WO2023078503A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

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WO2023078503A1
WO2023078503A1 PCT/DE2022/100801 DE2022100801W WO2023078503A1 WO 2023078503 A1 WO2023078503 A1 WO 2023078503A1 DE 2022100801 W DE2022100801 W DE 2022100801W WO 2023078503 A1 WO2023078503 A1 WO 2023078503A1
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gas diffusion
bipolar plate
web
layer
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Ann-Kathrin Henss
Barnaby Law
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MTU Aero Engines AG
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with at least two bipolar plates and at least one membrane electrode arrangement arranged between two bipolar plates in each case, with a gas diffusion layer being arranged between at least one bipolar plate and a membrane electrode arrangement, and a stack having two or more fuel cells.
  • Fuel cells are electrochemical devices that produce heat and electrical energy from a fuel, which is typically a proton-releasing source, and an oxidant.
  • Known fuel cells use, for example, hydrogen as a proton source and oxygen, in particular from the ambient air, as an oxidizing agent.
  • a fuel cell usually has a large number of membrane-electrode assemblies whose electrical voltages, and thus their power output, add up. Such an arrangement is referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack (“stack”).
  • the edge cells of a fuel cell stack are connected to an external electrical conductor circuit, which supplies the generated electrical energy to a consumer. From a formal point of view, edge cells do not have a bipolar plate at the interface for electrical contacting, but a monopolar plate. To simplify the explanation, such monopolar plates are also referred to below as "bipolar plates”.
  • a bipolar plate is arranged between each two membrane-electrode assemblies (MEA), on the side surfaces of which process gas is guided to the membrane-electrode assemblies.
  • MEA membrane-electrode assemblies
  • a membrane electrode assembly has both an anode and a cathode region, with the fuel being routed to the anode region and the oxidant being routed to the cathode region.
  • the fuel is oxidized catalytically with the release of electrons.
  • the remaining ions reach the cathode area through the electrolyte, which is usually present in the form of a membrane, where they react with the oxidizing agent (oxygen) supplied to the cathode and the electrons conducted to the cathode via an external circuit to form a reaction product.
  • oxygen oxygen
  • fluid channels are provided in the bipolar plates and in the installed state adjacent to the respective gas diffusion layer, which are spaced apart from one another by webs and lead the fuel or the oxidizing agent to the gas diffusion layer.
  • a plurality of these fluid channels is often referred to as a so-called “flow field” in this context.
  • the bipolar plate In addition to distributing the media, the bipolar plate also assumes a supporting function for the respectively adjacent gas diffusion layer, which is relatively flexible. How well the gas diffusion layer is supported essentially determines the contact resistance of the individual components in the fuel cell and thus also its performance.
  • the width of the webs in the case of milled graphitic bipolar plates (vertical channel walls) or also the flow field in the case of formed metallic bipolar plates is therefore also determined by the best possible support in order to ensure contact with the gas diffusion layer.
  • the support of the gas diffusion layer as well as the contact depends on the design of the flow field of the respective bipolar plate.
  • the flexural slackness of the gas diffusion layer it will sink into the adjoining fluid channels of the flow field and adapt to the shape of the flow field and, in particular, become deformed.
  • a part of the affected fluid channel is blocked by the gas diffusion layer, which leads to a deteriorated efficiency of the fuel cell as a whole.
  • the deformation of the gas diffusion layer can also have the result that the contact area on the webs is additionally reduced, which thus further worsens the contact resistance.
  • Typical channel widths are therefore generally limited to less than 1 mm for graphitic bipolar plates and less than 1.5 mm for metallic bipolar plates.
  • a fuel cell with at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode arrangement arranged between two bipolar plates is proposed in a first aspect of the invention.
  • a gas diffusion layer is arranged between at least one bipolar plate and a membrane electrode assembly, at least one bipolar plate having flow channels for guiding a gas and/or fluid on the side facing the gas diffusion layer and the flow channels being spaced apart from one another by webs.
  • a perforation layer is additionally arranged between the bipolar plate and the gas diffusion layer, which is essentially rigid due to the choice of material and/or its design and thus exerts a supporting effect on the gas diffusion layer in the composite.
  • the additional perforation layer between the bipolar plate and the gas diffusion layer makes it possible to decouple the two conflicting requirements, namely to take equal account of both the media distribution and the supporting function of the bipolar plate for the gas diffusion layer.
  • the perforated layer can take over the supporting and contacting function of the bipolar plate for the gas diffusion layer.
  • the rigidity of the gas diffusion layer now only plays a subordinate role, since the risk of the gas diffusion layer sinking into the channels is reduced and in particular prevented because of the perforation layer.
  • the perforation layer can be penetrated by hydrogen and/or oxygen. In this way it can be achieved that the perforation position depends of whether it is used on the cathode or the anode side.
  • a perforation layer can therefore be formed on the anode side in such a way that it is only permeable to hydrogen, whereas a perforation layer on the cathode side can be formed in such a way that it is only permeable to oxygen.
  • a perforation layer is designed in such a way that it is permeable to both oxygen and hydrogen.
  • the perforation layer is designed to be electrically and/or thermally conductive and/or rigid. This configuration of the perforation position essentially enables the efficiency of the fuel cell to be optimized.
