DE102005042498B4 - Fluidverteilungsanordnung, Brennstoffzelle und Separatorplatte mit einer mit Noppen versehener Kanalstruktur für eine bipolare Platte zur Verbesserung des Wassermanagements insbesondere auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle - Google Patents

Fluidverteilungsanordnung, Brennstoffzelle und Separatorplatte mit einer mit Noppen versehener Kanalstruktur für eine bipolare Platte zur Verbesserung des Wassermanagements insbesondere auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Fluidverteilungsanordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle mit: einer Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) mit einer Hauptseite (78); einem Begrenzungselement (34, 36, 38, 40), das über der Hauptseite (78) angeordnet ist; und einem Strömungsfeld (84) zur Lieferung von Reaktand in einer Strömungsrichtung (F) über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70), wobei das Strömungsfeld (84) durch eine Vielzahl von Noppen (80) definiert ist, die an der Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) ausgebildet sind und sich von der Hauptseite (78) in Richtung des Begrenzungselementes (34, 36, 38, 40) erstrecken; wobei die Vielzahl von Noppen (80) umfasst: eine erste Serie von Noppen (86), die in einer sich wiederholenden Weise über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind; und eine zweite Serie von Noppen (88), die in einer sich wiederholenden Weise über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind; wobei die erste und zweite Serie von Noppen (86, 88) sich in Strömungsrichtung (F) in einer abwechselnden Weise über die Separatorplatte (70) wiederholen; und wobei eine Achse (A1), die entlang jeweiliger Mittelpunkte von Noppen (80) sich wiederholender erster Serien von Noppen (86) definiert ist, mit einem Außenrand von Noppen (80) sich wiederholender zweiter Serien von Noppen (88) ausgerichtet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Strömungsfeld auf einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle.
  • In der DE 198 35 759 A1 wird eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der eine Trennplatte zwischen zwei Elektrolyt-Elektroden-Einheiten vorgesehen ist. Die Elektrolyt-Elektroden-Einheiten bestehen jeweils aus einer Anode, einer Kathode und einem Polymerelektrolyt. Darüber hinaus sind in den Brennstoffkammern Hindernisse im Strömungsfeld vorgesehen, die eine Verwirbelung der einströmenden Gase und Flüssigkeiten bewirken. Bei den Hindernissen kann es sich jeweils um langgestreckte Erhebungen handeln. Diese Hindernisse können sich über die gesamte Breite der Trennplatte erstrecken oder aber nur abschnittsweise ausgebildet sein, wobei die Erhebungen in einer Reihe gegenüber den Erhebungen in der in Anströmrichtung vor bzw. hinter ihnen liegenden Reihe versetzt angeordnet ist.
  • DE 101 13 001 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit zumindest einer Einzelzelle, an deren zumindest einer Seite eine Bipolarplatte angeordnet ist, welche einzelzellenseitig noppenförmige Erhebungen aufweist.
  • WO 02/069426 A2 beschreibt eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung mit einer Membran, mit einer Anode und mit einer Kathode umfasst. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen zwei Strömungsfeldplatten angeordnet, die jeweils ein Strömungsfeld aufweisen. Das jeweilige Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Erhebungen. Die Erhebungen können beispielsweise achteckig ausgebildet sein, um eine Wabenstruktur zu bilden, oder viereckig, um ein Rautenmuster zu bilden.
  • Brennstoffzellen sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist eine PEM-Brennstoffzelle (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine sogenannte ”Membranelektrodenanordnung” (MEA) mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt umfasst. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Fluidverteilungselemente (d. h. bipolaren Platten) angeordnet, die als Stromkollektoren für die Elektroden dienen und ein sogenanntes ”Strömungsfeld” bzw. ”Flow Field” besitzen, das eine Gruppierung aus Stegen und Nuten darstellt, die in der Oberfläche der der MEA gegenüberliegenden Platte ausgebildet sind.
  • Die Stege leiten Strom von den Elektroden, während die Nuten zwischen den Stegen dazu dienen, die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle gleichmäßig über die Seiten der Elektroden zu verteilen. Zwischen jedem der elektrisch leitenden Fluidverteilungselemente und den Elektrodenseiten der MEA sind Gasdiffusionsmedien angeordnet, um die MEA zu stützen, während sie den Nuten in dem Strömungsfeld gegenüberliegen, und um Strom davon an die benachbarten Stege zu leiten.
