EP-3953986-B1 - BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELLS, FUEL CELL STACK WITH SUCH BIPOLAR PLATES AS WELL AS VEHICLE WITH SUCH A FUEL CELL STACK

Inventors

• JILANI, ADEL
• KUMAR, SANJIV
• BRADEAN, RADU P.
• VOIGT, SEBASTIAN

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20200320

Claims (9)

1. Bipolar plate (12) for a fuel cell comprising: an anode plate (30) having an anode side (31) and a coolant side (32), wherein a first structuring (33) is formed at the anode side (31) in order to form an anode flux field (34), and a cathode plate (40) having a cathode side (41) and a coolant side (42), wherein a second structuring (43) is formed at the cathode side (41) in order to form a cathode flux field (44); wherein structural elements (51) which are contacted by the coolant sides (32, 42) of the anode plate (30) and the cathode plate (40) are arranged between the anode plate (30) and the cathode plate (40) in order to form a coolant flux field (50), wherein the structural elements (51) comprise a resilient material, characterized in that the structural elements (51) are formed on a carrier plate (53) which is arranged bearing either on the anode plate (30) or on the cathode plate (40), wherein the carrier plate (53) can be or is fixed to the anode plate (30) or the cathode plate (40), and in that the carrier plate (53) is produced integrally with the structural elements (51).
2. Bipolar plate (12) according to claim 1, characterized in that the anode plate (30) and the cathode plate (40) consist of metal or a conductive, carbon-based material, preferably graphite or a composite material comprising graphite and carbon.
3. Bipolar plate (12) according to claim 1 or 2, characterized in that the structural elements (51) consist of a resilient polymer, wherein at least one structural element is conductive.
4. Bipolar plate (12) according to any one of the preceding claims, characterized in that the structural elements (51) are column-like and preferably have a rectangular or oval cross-section and are arranged with spacing from each other.
5. Bipolar plate (12) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first structuring (33) of the anode plate (30) and the second structuring (43) of the cathode plate (40) are positioned one above the other in the stacking direction (S) and overlap each other at least partially with the cross-sectional surface-area of the structural elements (51).
6. Bipolar plate (12) according to any one of the preceding claims, characterized in that the structural elements (51) are arranged in a regular or irregular manner with flow paths (52) being formed.
7. Bipolar plate (12) according to any one of the preceding claims, characterized in that the structurings (33, 43) of the anode plate (30) and/or the cathode plate (40) are arranged in a column-like manner.
8. Fuel cell stack (100) comprising a stack between two end plates (18) of alternately arranged membrane/electrode arrangements (10) and bipolar plates (12) according to any one of claims 1 to 7.
9. Vehicle having a fuel cell stack (100) according to claim 8.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine Anodenplatte mit einer Anodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf der Anodenseite eine erste Strukturierung zur Ausbildung eines Anoden-Flussfelds ausgebildet ist; eine Kathodenplatte mit einer Kathodenseite und einer Kühlmittelseite, wobei auf der Kathodenseite eine zweite Strukturierung zur Ausbildung eines Kathoden-Flussfelds ausgebildet ist; wobei zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte zur Ausbildung eines KühlmittelFlussfelds Strukturelemente angeordnet sind, die von den Kühlmittelseiten der Anodenplatte und der Kathodenplatte kontaktiert sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie ein Fahrzeug, das einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist. 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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (1/2 O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H2+ → H2O). Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebs gas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. Typischerweise bestehen Bipolarplatten aus zwei miteinander verbundenen Halbplatten, die jeweils beidseitig strukturiert sind. Auf den voneinander abgewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport der Betriebsmedien und auf den zueinander zugewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport von Kühlmittel benötigt. Dabei müssen die Halbplatten jeweils aufeinander abgestimmt werden, da drei separate Transportwege mittels zweier Halbplatten zur Verfügung gestellt werden müssen. Das führt zu weiteren Randbedingungen, die die Flexibilität der Ausgestaltungen der Bipolar platten reduziert. In typischen Ausführungen sind die Halbplatten bekannter Bipolarplatten profiliert ausgebildet, wobei die Profile ineinander eingreifen beziehungsweise verschachtelt sind. Der Brennstoffzellenstapel weist an seinen gegenüberliegenden Stapelenden typischerweise Endplatten auf, welche mittels Spannvorrichtungen als Teil eines Spannsystems miteinander verbunden sind. Mittels der Spannvorrichtungen werden Zugkräfte übertragen, welche die Endplatten zueinander ziehen und die dazwischen angeordneten Einzelzellen verpressen, also gegeneinanderpressen. Teil des Spannsystems sind zudem Druckfedern, um den Stapel gleichmäßig zu belasten und Schädigungen an diesem zu vermeiden. Aus der DE 10 2