DE102022000581B3

DE102022000581B3 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102022000581B3
Application number: DE102022000581.6A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schleicher; Konstantin Schönknecht
Original assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Priority date: 2022-02-16
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2042-02-17

Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle mit Polarplatten (12) und einer zwischen den Polarplatten (12) angeordneten Membrane (14) beschrieben,, wobei die jeweilige Polarplatte (12) durch in einer gemeinsamen Ebene (24) angeordnete Basis-Teilabschnitte (22) voneinander beabstandete, zur gemeinsamen Ebene (24) hin offene, in die gleiche Richtung wegstehende Zellenhohlräume (16) für die gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle (10) aufweist, und wobei jeder Zellenhohlraum (16) mindestens ein Membrane-Umlenkorgan (26) mit einem Umlenkrand (28) aufweist, der über die Ebene (24) der Basis-Teilabschnitte (22) übersteht, so dass im zusammengebauten Zustand zweier Polarplatten (12) die zwischen den Polarplatten (12) angeordnete Membrane (14) in dem jeweils eine Einheitszelle (13) bildenden Zellenhohlraum (16) wellenartig verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit Polarplatten und einer zwischen den Polarplatten angeordneten Membrane.
Brennstoffzellen sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen an sich bekannt.
Beispielsweise beschreibt die DE 11 2006 000 345 B4 eine Brennstoffzelle mit Bipolarplatten, die eine Vielzahl Anströmungskanäle für die Reaktanten aufweisen. Die jeweilige Bipolarplatte weist eine Beschichtung auf, die die Bipolarplatte hydrophil und elektrisch leitend macht. Die Beschichtung ist eine ursprünglich zwei Metalle umfassende Metallbeschichtung, wobei durch die Entfernung eines der Metalle aus der Beschichtung Nanoporen entstehen. Das Material für die Bipolarplatte kann rostfreier Stahl, Titan, Aluminium oder ein Polymer-Graphit-Composit basiertes Material sein.
Die DE 10 2018 220 825 A1 offenbart eine Einzelzelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einzelzelle einen Einsatz aus einer Membrane-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Gas-Diffusionsschicht (GDL) aufweist. Die Einzelzelle weist außerdem einen geschäumten Körper auf, der an einer Außenseite des Einsatzes angeordnet ist.
Die DE 10 2019 209 766 A1 beschreibt eine Bipolarplatte zur Verteilung eines Reaktanten auf eine Membrane der Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte weist zu diesem Zwecke mindestens einen Kanal zur Erzeugung eines Flussfeldes auf. Sie kann aus einem Compositwerkstoff bestehen, der wenigstens ein hygroskopisches und wenigstens ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Aus der DE 10 2020 204 292 A1 ist eine Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie bekannt.
Die DE 10 2020 118 597 A1 beschreibt Brennstoff-Einheitszellen, die in einem Stapel angeordnet sind. Jede Einheitszelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf.
Bei diesen Bipolarplatten sind sowohl diese als auch die Membranen ebenflächig ausgebildet. Die Membranen mit Katalysator- und Diffusionsschichten sind zwischen den ebenflächigen Bipolarplatten angeordnet, so dass die Grundfläche der Brennstoffzelleneinheiten entsprechend groß sein muss, um eine gewünschte Stromdichte (A/cm²) und folglich eine gewünschte elektrische Leistung zu generieren. Daraus resultieren große Gesamtabmessungen eines Stapels aus den Bennstoffzelleneinheiten.
Die DE 10 2020 205 877 A1 offenbart einen Brennstoffzellen-Stapel zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie. Die Brennstoffzellen umfassen schichtförmige Komponenten, bei welchen es sich jeweils um eine Protonenaustauschermembrane, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht handelt. Wenigstens in eine der schichtförmigen Komponenten ist wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement integriert, um die Brennstoffzelleneinheit zu erwärmen.