  • Ein Nachteil von Brennstoffzellen liegt jedoch in dem Phänomen, dass Wasser an einem Abfluss von der MEA gehindert wird, was oftmals als ”Fluten” bezeichnet wird. Ein Fluten kann einen Betrieb der Brennstoffzelle bei niedriger Stromdichte behindern, wenn die Luftströmung durch das Kathodenströmungsfeld nicht ausreichend ist, um den Wasserentfernungsprozess zu betreiben. Überschüssiges flüssiges Wasser neigt auch dazu, die Poren in dem Gasdiffusionsmedium zu verstopfen und dadurch die katalytischen Stellen von der Reaktandensauerstoffströmung zu isolieren.
  • Typischerweise verwenden herkömmliche Strömungsfelder diskrete Kanäle, die eine starke ungleichförmige Strömung unter den Stegen bewirken. Die ungleichförmige Strömung unter den Stegen kann zu einem nicht im Gleichgewicht stehenden Wassermanagement führen. In einigen Gebieten können hohe Strömungen zu einem Austrocknen der MEA führen. Überdies neigen in einigen Gebieten vernachlässigbare Strömungen dazu, eine Ansammlung von flüssigem Wasser zu unterstützen, was zu einem Fluten und schließlich zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels im Ganzen führen kann. Daher besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Brennstoffzellenkonstruktion, die die vorher erwähnten Nachteile minimiert.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, das Wassermanagement eines Strömungsfeldes zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 1, eine Brennstoffzelle nach Anspruch 8 und eine Separatorplatte nach Anspruch 14 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine vergrößerte Explosionsteilansicht einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine detaillierte perspektivische Ansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Strömungsfeldes ist;
  • 4 eine Draufsicht des in 3 gezeigten Strömungsfeldes ist;
  • 5 eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Strömungsfeldes gemäß zusätzlicher Merkmale der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 6 eine Draufsicht des in 5 gezeigten Strömungsfeldes ist.
  • 1 zeigt einen bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit zwei Zellen, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 aufweist, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, das nachfolgend als bipolare Platte 8 bezeichnet ist, getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 aneinandergestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H2 und O2) an die MEAs 4 und 6.
  • Nichtleitende Dichtungsscheiben 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Materialien oder Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst. Die Diffusionsmedien 34–40 können hier als Begrenzungselemente bezeichnet werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden an die Diffusionsmedien 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an das Diffusionsmedium 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an das Diffusionsmedium 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird.
  • Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anodenseite von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H2- als auch O2-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Es ist eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der bipolaren Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
  • 2 ist eine vergrößerte Explosionsteilansicht verschiedener Komponenten einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu sehen ist, umfasst die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 56, die eine ionenleitende Membran 58 umfasst, die schichtartig zwischen einer Anodenelektrode 60 und einer Kathodenelektrode 62 angeordnet ist. Die MEA 56 ist ferner schichtartig zwischen einer bipolaren Platte 68 mit anodischer Fläche und einer bipolaren Platte 70 mit kathodischer Fläche angeordnet. Es sei angemerkt, dass Gasdiffusionsmedien bevorzugt zwischen den bipolaren Platten 68 und 70 und der MEA 56 angeordnet sind, jedoch für die vorliegende Erfindung nicht notwendig sind und daher der Einfachheit halber von dieser Figur weggelassen wurden.
  • Wenn ein Brennstoffstrom aus reinem H2 oder Wasserstoffreformat über die Anode 60 verteilt wird, werden Elektronen, die durch die Wasserstoffoxidationsreaktion erzeugt werden, eine kurze Distanz an das benachbart angeordnete elektrisch leitende Fluidverteilungselement oder die bipolare Platte 68 geleitet. Da die Stege 72 der bipolaren Platte 68 direkt mit der Anodenelektrode 60 (oder ggf. dem Diffusionsmedium) in Kontakt stehen, wird die elektrische Leitfähigkeit erleichtert und gesteigert. Protonen (H+), die aus der anodischen Reaktion erzeugt werden, gelangen kombiniert mit Wasser von dem feuchten Brennstoffstrom durch die Anode 60 an die ionenleitende Membran 58 und hindurch zu der Kathode 62. Auf der Kathodenseite der MEA 56 wird ein Strom aus O2 oder Umgebungsluft, der Sauerstoff enthält, über die Kathode 62 verteilt. Der Sauerstoff wird reduziert, und die dabei erzeugten Elektronen werden ebenfalls eine kurze Distanz an eine andere benachbart angeordnete bipolare Platte 70 geleitet. Der reduzierte Sauerstoff reagiert dann mit den Protonen von der Anode 60, und es wird flüssiges Wasser erzeugt.