  • the perforation layer at least partially has a metal and/or graphite. This configuration of the perforation layer allows a particularly efficient or optimized operation of the fuel cell.
  • the perforation layer is in the form of a metal foil, in particular a thin metal foil, in particular with a thickness of less than 100 ⁇ m, in one embodiment with a thickness of less than 50 ⁇ m.
  • the metal component of the perforation layer means that the gas diffusion layer can be supported particularly reliably by it.
  • the contacting between the bipolar plate and the gas diffusion layer is further improved by the optimized electrical and thermal conductivity due to the metal component of the perforation layer.
  • the perforation layer can at least partially contain graphite as a component.
  • the contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate can be further reduced.
  • the width of at least one web which represents the distance between two directly adjacent flow channels, is smaller than the width of a flow channel, which represents the distance between two directly adjacent webs. Since the additional use of a perforation layer in the fuel cell reduces and in particular prevents the gas diffusion layer from sinking into the flow channels of the bipolar plate, the width of a web and in particular all webs of the bipolar plate can be smaller in relation to the width of the flow channels. It is therefore advantageous for the supply of the fuel or the oxidizing agent if the webs have a smaller width and the respective width of the flow channels can therefore be dimensioned larger accordingly.
  • the width of a web and/or a flow channel according to the invention can be the smallest or also the largest distance between two adjacent webs or two adjacent flow channels in cross section. In special embodiments of the webs or flow channels, the width of a web or flow channel can also be the average distance between two adjacent webs or two adjacent flow channels in cross section.
  • the width of at least one web is less than half, in particular less than a quarter, and in particular less than a tenth of the width of a flow channel.
  • the flow field geometry and the flow field design can be optimized. It can generally be assumed for the configuration of the flow channels that a high quotient between the flow channel width and the web width is more advantageous. However, mechanical limits must also be taken into account, which are predetermined in particular by the perforation position and the flexibility of the gas diffusion layer.
  • the width of a web narrows starting from the bipolar plate towards the side facing the perforation layer.
  • At least one web is essentially quadrangular, in particular rectangular. Due to this shape, the web can support the perforation layer and accordingly the gas diffusion layer in a particularly advantageous manner. Furthermore, the bipolar plate, which has the webs and the flow channels, can be manufactured very easily, which thus reduces the manufacturing costs of the fuel cell.
  • At least one web is of essentially trapezoidal design, with the shorter base side being arranged on the side facing the perforation layer.
  • At least one web is essentially triangular, with a corner point of the web being arranged on the side facing the perforation layer.
  • the channel geometry is advantageously designed for the supporting as well as the contacting function of the bipolar plate for the gas diffusion layer via the perforation layer. Only a substantially minimal contact (corner point of the triangle) on the correspondingly designed web to the perforation layer is necessary, which thus reduces the contact resistance of the individual components of the fuel cell and thus also significantly improves the performance of the fuel cell.
  • the perforation layer has a predetermined flexural rigidity, so that the gas diffusion layer can be at least partially prevented from sinking into one or more flow channels.
  • the flexural stiffness is adjusted according to the ratio of flow channel width to land width. It would also be conceivable to determine the ratio between the flow channel width and the web width as a function of the flexural rigidity of the perforation layer.
  • the fuel cell can also be designed in such a way that the web width is greater in areas in which the gas diffusion layer is more likely to sink than in areas in which the gas diffusion layer is less likely to sink. The edge areas of the bipolar plate are less affected by the gas diffusion layer sinking in than areas in the center of the bipolar plate.
  • the bipolar plate has at least one cooling channel for guiding a gas and/or fluid. Since the chemical reaction of the fuel cell during operation also releases part of the energy generated as thermal energy and thus heat, the proposed fuel cell also has a cooling channel for dissipating this heat.
  • a suitable gas and/or fluid can be provided for this purpose, which in particular has advantageous thermal properties in this regard.
  • a further aspect of the invention relates to a stack which has two or more fuel cells according to the first aspect of the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary fuel cell according to the invention in cross section
  • Fig. 2 would be a section of the fuel cell with respect to a gas diffusion and a
  • FIG 3 shows a section of the exemplary fuel cell according to the invention with regard to a gas diffusion layer and a bipolar plate with flow channels and webs;
  • FIG. 1 shows an exemplary fuel cell 1 according to the invention in cross section.
  • Fuel cell 1 has this center on a membrane-electrode assembly 3, on which a gas diffusion layer 4 is arranged on the anode side and on the cathode side.
  • the gas diffusion layer 4 serves to provide fuel on the cathode side of the membrane electrode assembly 3 and oxidizing agent on the anode side of the membrane electrode assembly 3 in a suitable manner.
  • a seal 8 is provided perpendicular to the membrane-electrode arrangement 3 and to the two illustrated gas diffusion layers 4 in order to prevent any escape of the reactants. Furthermore, a bipolar plate 2 is arranged between an end plate 9 and the gas diffusion layer 4 on the anode side and the cathode side. This bipolar plate 2 has at least one and, as shown in this figure, several cooling channels 11 .