Aus der DE 10 2021 202 214 A1 ist eine Separatorplatte für ein elektrochemisches System bekannt, die zumindest bereichsweise eine periodische Oberflächenstruktur mit einer mittleren räumlichen Periode von < 10 µm aufweist. Die Herstellung dieser Separatorplatte erfolgt durch Bestrahlung der Separatorplatte mittels eines gepulsten Lasers, wobei die Pulsdauer der Laserpulse < 1 nsec, vorzugsweise < 0,1 nsec, ist, um durch die Laserstrahlung periodische Oberflächenstrukturen der Separatorplatte zu erzeugen.
Die ältere Patentanmeldung 10 2021 005 570 beschreibt eine Bipolarplatte, die einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen senkrecht wegstehende, dünnwandigen gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane aufweist, die als Längsrippen ausgebildet sind, die durch Längstäler voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane der einen Hauptfläche und die Membrane-Anlageorgane der anderen Hauptfläche sich derartig gegenüber liegen, dass im zusammengebauten Zustand zweier benachbarter Brennstoffzellen zwischen den Membrane- Anlageorganen der einen Bipolarplatte und den Membrane-Anlageorganen der benachbarten anderen Bipolarplatte ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist. Bei dieser Bipolarplatte ist der Zentralkörper an jeder seiner beiden Hauptflächen mit einer Gaseinlass-Vertiefung ausgebildet, die mit dem an der jeweiligen Hauptfläche vorgesehenen Membrane-Anlageorgan fluidisch verbunden ist.
Die ältere Patentanmeldung DE 10 2022 000 325 beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte einen ebenflächigen gasundurchlässigen Zentralkörper aufweist, der an jeder seiner beiden voneinander abgewandten ebenen Hauptflächen senkrecht wegstehende, dünnwandige, gasdurchlässige Membrane-Anlageorgane aufweist, die als Längsrippen ausgebildet sind, die durch Längstäler voneinander beabstandet, zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Membrane-Anlageorgane der einen Hauptfläche und die Membrane-Anlageorgane der gegenüberliegenden anderen Hauptfläche sich derartig gegenüberliegen, dass im zusammengebauten Zustand der Bipolarplatten zweier benachbarter Brennstoffzellen zwischen den Membrane-Anlageorganen der einen Hauptfläche der Brennstoffzelle und den Membrane-Anlageorganen der anderen Hauptfläche der benachbarten Brennstoffzelle ein mäanderförmiger Spaltraum für eine Brennstoffzellen-Membrane definiert ist, und wobei der Zentralkörper aus einem dünnwandigen ersten und einem dünnwandigen zweiten gasundurchlässigen Flächenelement besteht, die im Zentralkörper Kühlkanälen bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach ausgebildet und folglich einfach herstellbar ist, und mit der eine große Stromstärke generiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1, d.h. dadurch gelöst, dass die jeweilige Polarplatte durch in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Basis-Teilabschnitte voneinander beabstandete, zur gemeinsamen Ebene hin offene, in die gleiche Richtung wegstehende Zellenhohlräume für die gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle aufweist, und dass jeder Zellenhohlraum mindestens ein Membrane-Umlenkorgan mit einem Umlenkrand aufweist, der über die Ebene der Basis-Teilabschnitte übersteht, so dass im zusammengebauten Zustand zweier Polarplatten die zwischen den Polarplatten angeordnete Membrane in dem jeweils eine Einheitszelle bildenden Zellenhohlraum wellenartig verläuft.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist eine Anzahl Einzelzellen auf, die voneinander durch die Basis-Teilabschnitte beabstandet sind. Mittels des im Inneren des Zellenhohlraums der jeweiligen Polarplatte vorgesehenen mindestens einen Membrane-Umlenkorgans wird die Membrane wellenartig umgelenkt, so dass im jeweiligen Zellenhohlraum eine Vergrößerung der Fläche der Membrane gegeben ist. Diese Flächenvergrößerung der Membrane resultiert in einer proportionalen Vergrößerung der elektrischen Stromstärke der Einzelzellen und folglich der Brennstoffzelle.
Erfindungsgemäß können die Membrane-Umlenkorgane einfach als gasundurchlässige Rippenelemente ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Membrane-Umlenkorgane gasdurchlässig sind.