  • Die bipolare Platte 70 wird nun unter Bezugnahme auf die 2 wie auch die 3 und 4 detaillierter beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung, und um die elektrochemische Reaktion weiter zu erleichtern und die konvektive Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu verbessern, umfasst die bipolare Platte 70 eine Hauptseite 78, die eine Vielzahl von sich davon erstreckenden Noppen 80 definiert. Der Begriff ”Noppen”, der hier verwendet ist, definiert einzelne Verlängerungs- bzw. Ausstülpungsabschnitte, von denen jeder eine Außengrenze, die einen Umfang definiert, umfasst. Die Vielzahl von Noppen 80 wirkt zusammen, um ein Strömungsfeld 84 zum Lenken von Reaktand über die Hauptseite 78 der bipolaren Platte 70 in einer Strömungsrichtung (F) zu definieren. Wie hier beschrieben ist, führt das Strömungsfeld 84, das Noppen 80 verwendet, zu einer homogeneren Strömung über die Kathode 62 (oder das Diffusionsmedium) in den Kanälen 74 und unter den Stegen 72. Diesbezüglich ist das Wassermanagement und insbesondere der Abzug von flüssigem Wasser verbessert. Während die Strömungsrichtung (F) in den Zeichnungen allgemein als eine gerade Linie gezeigt ist, sei angemerkt, dass der Reaktand zwischen jeweiligen Noppen 80 in einer allgemein serpentinenartigen Weise von einer oberstromigen Seite zu einer unterstromigen Seite der bipolaren Platte strömt. Zusätzlich strömt eine signifikante und ziemlich homogene Strömung unter den Noppen 80 und tritt in das Diffusionsmedium ein, wodurch das Wassermanagement verbessert wird.
  • Die Vielzahl von Noppen 80 umfassen allgemein eine erste Serie von Noppen 86 und eine zweite Serie von Noppen 88, die in einer sich wiederholenden Weise entlang der bipolaren Platte 70 in einer Richtung allgemein quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind. Die erste und zweite Serie von Noppen 86 bzw. 88 wiederholt sich in einer abwechselnden Weise über die bipolare Platte 70. Zwischen benachbarten Noppen der ersten Serie von Noppen 86 ist eine erste Serie von Spalten 90 (4) definiert.
  • Ähnlicherweise ist zwischen benachbarten Noppen der zweiten Serie von Noppen 88 eine zweite Serie von Spalten 92 definiert.
  • Wie in 4 gezeigt ist, ist die erste Serie von Noppen 86 relativ zu der zweiten Serie von Noppen 88 in einer Richtung rechtwinklig zu der Strömungsrichtung (F) versetzt angeordnet. Die Vielzahl von Noppen 80 definiert jeweils eine oberstromige Fläche 94 bzw. eine unterstromige Fläche 96 (3). Die oberstromige und die unterstromige Fläche 94 bzw. 96 definieren eine konvexe Kontur. Die versetzte Beziehung zwischen der ersten und zweiten Serie von Noppen 86, 88 zusammen mit der konvexen Kontur jeder Noppe 80 verringert Bereiche von stehendem Wasser in dem Strömungsfeld 84 und unterstützt einen Abzug von flüssigem Wasser. Genauer verhindern die variierenden Querschnitte der Räume zwischen benachbarten Noppen (allgemein als ein Durchgangsbereich 97 in 4 bezeichnet), dass Pfropfen aus flüssigem Wasser in Räumen zwischen benachbarten Noppen hängen bleiben können. In den kleinsten Querschnitten führen höhere Strömungsgeschwindigkeiten zu einem Transport möglicher Pfropfen in der stromabwärts gerichteten Richtung.