  • a perforation layer 7 is provided between at least one bipolar plate 2 and an adjacent gas diffusion layer 4 , but in particular between each bipolar plate 2 and the respectively adjacent gas diffusion layer 4 .
  • this serves to ensure the contacting between the bipolar plate 2 and the respectively adjacent gas diffusion layer 4 .
  • this also means that the reaction media, namely the fuel or the oxidizing agent, can be provided in an evenly distributed manner in the gas diffusion layer 4 and thus for the membrane electrode assembly 3 in a particularly optimized manner.
  • the flow channels 5 are arranged in the bipolar plates 2 in such a way that the flow channels 5 are arranged adjacent to and adjacent to the perforation layer 7 so that the media guided in the flow channels 5 can be delivered directly to the perforation layer 7 .
  • the perforation layer 7 can be designed in such a way that it can be penetrated by hydrogen and/or oxygen. This can be improved in particular in that the perforation layer 7 is at least partially made of metal and/or graphite.
  • the perforation layer 7 is designed, for example, as a metallic foil.
  • the perforation layer 7 is designed to be electrically and/or thermally conductive and/or rigid in order to enable particularly efficient operation of the fuel cell 1 .
  • the bipolar plate 2 has cooling channels 11 through which a liquid or gaseous cooling medium can flow. This is often necessary in order to dissipate waste heat, which is produced by the chemical reaction for generating electricity within the fuel cell 1, so that any overheating or even damage to the fuel cell 1 can be avoided.
  • an end plate 9 is provided adjacently.
  • the individual components of the fuel cell 1 are held together by a bracing system 10 which is provided at the top and at the bottom of the fuel cell 1 .
  • a plurality of these fuel cells 1 presented can also be lined up, so that a so-called fuel cell stack is created.
  • FIG. 2 shows a section of a fuel cell 1 with respect to a gas diffusion layer 4 and a bipolar plate 2 with flow channels 5 and webs 6 according to the prior art.
  • conventional gas diffusion layers 4 are designed to be essentially limp.
  • the gas diffusion layer 4 sinks at least partially into the flow channels 5 of the bipolar plate 2 during the operation of the fuel cell 1 .
  • this results in a reduced flow within the flow channels 5, which is why the media distribution of fuel and oxidizing agent is inhibited.
  • no continuous contacting is achieved at the webs, which also has a negative effect on the efficiency of the fuel cell 1 .
  • Fig. 3 shows a section of the exemplary fuel cell 1 according to the invention with regard to a gas diffusion layer 4 and a bipolar plate with flow channels 5 and webs 6.
  • This arrangement eliminates the disadvantages of the prior art shown in Fig. 2, since the perforation layer 7 prevents the gas diffusion would be 4 in the flow channels 5 at least largely reduced, ideally prevented.
  • the Perforation layer 7 for this purpose has a predetermined flexural rigidity, which would at least substantially counteract the flexural slackness of the respectively adjacent gas diffusion layer.
  • the web width Bs is correspondingly smaller in relation to the flow channel width B S K .
  • the web width B s is half as large, in particular less than or equal to a quarter and in particular less than or equal to a tenth, than the flow channel width BSK-
  • the webs 6 are quadrangular, in particular rectangular. This configuration can be produced particularly cheaply.
  • FIG. 4a only shows a partial section of a bipolar plate 2, having a plurality of flow channels 5 which are spaced apart from one another by webs 6.
  • the webs 6 do not have a direct geometric shape, but resemble a rectangular structure with rounded corners. This configuration is advantageous for the flow field of the fuel or the oxidizing agent.
  • FIG. 4b An alternative configuration of the web geometry is shown in FIG. 4b.
  • the webs 6 essentially have the shape of a trapezium, with the shorter base side being formed towards the perforation layer 7 .
  • This configuration can also be produced particularly cheaply in series production.
  • FIG. 4c a further alternative configuration of the webs 6 of the bipolar plate 2 is shown in FIG. 4c as an example.
  • the webs 6 have an essentially triangular shape, with a corner point extending on the side facing the perforation layer 7 .
  • the width B SK of the webs 6 decreases continuously towards the perforation layer 7 .
  • the narrowing can also take place non-continuously or non-uniformly, as shown, for example, in FIG. 4a.
  • the configuration according to Figure 4c can be adapted again in such a way that the distance BsK and thus the width of the flow channels 5 are further increased, see Figure 4d.
  • the triangular webs are arranged further apart from one another, as a result of which the flow channels 5 are enlarged.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) mit wenigstens zwei Bipolarplatten (2) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (2) angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung (3). Zwischen wenigstens einer Bipolarplatte (2) und einer Membran-Elektroden-Anordnung (3) ist eine Gasdiffusionslage (4) angeordnet, wobei wenigstens eine Bipolarplatte (2) an der zur Gasdiffusionslage (4) zugewandten Seite Strömungskanäle (5) zur Führung eines Gases und/oder Fluids aufweist und die Strömungskanäle (5) durch Stege (6) voneinander beabstandet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Stack mit zwei oder mehreren Brennstoffzellen (1).