In Abhängigkeit von den Abmessungen der Polarplatten kann der jeweilige Zellenhohlraum der jeweiligen Einzelzelle der Brennstoffzelle nur ein einziges Membrane-Umlenkorgan aufweisen.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der jeweilige Zellenhohlraum durch ein Paar Seitenteile und ein die Seitenteile miteinander verbindendes Grundteil begrenzt ist, wobei die Seitenteile von den Rändern der Basis-Teilabschnitte wegstehen und das mindestens eine Membrane-Umlenkorgan, von den Seitenteilen beabstandet, vom Grundteil innenseitig wegsteht. Bei einer derartigen Ausführungsform der Brennstoffzelle ist es bevorzugt, wenn die Zellenhohlräume der beiden Polarplatten sich deckungsgleich gegenüberliegen.
Eine andere Möglichkeit besteht erfindungsgemäß darin, dass der jeweilige Zellenhohlraum durch ein Paar Seitenteile und ein die Seitenteile miteinander verbindendes Grundteil begrenzt ist, wobei die Seitenteile von den Rändern der Basis-Teilabschnitte wegstehen und das mindestens eine Membrane-Umlenkorgan als Verlängerung eines der beiden Seitenteile ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausbildung sind die Zellenhohlräume der beiden Polarplatten gegeneinander seitlich versetzt.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann die jeweilige Polarplatte eine Monopolarplatte bilden. Desgleichen ist es möglich, dass zwei Polplatten gemeinsam eine Bipolarplatte bilden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung.
Es zeigen:

1 abschnittweise eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Brennstoffzelle ,
2 abschnittweise eine schematische Darstellung einer andere Ausführungsform der Brennstoffzelle,
3 abschnittweise eine schematische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der Brennstoffzelle, und
4 abschnittweise zwei aufeinander gestapelte Brennstoffzellen gemäß 1.

1 zeigt eine Ausführungsform der Brennstoffzelle 10 mit einem Paar Polarplatten 12, zwischen welchen eine Membrane 14 angeordnet ist. Die jeweilige Polarplatte 12 weist eine Anzahl Einzelzellen 13 auf, die jeweils Zellenhohlräume 16 bilden. Die Zellenhohlräume 16 sind jeweils durch ein Paar Seitenteile 18 und ein diese miteinander verbindendes Grundteil 20 begrenzt. Die Seitenteile 18 benachbarter Einzelzellen 13 sind mittels ebener Basis-Teilabschnitte 22 der Polarplatte 12 miteinander verbunden. Die Basis-Teilabschnitte 22 zwischen den zueinander benachbarten Einzelzellen 13 definieren jeweils eine Ebene 24 der jeweiligen Polarplatte 12.
Der jeweilige Zellenhohlraum 16 weist bei der in 1 schematisch gezeichneten Ausführungsform der jeweiligen Polarplatte 12 ein einziges Membrane-Umlenkorgan 26 auf, das mit seinem Umlenkrand 28 über die zugehörige Ebene 24 der Polarplatte 12 übersteht, so dass das Membrane-Umlenkorgan 26 die Ebene 24 kreuzt.. Auf diese Weise wird erreicht, dass im zusammengebauten Zustand zweier Polarplatten 12, wie er in 1 schematisch gezeichnet ist, die zwischen den Polarplatten 12 angeordnete Membrane 14 im Zellenhohlraum 16 der jeweiligen Einzelzelle 13 wellenartig verläuft.
2 verdeutlicht schematisch abschnittweise eine Ausführungsform der Brennstoffzelle 10, wobei die eine Polarplatte 12 zwei voneinander und von den Seitenteilen 18 der jeweiligen Einzelzelle 13 beabstandete Membrane-Umlenkorgane 26 aufweist. Die gegenüberliegende andere Polarplatte 12 weist im zugehörigen Zellenhohlraum 16 der jeweiligen Einzelzelle 13 nur ein einziges Membrane-Umlenkorgan 26 auf, das von den beiden Membrane-Umlenkorganen 26 der zuerst genannten Polarplatte 12 beabstandet zwischen diesen positioniert ist. Durch eine derartige Ausbildung wird erreicht, dass die Membrane 14 im Zellenhohlraum 16 der jeweiligen Einzelzelle 13 eine weiter vergrößerte aktive Membranefläche bildet, so dass die generierte elektrische Stromstärke der Brennstoffzelle 10 entsprechend vergrößert ist.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Brennstoffzelle 10, bei der die beiden Polarplatten 12 derartig ausgebildet sind, dass der Zellenhohlraum 16 der jeweiligen Einzelzelle 13 durch ein Paar Seitenteile 18 und ein die Seitenteile 18 miteinander verbindendes Grundteil 20 begrenzt ist, wobei ein Membrane-Umlenkorgan 26 als Verlängerung eines der beiden Seitenteile 18 ausgebildet ist.