  • Abmessungsaspekte der Noppen 80 werden unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläutert. Es sei jedoch angemerkt, dass die den Noppen 80, der bipolaren Platte 70 und dem Strömungsfeld 84 im Ganzen zugeordneten Abmessungen lediglich beispielhaft sind und andere Abmessungen ähnlich verwendet werden können. Jede Noppe 80 erstreckt sich von der Hauptseite 78 über eine Distanz (H1, 3), die eine Kanalhöhe definiert. Bevorzugt beträgt die Kanalhöhe etwa 0,3 mm. Jede Noppe 80 definiert eine Aufstandsfläche mit einer Breite (W1), die sich quer zu der Strömungsrichtung (F) erstreckt, und einer Länge (L), die sich lateral zu der Strömungsrichtung (F) erstreckt. Bevorzugt beträgt die Breite (W1) 5 mm und die Länge (L) 1 mm, wodurch ein W1:L-Verhältnis von 5:1 vorgesehen wird. Eine Distanz zwischen jeweiligen Mittellinien der ersten Serie von Noppen 86 und der zweiten Serie von Noppen 88 definiert einen Versatz (O). Bevorzugt beträgt der Versatz (O) etwa 1,25 mm. Die Serie von Spalten 90, 92 definiert eine Distanz (G), bevorzugt 0,5 mm. Infolgedessen variiert ein gegebener Raum zwischen benachbarten Noppen (an den Spalten 90, 92 und an dem Durchgangsbereich 97) zwischen 0,5 mm bis 1 mm.
  • Insbesondere ist eine Achse (A1), die entlang jeweiliger Mittelpunkte sich wiederholender erster Serien von Noppen 86 definiert ist, mit einem Außenrand sich wiederholender zweiter Serien von Noppen 88 ausgerichtet. Eine derartige Beziehung weist ein unregelmäßiges Muster auf, wobei ein Scheitel 98 der konvexen unterstromigen Fläche 96 von einer Achse (A2) versetzt ist, die an einem Mittelpunkt eines proximalen unterstromigen Spaltes 90, 92 definiert ist. Überdies sind deutlich keine Kanten vorhanden, die zu einer Behinderung der Wasserbewegung neigen. Infolgedessen wird der Transport von Wasser um die bogenförmigen Flächen jeweiliger Noppen 80 und schließlich über das Strömungsfeld 84 der bipolaren Platte 70 in der Strömungsrichtung (F) erleichtert.
  • Eine bipolare Platte 110 gemäß anderer Merkmale ist unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben. Die bipolare Platte 110 umfasst eine Hauptseite 112, die eine Vielzahl sich davon erstreckender Noppen 120 definiert. Die Noppen 120 definieren jeweils allgemein eine Form eines verzerrten Rhombus. Die Vielzahl von Noppen 120 wirkt zusammen, um ein Strömungsfeld 126 zum Lenken von Reaktand über die Hauptseite 112 der bipolaren Platte 110 in einer Strömungsrichtung (F) zu definieren.
  • Die Vielzahl von Noppen 120 umfasst allgemein eine erste Serie von Noppen 130 und eine zweite Serie von Noppen 132, die entlang der bipolaren Platte 110 in einer sich wiederholenden Weise in einer Richtung allgemein quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind. Die Vielzahl von Noppen 120 definiert jeweils eine oberstromige Fläche 133 bzw. eine unterstromige Fläche 134. Die erste und zweite Serie von Noppen 130 bzw. 132 wiederholen sich in einer abwechselnden Weise über die bipolare Platte 110.