Description

Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung, wobei zwischen wenigstens einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung eine Gasdiffusionslage angeordnet ist, sowie einen Stack aufweisend zwei oder mehrere Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die Wärme und elektrische Energie aus einem Brennstoff, der typischerweise eine protonenfreisetzende Quelle ist, und einem Oxidationsmittel erzeugen. Bekannte Brennstoffzellen verwenden beispielsweise Wasserstoff als Protonenquelle und Sauerstoff, insbesondere aus der Umgebungsluft als Oxidationsmittel. Dabei weist eine Brennstoffzelle meist eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen auf, deren elektrische Spannungen, und damit deren Leistungsabgabe, sich addieren. Eine solche Anordnung wird als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack („Stack“) bezeichnet. Die Randzellen eines Brennstoffzellenstacks sind mit einem äußeren elektrischen Leiterkreis verbunden, der die erzeugte elektrische Energie einem Verbraucher zuführt. Formal gesehen weisen Randzellen an der Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung keine Bipolarplatte, sondern eine Monopolarplatte auf. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden auch solche Monopolarplatten im Folgenden als 'Bipolarplatte" bezeichnet.
Zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) ist je eine Bipolarplatte angeordnet, an deren Seitenflächen Prozessgas an die Membran-Elektroden-Anordnungen geführt wird. Eine Membran-Elektroden-Anordnung weist sowohl einen Anoden- als auch einen Kathodenbereich auf, wobei der Brennstoff zum Anodenbereich und das Oxidationsmittel zum Kathodenbereich geführt wird. An der Anode wird der Brennstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die verbleibenden Ionen gelangen durch den meist in Form einer Membran vorliegenden Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Oxidationsmittel (Sauerstoff) sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu einem Reaktionsprodukt reagieren. Darüber hinaus befindet sich zwischen je einer Bipolarplatte und der MEA für gewöhnlich eine sogenannte Gasdiffusionslage, welche dafür vorgesehen ist, die Reaktionsgase fein und sehr gleichmäßig zur MEA zu führen und dort zu verteilen. Hierfür sind in den Bipolarplatten und im verbauten Zustand angrenzend zur jeweiligen Gasdiffusionslage Fluidkanäle vorgesehen, welche durch Stege voneinander beabstandet sind und den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel zur Gasdiffusionslage führen. Eine Mehrzahl dieser Fluidkanäle wird in diesem Zusammenhang oftmals als so genanntes „Flowfield“ bezeichnet.
Zusätzlich zur Medienverteilung übernimmt die Bipolarplatte aber auch eine abstützende Funktion für die jeweils benachbarte Gasdiffusionslage, welche relativ biegeschlaff ist. Wie gut die Gasdiffusions läge abgestützt ist, bestimmt im Wesentlichen den Kontaktwiderstand der Einzelkomponenten in der Brennstoffzelle und damit auch die Leistungsfähigkeit dieser. Die Breite der Stege bei gefrästen graphitischen Bipolarplatten (senkrechte Kanalwände) oder auch das Flowfield bei umgeformten metallischen Bipolarplatten ist daher auch durch eine möglichst gute Abstützung bestimmt, um damit eine Kontaktierung der Gasdiffusionslage zu gewährleisten.
Daher ist die Abstützung der Gasdiffusionslage als auch die Kontaktierung abhängig von der Gestaltung des Flowfields der jeweiligen Bipolarplatte. Für die abstützende Funktion der Bipolarplatte gilt prinzipiell: je schmaler die Kanäle und je breiter die Stege desto besser die Abstützung und die Kontaktierung (elektrischer Kontaktwiderstand) der Gasdiffusions läge. Jedoch besteht die Gefahr, dass aufgrund der Biegeschlaffheit der Gasdiffusionslage diese in die angrenzenden Fluidkanäle des Flowfields einsinkt und sich entsprechend der Form des Flowfields anpasst und sich insbesondere verformt. Daraus resultierend wird ein Teil des betroffenen Fluidkanals von der Gasdiffusionslage versperrt, was zu einem verschlechterten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle insgesamt führt. Des Weiteren kann die Verformung der Gasdiffusionslage ferner zur Folge haben, dass die Kontaktfläche auf den Stegen zusätzlich reduziert wird, was somit den Kontaktwiderstand noch weiter verschlechtert.
Für die Medienverteilung an die MEA gilt jedoch prinzipiell je schmaler die Stege, desto besser die Leistung der Brennstoffzelle, weil Gase besser an die MEA gebracht werden und Produktwasser leichter abtransportiert werden kann. Für das Design der Kanal-Steg Geometrie muss somit dieser Zielkonflikt immer berücksichtigt werden. Typische Kanalbreiten beschränken sich daher für graphitische Bipolarplatten in der Regel auf weniger als 1 mm und für metallische Bipolarplatten auf weniger als 1,5 mm.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzelle vorzuschlagen, welche insbesondere die Medienverteilung als auch die abstützende Funktion der Bipolarplatte gleichermaßen verbessert. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung vorgeschlagen. Zwischen wenigstens einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung ist eine Gasdiffusionslage angeordnet, wobei wenigstens eine Bipolarplatte an der zur Gasdiffusions läge zugewandten Seite Strömungskanäle zur Führung eines Gases und/ oder Fluids aufweist und die Strömungskanäle durch Stege voneinander beabstandet sind. Zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusions läge ist zusätzlich eine Perforationslage angeordnet, die durch Materialauswahl und/ oder ihre konstruktive Beschaffenheit im Wesentlichen biegesteif ist und dadurch im Verbund einen abstützenden Effekt auf die Gasdiffusions läge ausübt.
