgesehen, die der Versorgungsleitung 35 zur Zuführung von trockenem Kathodengas zum Hauptversorgungskanal 59 zuleitet. Als Alternative der Regelung der Zufuhr von trockenem Kathodengas mittels der Regelklappe 34 ist in der Versorgungsleitung 35 eine Drosselklappe 61 angeordnet.
Die Strömung des Kathodengases in den Hauptversorgungskanälen 58, 59, 60 und in dem Kathodengasströmungsfeld 42 ist durch Pfeile angedeutet.
5 zeigt eine Kurve 62, die den Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengases in Relation zur Länge l des Kathodengasströmungsfeldes 42 einer Bipolarplatte 15 gemäß der Ausführungsform, die in den 2 bis 4 gezeigt ist, wiedergibt. Am Anfang des Kathodenströmungsfeldes 42 wird befeuchtetes Kathodengas eingeleitet, dessen Feuchtigkeit im weiteren Verlauf stetig ansteigt. Sobald das Kathodengas den zusätzlichen Kathodengasport 54 bei l/2 erreicht, sinkt der Feuchtigkeitsgehalt deutlich ab, um anschließend wieder durch die Aufnahme von Wasser aus der Zellreaktion zu steigen. Sofern zwei oder mehr zusätzliche Kathodengasports vorgesehen sind, lassen sich die Maxima und Minima der Kurve einander annähern, sodass sich ein noch gleichmäßigerer Feuchtigkeitsverlauf entlang des Kathodengasströmungsfeldes 42 erzielen lässt. Leistungseinbußen des Brennstoffzellenstapels können somit vermieden oder zumindest reduziert werden.
Die 6 und 7 zeigen die Kathodenseite 40 beziehungsweise die Anodenseite 41 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 nach einer zweiten Ausführungsform. In 8 wird ein damit aufgebautes Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 10 dargestellt, wobei auch hier lediglich für die Erfindung wesentliche Teile des Brennstoffzellensystems 100 gezeigt sind.
Die Bipolarplatte 15 weist auf der Kathodenseite 40 ein Kathodengasströmungsfeld 42 und auf der Anodenseite 41 ein Anodenströmungsfeld 43 als aktive Bereiche AA auf. An einem Ende des aktiven Bereichs AA ist ein Versorgungsbereich 44 angeordnet, der Anodengasports 46, 47 zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports 48, 49, zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports 50, 51 zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels aufweist. Am anderen Ende des aktiven Bereichs AA ist ebenfalls ein Versorgungsbereich 45 vorgesehen, der jedoch nur von dem zusätzlichen Kathodengasport 54 eingenommen wird.
Das Kathodengasströmungsfeld 42 ist mittig entlang der Längsachse der Bipolarplatte 15 in voneinander getrennte Strömungsbereiche 63, 64 unterteilt. Der zusätzliche Kathodengasport 54 muss aufgrund seiner Erstreckung nicht über Verteilerfelder an das Kathodengasströmungsfeld 42 angeschlossen werden und dient gleichzeitig als Umlenkstruktur 65 für das Kathodengas aus dem einen Strömungsbereich 63 in den anderen Strömungsbereich 64.
Auch die Anodenseite 41 der Bipolarplatte 15 weist eine mittige Aufteilung des Anodengasströmungsfeldes 43 auf, wobei auch hier an dem einen Ende korrespondierend mit dem zusätzlichen Kathodengasport 54 eine Umlenkstruktur 68 zur Umlenkung des Anodengasstroms in den voneinander getrennten Strömungsbereichen 66, 67 des Anodengasströmungsbereiches 43 angeordnet ist.
9, 10 und 11 zeigen die Kathodenseite 40 beziehungsweise die Anodenseite 41 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 nach einer dritten Ausführungsform.
Wie in 6, weist die Bipolarplatte 15 auf der Kathodenseite 40 ein Kathodengasströmungsfeld 42 und auf der Anodenseite 41 ein Anodenströmungsfeld 43 als aktive Bereiche AA auf. An einem Enden des aktiven Bereichs AA ist ein Versorgungsbereich 44 angeordnet, der einen Anodengasport 46 zur Zuführung eines Anodengases, Kathodengasports 48, 49 zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie einen Kühlmittelport 50 zur Zuführung eines Kühlmittels aufweist.
Am anderen Ende des aktiven Bereichs ist ebenfalls ein Versorgungsbereich 45 vorgesehen, der den zusätzlichen Kathodengasport 54 sowie einen Anodengasport 47 und einen Kühlmittelport 51 zur Abführung des Kühlmittels aufweist. Das Kathodengasströmungsfeld 42 ist auch hier mittig entlang der Längsachse der Bipolarplatte 15 in voneinander getrennte Strömungsbereiche 63, 64 unterteilt. Der zusätzliche Kathodengasport 54 ist über nicht näher dargestellte Verteilerfelder an das Kathodengasströmungsfeld 42 angeschlossen und dient gleichzeitig als Umlenkstruktur 68 für das Kathodengas aus dem einen Strömungsbereich 63 in den anderen Strömungsbereich 64.
Bei dieser Ausführungsform weist die Anodenseite 41 ein einheitliches Anodengasströmungsfeld 43 auf, bei dem keine Umlenkung erfolgt, wobei je nach Belegung der Anodengasports 46, 47 ein Gleichstrom mit dem Kathodengasströmungsfeld 42 zwischen Kathodengasport 48 zur Zuleitung und zusätzlichen Kathodengasport 54 oder zusätzlichen Kathodengasport 54 und dem Kathodengasport zur Ableitung gegeben ist.
In den 12, 13 und 14 sind Brennstoffzellensysteme 100 gezeigt, die über unterschiedliche Verdichteranordnungen 69 verfügen. Bei diesen Ausführungsformen sind, wie zu 1 beschrieben, statt einem Verdichter zwei Verdichter 70, 71 vorgesehen, sodass darüber die Kathodengasströme geregelt werden können, da für die Zuführung zum Befeuchter 33 und zur Zuführung trockenen Kathodengases jeweils ein Verdichter 70, 71 vorgesehen ist. Hierzu können beide Verdichter 70, 71 in Form einer back-to-back Anordnung (12) mit einer gemeinsamen Welle 72 angeordnet sein, um Lagerkräfte zu minimieren.
Es kann aber auch einer der beiden Verdichter mittels einer Turbine 73 und der verbleibende Verdichter mit einem Motor 74 betrieben werden (13 und 14).
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
15: Bipolarplatte
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Befeuchter
34: Regelklappe
35: Versorgungsleitung
40: Kathodenseite
41: Anodenseite
42: Kathodengasströmungsfeld
43: Anodengasströmungsfeld
44, 45: Versorgungsbereiche
46, 47: Anodengasports
48, 49: Kathodengasports
50, 51: Kühlmittelports
52, 53: Verteilerfelder
54: zusätzlicher Kathodengasport
55, 56: Verteilerfelder
57: Umlenkungsstruktur
58, 59, 60: Hauptversorgungskanäle
61: Drosselklappe
62: Kurve
63, 64: Strömungsbereiche
65: Umlenkstruktur
66, 67: Strömungsbereiche
68: Umlenkstruktur
69: Verdichteranordnung
70, 71: Verdichter
72: Welle
73: Turbine
74: Motor
AA: aktiver Bereich