  • Abmessungsaspekte der Noppen 120 sind unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Wiederum sind die Abmessungen, die der bipolaren Platte 110 zugeordnet sind, lediglich beispielhafter Natur. Eine Kanalhöhe H2 beträgt bevorzugt 0,3 mm. Jede Noppe 120 definiert allgemein ein oberstromiges Dreieck 136 und ein unterstromiges Dreieck 138. Das oberstromige Dreieck und das unterstromige Dreieck 136 und 138 definieren eine Höhe D1 bzw. eine Höhe D2. Bevorzugt beträgt die Höhe D1 des oberstromigen Dreiecks 0,25 mm und die Höhe D2 des unterstromigen Dreiecks 0,75 mm, wodurch ein geeignetes D1:D2-Verhältnis von 1:3 vorgesehen wird. Eine Spanne (S) zwischen benachbarten Noppen 120 beträgt bevorzugt 2 mm, und die Breite (W2) einer Noppe 120 beträgt bevorzugt 3 mm, wodurch ein ungefähres S:W2-Verhältnis von 2:3 vorgesehen wird.
  • Die Noppen 120 weisen variierende Querschnitte (allgemein als ein Durchgangsbereich 142 bezeichnet) zwischen benachbarten oberstromigen Flächen bzw. unterstromigen Flächen 133 und 134 auf. Der Durchgangsbereich verhindert, dass Pfropfen aus flüssigem Wasser in Räumen zwischen benachbarten Noppen hängen bleiben können, indem bei den kleinsten Querschnitten höhere Strömungsgeschwindigkeiten unterstützt werden.
  • Für Fachleute wird es aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Beispielsweise können, obwohl die hier gezeigten Noppen 80 und 120 mit einer verzerrten Ellipsen- oder Rhombenform gezeigt sind, andere Formen verwendet werden, wie beispielsweise reine Ellipsen mit einem Verhältnis von Breite zu Höhe von 5:1.
  • Zusammengefasst umfasst eine Fluidverteilungsanordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle eine Separatorplatte, die eine Hauptseite aufweist. Über der Hauptseite ist ein Begrenzungselement angeordnet. Ein Strömungsfeld liefert einen Reaktand in einer Strömungsrichtung über die Separatorplatte. Das Strömungsfeld ist durch eine Vielzahl von Noppen definiert, die an der Separatorplatte ausgebildet sind und sich von der Hauptseite in Richtung des Begrenzungselementes erstrecken.

Claims (18)

  1. Fluidverteilungsanordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle mit: einer Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) mit einer Hauptseite (78); einem Begrenzungselement (34, 36, 38, 40), das über der Hauptseite (78) angeordnet ist; und einem Strömungsfeld (84) zur Lieferung von Reaktand in einer Strömungsrichtung (F) über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70), wobei das Strömungsfeld (84) durch eine Vielzahl von Noppen (80) definiert ist, die an der Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) ausgebildet sind und sich von der Hauptseite (78) in Richtung des Begrenzungselementes (34, 36, 38, 40) erstrecken; wobei die Vielzahl von Noppen (80) umfasst: eine erste Serie von Noppen (86), die in einer sich wiederholenden Weise über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind; und eine zweite Serie von Noppen (88), die in einer sich wiederholenden Weise über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind; wobei die erste und zweite Serie von Noppen (86, 88) sich in Strömungsrichtung (F) in einer abwechselnden Weise über die Separatorplatte (70) wiederholen; und wobei eine Achse (A1), die entlang jeweiliger Mittelpunkte von Noppen (80) sich wiederholender erster Serien von Noppen (86) definiert ist, mit einem Außenrand von Noppen (80) sich wiederholender zweiter Serien von Noppen (88) ausgerichtet ist.
  2. Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Noppe (80) der ersten Serien von Noppen (86) eine erste Aufstandsfläche definiert und eine Noppe (80) der zweiten Serien von Noppen (88) eine zweite Aufstandsfläche definiert, um eine Strömung des Reaktanden in der Strömungsrichtung (F) zu behindern, wobei die erste Aufstandsfläche von der zweiten Aufstandsfläche in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) versetzt ist.
  3. Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 1, wobei eine erste Serie von Spalten (90) zwischen benachbarten Noppen der ersten Serie von Noppen (86) definiert ist, und eine zweite Serie von Spalten (92) zwischen benachbarten Noppen der zweiten Serie von Noppen (88) definiert ist.
  4. Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 3, wobei ein Spalt (90) der ersten Serie von Spalten (90) einen ersten Durchgang (97) definiert und ein Spalt (92) der zweiten Serie von Spalten (92) einen zweiten Durchgang definiert, um eine Strömung des Reaktanden in der Strömungsrichtung (F) zuzulassen, wobei der erste Spalt (90) zu dem zweiten Spalt (92) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) versetzt ist.