Durch die zusätzliche Perforationslage zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusions läge gelingt es die beiden konträren Anforderungen zu entkoppeln, nämlich sowohl die Medienverteilung als auch die abstützende Funktion der Bipolarplatte für die Gasdiffusionslage gleichermaßen zu berücksichtigen. Die Perforationslage kann entsprechend die abstützende und die Kontaktierungsfunktion der Bipolarplatte für die Gasdiffusions läge übernehmen.
Insbesondere spielt die Steifigkeit der Gasdiffusions läge nun nur noch eine untergeordnete Rolle, da wegen der Perforationslage die Gefahr eines Einsinkens der Gasdiffusions läge in die Kanäle verringert und insbesondere verhindert wird.
In einer Ausführungsform ist die Perforationslage von Wasserstoff und/oder Sauerstoff durchdringbar. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Perforationslage in Abhängigkeit davon, ob diese an der Kathoden- oder der Anodenseite verwendet wird, entsprechend ausgebildet ist. An der Anodenseite kann eine Perforationslage daher in der Weise ausgebildet sein, dass diese lediglich für Wasserstoff durchlässig ausgebildet ist, wohingegen eine Perforationslage an der Kathodenseite derart ausgebildet sein kann, dass diese lediglich für Sauerstoff durchlässig ist. Insbesondere ist eine Perforationslage jedoch in der Weise ausgebildet, dass diese für Sauerstoff als auch Wasserstoff durchlässig ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Perforationslage elektrisch und/oder thermisch leitfähig und/oder biegesteif ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung der Perforationslage wird im Wesentlichen eine Optimierung des Wirkungsgrads der Brennstoffzelle ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Perforationslage wenigstens teilweise ein Metall und/oder Graphit auf. Diese Ausgestaltung der Perforationslage erlaubt einen besonders effizienten bzw. optimierten Betrieb der Brennstoffzelle.
In einer Ausführung ist die Perforationslage als, insbesondere dünne, Metallfolie ausgebildet, insbesondere mit einer Dicke kleiner als 100 pm, in einer Ausführung mit einer Dicke kleiner als 50 pm. Einerseits wird durch den Metallbestandteil der Perforationslage erreicht, dass die Gasdiffusionslage durch diese besonders zuverlässig abgestützt werden kann. Andererseits wird durch die optimierte elektrische als auch thermische Leitfähigkeit aufgrund des Metallbestandteils der Perforationslage die Kontaktierung zwischen Bipolarplatte als auch Gasdiffusionslage weiter verbessert.
Alternativ kann die Perforationslage wenigstens teilweise Graphit als Bestandteil aufweisen. Dadurch kann insbesondere der Kontaktwider stand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte weiter reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Breite wenigstens eines Stegs, welche den Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Strömungskanälen darstellt, kleiner als die Breite eines Strömungskanals, welche den Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Stegen darstellt. Da aufgrund der zusätzlichen Verwendung einer Perforationslage in der Brennstoffzelle ein Einsinken der Gasdiffusionslage in die Strömungskanäle der Bipolarplatte verringert und insbesondere verhindert wird, kann die Breite eines Stegs und insbesondere damit aller Stege der Bipolarplatte im Verhältnis zu der Breite der Strömungskanäle geringer ausfallen. Daher ist es für die Zuführung des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels vorteilhaft, wenn die Stege eine geringere Breite aufweisen und somit entsprechend die jeweilige Breite der Strömungskanäle größer dimensioniert werden kann.
Die Breite eines Stegs und/oder eines Strömungskanals im Sinne der Erfindung kann - abhängig von der Geometrie des jeweiligen Stegs oder Strömungskanals - der geringste oder aber auch der größte Abstand zwischen zwei benachbarten Stegen bzw. zwei benachbarten Strömungskanälen im Querschnitt sein. Bei besonderen Ausführungsformen der Stege oder Strömungskanäle kann es sich bei der Breite eines Stegs oder Strömungskanals auch um den mittleren Abstand zwischen zwei benachbarten Stegen bzw. zwei benachbarten Strömungskanälen im Querschnitt handeln.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Breite wenigstens eines Stegs kleiner als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Viertel, und insbesondere kleiner als ein Zehntel der Breite eines Strömungskanals.
Da die beiden konträren Anforderungen an die Brennstoffzelle, nämlich dass die Bipolarplatte eine abstützende als auch eine Kontaktierungsfunktion für die Gasdiffusionslage übernehmen soll, durch die vorgeschlagene zusätzliche Perforationslage entkoppelt sind, kann die Flowfield- Geometrie und das Flowfield-Design optimiert werden. Dabei kann für die Ausgestaltung der Strömungskanäle im Allgemeinen davon ausgegangen werden, dass ein hoher Quotient zwischen Strömungskanalbreite zu Stegbreite vorteilhafter ist. Dabei sind jedoch auch mechanische Grenzen zu berücksichtigen, welche insbesondere von der Perforationslage und der Biegeschlaffheit der Gasdiffusionslage vorbestimmt sind.