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

WO 2012/143781 A1 [0009]
US 20090197134 A1 [0009]

Claims

Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle (11), umfassend eine Anodenseite (41) und eine Kathodenseite (40), wobei die Bipolarplatte (15) auf Anoden- oder Kathodenseite (41, 40) aufweist: – einen aktiven Bereich (AA), der anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld (43) und kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld (42) ausbildet, sowie ein internes Kühlmittelströmungsfeld, – Versorgungsbereiche (44, 45), umfassend – Anodengasports (46, 47) zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports (48, 49) zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports (50, 51) zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels, – Verteilerfelder (52, 53), nämlich Anodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Anodengasports (46, 47) sowie dem Anodengasströmungsfeld (43) fluidführend verbunden sind; Kathodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kathodengasports (48, 49) sowie dem Kathodengasströmungsfeld (42) fluidführend verbunden sind; und Kühlmittelverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kühlmittelports (50, 51) sowie dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) zumindest einen zusätzlichen Kathodengasport (54) zur Zuführung eines Kathodengases aufweist, der mit dem Kathodengasströmungsfeld (42) fluidführend verbunden ist, und dass der Bereich der Zuführung von Kathodengas zum Kathodengasströmungsfeld (42) eines ersten Kathodengasports (48) vom Bereich der Zuführung von Kathodengas des zusätzlichen Kathodengasports (54) zum Kathodengasströmungsfeld (42) in Strömungsrichtung des Kathodengasströmungsfeldes (42) voneinander beabstandet ist.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden Bereiche für die Zuführung von befeuchtetem und trockenem Kathodengas zwischen 1/3 und 2/3, vorzugsweise 1/2 der Länge l des Kathodengasströmungsfeldes (42) beträgt.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) zwei oder drei zusätzliche Kathodengasports (54) aufweist.
Bipolarplatte (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zusätzliche Kathodengasport (54) im Kathodengasströmungsfeld (42) angeordnet ist.
Bipolarplatte (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zusätzliche Kathodengasport (54) auf der Seite des Kathodengasströmungsfeldes (42) befindet, die dem Bereich, in dem das befeuchtete Kathodengas eingeleitet wird, gegenüberliegt.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zusätzliche Kathodengasport (54) über die gesamte Breite des Kathodengasströmungsfeldes (42) erstreckt.
Bipolarplatte (15) nach einem der Ansprüche 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodengasströmungsfeld (42) und optional das Anodengasströmungsfeld (43) in Längsrichtung mittig in zumindest zwei Strömungsbereiche (63, 64; 66, 67) geteilt ist und dass optional an einem Ende der Bipolarplatte (15) Strukturen zur Umlenkung von Kathoden- oder Anodengas aus einem ersten geteilten Strömungsbereich (63, 66) in einen zweiten geteilten Strömungsbereich (66, 67) des geteilten Kathodengasströmungsfeldes (42) und optional des Anodengasströmungsfeldes (43) angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (10), der Bipolarplatten nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei neben den Hauptversorgungskanälen (58, 60) für die Betriebsmedien zumindest ein zusätzlicher Kathodengashauptversorgungskanal (59) gegeben ist.
Brennstoffzellensystem (100), das zumindest einen Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 7 aufweist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) über einen Verdichter (70) zur Förderung von Kathodengas oder zwei Verdichter (70, 71) zur separaten Förderung von befeuchtetem und trockenem Kathodengas verfügt.