  5. Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Noppen (80) eine oberstromige Fläche und eine unterstromige Fläche definieren, wobei die oberstromigen und die unterstromigen Flächen eine konvexe Kontur definieren.
  6. Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 1, wobei jede Noppe (80) der Vielzahl von Noppen (80) eine rhombusförmige Aufstandsfläche definiert.
  7. Fluidverteilungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die rhombusförmige Aufstandsfläche ferner durch einen oberstromigen Abschnitt, der ein oberstromiges Dreieck definiert, und einen unterstromigen Abschnitt definiert ist, der ein unterstromiges Dreieck definiert, wobei sich das oberstromige Dreieck über eine erste Distanz in einer oberstromigen Richtung erstreckt und sich das unterstromige Dreieck über eine zweite Distanz in einer unterstromigen Richtung erstreckt, wobei die zweite Distanz größer als die erste Distanz ist.
  8. Brennstoffzelle mit: einer Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70), die eine Hauptseite (78) aufweist und ein Strömungsfeld (84) definiert; einem Begrenzungselement (34, 36, 38, 40), das über der Hauptseite (78) angeordnet ist; und einer Vielzahl einzelner Noppen (80), die an der Hauptseite (78) der Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) definiert sind und sich in Richtung des Begrenzungselementes (34, 36, 38, 40) erstrecken; wobei die Vielzahl von Noppen (80) eine erste Serie von Noppen (86) und eine zweite Serie von Noppen (88) definieren; wobei die erste und zweite Serie von Noppen (86, 88) sich in Strömungsrichtung (F) in einer abwechselnden Weise über die Separatorplatte (70) wiederholen; und wobei eine Achse (A1), die entlang jeweiliger Mittelpunkte von Noppen (80) sich wiederholender erster Serien von Noppen (86) definiert ist, mit einem Außenrand von Noppen (80) sich wiederholender zweiter Serien von Noppen (88) ausgerichtet ist.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Noppen (80) der ersten Serie von Noppen (86) in einer sich wiederholenden Weise über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu einer Strömungsrichtung (F) angeordnet sind; und die Noppen (80) der zweiten Serie von Noppen (88) in einer sich wiederholenden Weise über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind, wobei die zweite Serie von Noppen (88) bezüglich der ersten Serie von Noppen (86) in der Strömungsrichtung (F) unterstromig angeordnet ist.
  10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei eine Noppe (80) der ersten Serien von Noppen (86) eine erste Aufstandsfläche definiert und eine Noppe (80) der zweiten Serien von Noppen (88) eine zweite Aufstandsfläche definiert, um eine Strömung eines Reaktanden in der Strömungsrichtung (F) zu behindern, wobei die erste Aufstandsfläche von der zweiten Aufstandsfläche in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) versetzt ist.
  11. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Noppen (80) eine oberstromige Fläche und eine unterstromige Fläche definieren, wobei die oberstromige Fläche und die unterstromige Fläche eine konvexe Kontur definieren.
  12. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei jede Noppe (80) der Serie von Noppen (86, 88) eine rhombusförmige Aufstandsfläche definiert.
  13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die rhombusförmige Aufstandsfläche ferner durch einen oberstromigen Abschnitt, der ein oberstromiges Dreieck definiert, und einen unterstromigen Abschnitt definiert ist, der ein unterstromiges Dreieck definiert, wobei sich das oberstromige Dreieck über eine erste Distanz in einer oberstromigen Richtung erstreckt und sich das unterstromige Dreieck über eine zweite Distanz in einer unterstromigen Richtung erstreckt, wobei die zweite Distanz größer als die erste Distanz ist.