In einer weiteren Ausführungsform verschmälert sich die Breite eines Stegs ausgehend von der Bipolarplatte hin zu der zur Perforationslage zugewandten Seite. Durch diese Ausgestaltung kann einerseits ermöglicht werden, dass sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel durch einen möglichst breiten bzw. großen Strömungskanal fließen kann und andererseits der bzw. die Stege zwischen den Strömungskanälen genügend breit ist/ sind, um die Perforationslage und somit auch die Gasdiffusions läge ausreichend zu stützen.
In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Steg im Wesentlichen viereckig, insbesondere rechteckförmig, ausgebildet. Durch diese Formgebung kann der Steg die Perforationslage und entsprechend die Gasdiffusions läge besonders vorteilhaft stützen. Ferner kann die Bipolarplatte, welche die Stege und die Strömungskanäle aufweist, sehr einfach hergestellt werden, was somit die Herstellungskosten der Brennstoffzelle reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Steg im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet, wobei die kürzere Grundseite an der zur Perforationslage zugewandten Seite angeordnet ist. Diese Ausgestaltung spiegelt einen vorteilhaften Kompromiss zwischen einer ausreichenden Stützfähigkeit der Perforationslage und damit der Gasdiffusions läge als auch einer optimierten Zuführung des Sauerstoffs und/oder des Wasserstoffs aufgrund der erhöhten Strömungskanalbreite wieder.
In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Steg im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet, wobei ein Eckpunkt des Stegs an der zur Perforationslage zugewandten Seite angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Kanalgeometrie vorteilhaft für die abstützende als auch die Kontaktierungsfunktion der Bipolarplatte für die Gasdiffusions läge über die Perforationslage ausgebildet. Dabei ist lediglich ein im Wesentlichen minimaler Kontakt (Eckpunkt des Dreiecks) an dem entsprechend ausgebildeten Steg zur Perforationslage nötig, was somit den Kontaktwiderstand der Einzelkomponenten der Brennstoffzelle verringert und damit auch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle maßgeblich verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Perforationslage eine vorbestimmte Biegesteifigkeit auf, so dass ein Einsinken der Gasdiffusionslage in einen oder mehrere Strömungskanäle wenigstens teilweise verhinderbar ist. Bei einer Ausführung wird die Biegesteifigkeit entsprechend des Verhältnisses zwischen Strömungskanalbreite zu Stegbreite angepasst. Wobei es auch denkbar wäre, das Verhältnis zwischen Strömungskanalbreite zu Stegbreite in Abhängigkeit zur Biegesteifigkeit der Perforationslage zu bestimmen. Die Brennstoffzelle kann auch in der Weise ausgebildet sein, dass die Stegbreite in Bereichen, in welchen ein Einsinken der Gasdiffusions läge wahrscheinlicher ist, größer ist als in Bereichen, in welchen ein Einsinken der Gasdiffusions läge unwahrscheinlicher ist. Dabei sind die Randbereiche der Bipolarplatte weniger von einem Einsinken der Gasdiffusionslage betroffen als Bereiche mittig der Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Bipolarplatte wenigstens einen Kühlkanal zur Führung eines Gases und/oder Fluids auf. Da durch die chemische Reaktion der Brennstoffzelle im Betrieb auch ein Teil der erzeugten Energie als thermische Energie und somit Wärme freigesetzt wird, weist die vorgeschlagene Brennstoffzelle zusätzlich einen Kühlkanal zum Abführen dieser Wärme auf. Hierfür kann ein geeignetes Gas und/oder Fluid vorgesehen sein, welches insbesondere über vorteilhafte thermische Eigenschaften diesbezüglich verfügt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Stack, welcher zwei oder mehrere Brennstoffzellen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
Fig. 1 eine beispielhafte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Querschnitt;
Fig. 2 einen Ausschnitt der Brennstoffzelle bezüglich einer Gasdiffusions läge und einer
Bipolarplatte mit Strömungskanälen und Stegen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 einen Ausschnitt der beispielhaften erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bezüglich einer Gasdiffusionslage und einer Bipolarplatte mit Strömungskanälen und Stegen; und
Fig. 4a bis d beispielhafte Ausführungsformen der Strömungskanäle und Stege einer Bipolarplatte.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Brennstoffzelle 1 im Querschnitt. Die
Brennstoffzelle 1 weist hierfür mittig eine Membran-Elektroden- Anordnung 3 auf, an welcher anodenseitig als auch kathodenseitig jeweils eine Gasdiffusions läge 4 angeordnet ist. Die Gasdiffusionslage 4 dient dabei dazu, an der Kathodenseite Brennstoff und an der Anodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung 3 Oxidationsmittel der Membran-Elektroden- Anordnung 3 in geeigneter Weise bereit zu stellen.
Senkrecht zur Membran-Elektroden- Anordnung 3 sowie zu den beiden dargestellten Gasdiffusionslagen 4 ist jeweils eine Dichtung 8 vorgesehen, um einen etwaigen Austritt der Reaktionsteilnehmer zu verhindern. Ferner ist zwischen einer Endplatte 9 und der Gasdiffusionslage 4 auf der Anodenseite bzw. der Kathodenseite jeweils eine Bipolarplatte 2 angeordnet. Diese Bipolarplatte 2 weist wenigstens einen und wie in dieser Abbildung gezeigt mehrere Kühlkanäle 11 auf.