Während bei den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 die Zellenhohlräume 16 der Einzelzellen 13 der Brennstoffzelle 10 sich deckungsgleich gegenüberliegen, sind bei der Ausführungsform der Brennstoffzelle 10 gemäß 3 die Hohlräume 16 der beiden Polarplatten 12 gegeneinander seitlich versetzt.
4 verdeutlicht schematisch zwei Brennstoffzellen 10 gemäß 1 im aufeinander gestapelten Zustand.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 bilden die Polarplatten 12 Monopolarplatten. Demgegenüber bilden in 4 die äußeren beiden Polarplatten Monopolarplatten. Die dazwischen vorgesehene Polarplatte 12 kann als Bipolarplatte ausgebildet sein.
Gleiche Einzelheiten sind in den 1 bis 4 jeweils mit den selben Bezugsziffern bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in den Figuren alle Einzelheiten jeweils detailliert zu beschreiben.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
12: Polarplatten (von 10)
13: Einzelzelle (von 10)
14: Membrane (von 10 zwischen 12 und 12)
16: Zellenhohlraum (von 13)
18: Seitenteile (von 12 für 13)
20: Grundteil (von 12 zwischen 18 und 18)
22: Basis-Teilabschnitt (von 12 zwischen 13 und 13)
24: Ebene (von 12)
26: Membrane-Umlenkorgane (in 13 für 14)
28: Umlenkrand (von 26)

Claims

Brennstoffzelle mit Polarplatten (12) und einer zwischen den Polarplatten (12) angeordneten Membrane (14), dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Polarplatte (12) durch in einer gemeinsamen Ebene (24) angeordnete Basis-Teilabschnitte (22) voneinander beabstandete, zur gemeinsamen Ebene (24) hin offene, in die gleiche Richtung wegstehende Zellenhohlräume (16) für die gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle (10) aufweist, und dass jeder Zellenhohlraum (16) mindestens ein Membrane-Umlenkorgan (26) mit einem Umlenkrand (28) aufweist, der über die Ebene (24) der Basis-Teilabschnitte (22) übersteht, so dass im zusammengebauten Zustand zweier Polarplatten (12) die zwischen den Polarplatten (12) angeordnete Membrane (14) in dem jeweils eine Einheitszelle (13) bildenden Zellenhohlraum (16) wellenartig verläuft.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zellenhohlraum (16) durch ein Paar Seitenteile (18) und ein die Seitenteile (18) miteinander verbindendes Grundteil (20) begrenzt ist, wobei die Seitenteile (18) von den Rändern der Basis-Teilabschnitte (22) wegstehen und das mindestens eine Membrane-Umlenkorgan (28), von den Seitenteilen (18) beabstandet, vom Grundteil (20) innenseitig wegsteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenhohlräume (16) der beiden Polarplatten (12) der Brennstoffzelle (10) sich deckungsgleich gegenüberliegen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zellenhohlraum (16) durch ein Paar Seitenteile (18) und ein die Seitenteile (18) miteinander verbindendes Grundteil (20) begrenzt ist, wobei die Seitenteile (18) von den Rändern der Basis-Teilabschnitte (22) wegstehen und das mindestens eine Membrane-Umlenkorgan (28) als Verlängerung eines der beiden Seitenteile (18) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenhohlräume der beiden Polarplatten gegeneinander seitlich versetzt sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Polarplatte (12) eine Monopolarplatte bildet.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Polplatten (12) gemeinsam eine Bipolarplatte bilden.