Zwischen wenigstens einer Bipolarplatte 2 und einer angrenzenden Gasdiffusionslage 4, insbesondere jedoch zwischen jeder Bipolarplatte 2 und der jeweils angrenzenden Gasdiffusionslage 4 ist eine Perforationslage 7 vorgesehen. Diese dient einerseits dazu, die Kontaktierung zwischen Bipolarplatte 2 und der jeweils benachbarten Gasdiffusionslage 4 zu gewährleisten. Andererseits wird damit auch erreicht, dass die Reaktionsmedien, nämlich der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, besonders optimiert in die Gasdiffusions läge 4 und damit für die Membran-Elektroden-Anordnung 3, gleichverteilt bereitgestellt werden können.
Die Strömungskanäle 5 sind dabei in den Bipolarplatten 2 in der Weise angeordnet, dass die Strömungskanäle 5 zu der Perforationslage 7 hin benachbart und angrenzend zu dieser angeordnet sind, sodass die in den Strömungskanälen 5 geführten Medien direkt an die Perforationslage 7 abgegeben werden können.
In einer Ausführungsform kann die Perforationslage 7 dabei in der Weise ausgebildet sein, dass diese von Wasserstoff und/oder Sauerstoff durchdringbar ist. Dies kann insbesondere dadurch verbessert werden, dass die Perforationslage 7 wenigstens teilweise aus Metall und/ oder Graphit ausgebildet ist. In Fig. 1 ist die Perforationslage 7 beispielsweise als metallische Folie ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Perforationslage 7 elektrisch und/ oder thermisch leitfähig und/ oder biegesteif ausgebildet ist, um einen besonders effizienten Betrieb der Brennstoffzelle 1 zu ermöglichen. Darüber hinaus weist die Bipolarplatte 2 jeweils Kühlkanäle 11 auf, durch welche ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium strömen kann. Dieses ist oftmals notwendig, um Abwärme, welche durch die chemische Reaktion für die Stromerzeugung innerhalb der Brennstoffzelle 1 entsteht, abzuführen, sodass etwaige Überhitzungen oder gar Schäden an der Brennstoffzelle 1 vermieden werden können.
An je einer äußeren Seite der Bipolarplatte 2, welche somit an der zur Perforationslage 7 hin abgewandten Seite angeordnet ist, ist benachbart angrenzend je eine Endplatte 9 vorgesehen. Die Einzelkomponenten der Brennstoffzelle 1 werden über ein Verspannsystem 10, welches am oberen als auch am unteren Rand der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist, zusammengehalten.
Insbesondere kann auch eine Mehrzahl dieser vorgestellten Brennstoffzellen 1 aneinander gereiht werden, so dass ein so genannter Brennstoffzellen- Stack entsteht.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Brennstoffzelle 1 bezüglich einer Gasdiffusionslage 4 und einer Bipolarplatte 2 mit Strömungskanälen 5 und Stegen 6 gemäß dem Stand der Technik. Dabei wird die eingangs bereits erwähnte Problematik aufgezeigt, dass gewöhnliche Gasdiffusionslagen 4 im Wesentlichen biegeschlaff ausgebildet sind. Dies führt zu dem in Fig. 2 gezeigten Effekt, nämlich dass die Gasdiffusionslage 4 während des Betriebs der Brennstoffzelle 1 wenigstens teilweise in die Strömungskanäle 5 der Bipolarplatte 2 einsinkt. Damit resultiert zum einen eine verminderte Strömung innerhalb der Strömungskanäle 5, weshalb die Medienverteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel gehemmt ist. Andererseits wird auch, wie ersichtlich, an den Stegen keine durchgehende Kontaktierung erreicht, was sich ebenfalls negativ auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 1 auswirkt.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der beispielhaften erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 bezüglich einer Gasdiffusionslage 4 und einer Bipolarplatte mit Strömungskanälen 5 und Stegen 6. Diese Anordnung behebt dabei die in Fig. 2 aufgezeigten Nachteile des Stands der Technik, da durch die Perforationslage 7 ein Einsinken der Gasdiffusions läge 4 in die Strömungskanäle 5 wenigstens weitestgehend reduziert, idealerweise verhindert wird. Insbesondere weist die Perforationslage 7 hierfür eine vorbestimmte Biegesteifigkeit auf, welche der Biegeschlaffheit der jeweils angrenzenden Gasdiffusions läge wenigstens im Wesentlichen entgegenwirkt.
Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es somit auch möglich, dass die Stegbreite Bs im Verhältnis zur Strömungskanalbreite BSK entsprechend geringer ausfallen kann. Insbesondere ist die Stegbreite Bs halb so groß, insbesondere kleiner gleich ein Viertel und insbesondere kleiner gleich ein Zehntel, als die Strömungskanalbreite BSK- Diese Ausgestaltung ermöglicht ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen ausreichender Kontaktierung und Medienverteilung. Die Stege 6 sind in dieser beispielhaften Ausführungsform viereckig, insbesondere rechteckig, ausgebildet. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders günstig herstellen.
Fig. 4a bis d zeigen beispielhafte Ausführungsformen der Strömungskanäle 5 und Stege 6 einer Bipolarplatte 2.
In Fig. 4a ist lediglich ein Teilausschnitt einer Bipolarplatte 2 dargestellt, aufweisend mehrere Strömungskanäle 5, welche durch Stege 6 voneinander beabstandet sind. Die Stege 6 weisen dabei keine unmittelbar geometrische Form auf, sondern ähneln einem rechteckigen Aufbau mit abgerundeten Ecken. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft für das Strömungsfeld des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittel.
Eine alternative Ausgestaltung der Steggeometrie ist in Fig. 4b dargestellt. Dabei weisen die Stege 6 im Wesentlichen die Form eines Trapezes auf, wobei die kürzere Grundseite zu der Perforationslage 7 hin ausgebildet ist. Auch diese Ausgestaltung lässt sich besonders günstig in einer Serienfertigung herstellen.
Um eine im Wesentlichen minimale Auflagefläche der Perforationslage 7 auf der Bipolarplatte 2 zu erzielen, wird beispielhaft in Fig. 4c eine weitere alternative Ausgestaltung der Stege 6 der Bipolarplatte 2 aufgezeigt. Dabei weisen die Stege 6 eine im Wesentlichen dreieckige Form auf, wobei sich ein Eckpunkt an der zur Perforationslage 7 hin zugewandten Seite erstreckt. Wie gezeigt, verringert sich die Breite BSKder Stege 6 hin zur Perforationslage 7 kontinuierlich. Die Verschmälerung kann jedoch auch nicht kontinuierlich bzw. nicht gleichmäßig, wie z.B. in Fig. 4a gezeigt, erfolgen. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 4c kann nochmals dahingehend adaptiert werden, dass der Abstand BsKund somit die Breite der Strömungskanäle 5 weiter vergrößert werden, vgl. Fig. 4d. Hierzu sind die dreieckförmigen Stege nochmals weiter voneinander beabstandet angeordnet, wodurch die Strömungskanäle 5 vergrößert sind.
Es ist auch möglich, zwei oder mehrere der hier vorgestellten Ausgestaltungen von Strömungskanälen 5 bzw. Stegen 6 zu kombinieren oder gänzlich andere Formen, welche im Sinne der Erfindung das eingangs erläuterte technische Problem lösen, zu verwenden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Brennstoffzelle
2 Bipolarplatte
3 Membran-Elektroden-Anordnung
4 Gasdiffusionslage 5 Strömungskanal
6 Steg
7 Perforationslage
8 Dichtung
9 Endplatte 10 Verspannsystem
11 Kühlkanal
BSK Breite Strömungskanal
Bs Breite Steg

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennstoffzelle (1) mit wenigstens zwei Bipolarplatten (2) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (2) angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung (3), wobei zwischen wenigstens einer Bipolarplatte (2) und einer Membran-Elektroden- Anordnung (3) eine Gasdiffusions läge (4) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Bipolarplatte (2) an der zur Gasdiffusions läge (4) zugewandten Seite Strömungskanäle (5) zur Führung eines Gases und/ oder Fluids aufweist und die Strömungskanäle (5) durch Stege (6) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bipolarplatte (2) und der Gasdiffusions läge (4) eine Perforationslage (7) angeordnet ist.
2. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, wobei die Perforationslage (7) von Wasserstoff und/ oder Sauerstoff durchdringbar ist.
3. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Perforationslage (7) elektrisch und/ oder thermisch leitfähig und/ oder biegesteif ausgebildet ist.
4. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Perforationslage (7) wenigstens teilweise ein Metall und/ oder Graphit aufweist.
5. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite (Bs) wenigstens eines Stegs (6), welche den Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Strömungskanälen (5) darstellt, kleiner ist als die Breite (BSK) eines Strömungskanals (5), welche den Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Stegen (6) darstellt.
6. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite (Bs) wenigstens eines Stegs (6) kleiner als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Viertel, und insbesondere kleiner als ein Zehntel, der Breite (BSK) eines Strömungskanals (5) ist.
7. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Breite (Bs) eines Stegs (5) ausgehend von der Bipolarplatte (2) hin zu der zur Perforationslage (7) zugewandten Seite verschmälert.
8. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Steg (6) im Wesentlichen viereckig, insbesondere rechteckförmig, ausgebildet ist.
9. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Steg (6) im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist, wobei die kürzere Grundseite an der zur Perforationslage (7) zugewandten Seite angeordnet ist.
10. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Steg (6) im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet ist, wobei ein Eckpunkt des Stegs (6) an der zur Perforationslage (7) zugewandten Seite angeordnet ist.
11. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Perforationslage (7) eine vorbestimmte Biegesteifigkeit aufweist, so dass ein Einsinken der Gasdiffusionslage (4) in einen oder mehrere Strömungskanäle (5) wenigstens teilweise verhinderbar ist.
12. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bipolarplatte (2) wenigstens einen Kühlkanal (11) zur Führung eines Gases und/oder Fluids aufweist.
13. Stack, aufweisend zwei oder mehrere Brennstoffzellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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