  14. Separatorplatte für eine Brennstoffzelle mit: einer Hauptseite (78); einer ersten Serie von Noppen (86), die an der Hauptseite (78) über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu einer Strömungsrichtung (F) angeordnet sind; und einer zweiten Serie von Noppen (88), die an der Hauptseite (78) über die Separatorplatte (8, 14, 16, 68, 70) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) angeordnet sind, wobei die zweite Serie von Noppen (88) von der ersten Serie von Noppen (86) in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung (F) versetzt ist; wobei jede Noppe (80) der ersten und zweiten Serie von Noppen (86, 88) eine oberstromige Fläche und eine unterstromige Fläche definiert, wobei ein zwischen benachbarten oberstromigen und unterstromigen Flächen definierter Raum einen Durchgang (97) mit variierendem Querschnitt aufweist, um eine Reaktandenströmung durch diesen zuzulassen; wobei die erste und zweite Serie von Noppen (86, 88) sich in Strömungsrichtung (F) in einer abwechselnden Weise über die Separatorplatte (70) wiederholen; und wobei eine parallel zur Strömungsrichtung (F) verlaufende Achse (A1), die entlang jeweiliger Mittelpunkte von Noppen (80) sich wiederholender erster Serien von Noppen (86) definiert ist, mit einem Außenrand von Noppen (80) sich wiederholender zweiter Serien von Noppen (88) ausgerichtet ist.
  15. Separatorplatte nach Anspruch 14, wobei die oberstromige Fläche und die unterstromige Fläche jeder Noppe (80) eine konvexe Kontur definieren.
  16. Separatorplatte nach Anspruch 14, wobei jede Noppe (80) der Serie von Noppen (86, 88) eine rhombusförmige Aufstandsfläche definiert.
  17. Separatorplatte nach Anspruch 16, wobei die rhombusförmige Aufstandsfläche ferner durch einen oberstromigen Abschnitt, der ein oberstromiges Dreieck definiert, und einen unterstromigen Abschnitt definiert ist, der ein unterstromiges Dreieck definiert, wobei sich das oberstromige Dreieck über eine erste Distanz in einer oberstromigen Richtung erstreckt und sich das unterstromige Dreieck über eine zweite Distanz in einer unterstromigen Richtung erstreckt, wobei die zweite Distanz größer als die erste Distanz ist.
  18. Separatorplatte nach Anspruch 14, wobei die erste und zweite Serie von Noppen (86, 88) sich über die gesamte Hauptseite (78) erstrecken.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007012712A1 (de) 2007-03-16 2008-09-18 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle und eine solche enthaltende Brennstoffzelle
DE202007019471U1 (de) 2007-03-16 2013-03-06 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle und eine solche enthaltende Brennstoffzelle
DE102007033042B4 (de) * 2007-06-11 2011-05-26 Staxera Gmbh Wiederholeinheit für einen Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellenstapel
US8236461B2 (en) * 2008-02-26 2012-08-07 Yong Gao Type of fuel cell bipolar plates constructed with multiple pass flow channels that contract, expand, deflect and split reactant flows for improving reactant flow distribution, diffusion and water management
DE102012109080B3 (de) 2012-09-26 2013-12-24 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Medienverteilerfeldplatte mit erhöhter, homogener Stromdichteverteilung für eine elektrochemische Zelle und eine solche enthaltende elektrochemische Zelle
DE102013217596A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-05 Volkswagen Ag Polarplatte und Brennstoffzelle mit einer solchen
DE102015211893A1 (de) 2015-06-26 2016-12-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Strömungsfeld einer Brennstoffzelle
WO2018108546A2 (de) * 2016-12-12 2018-06-21 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle
DE102020213576A1 (de) * 2020-10-29 2022-05-05 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19835759A1 (de) * 1998-08-07 2000-02-17 Opel Adam Ag Brennstoffzelle
WO2002069426A2 (en) * 2001-02-27 2002-09-06 E.I. Dupont De Nemours And Company Fluid flow field plates for electrochemical devices
DE10113001A1 (de) * 2001-03-17 2002-10-10 Bayerische Motoren Werke Ag Brennstoffzelle mit optimierter Reaktandenverteilung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7138200B1 (en) * 1997-12-18 2006-11-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell and separator for the same
DE69836191T2 (de) * 1997-12-18 2007-08-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota Brennstoffzelle und bipolare Trennwand dafür
US6803136B2 (en) * 2000-04-10 2004-10-12 Hybrid Power Generation Systems, Llc Stacking and manifolding of unitized solid oxide fuel cells
US7090942B2 (en) * 2002-09-18 2006-08-15 General Electric Company Flow disruptor enhanced fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19835759A1 (de) * 1998-08-07 2000-02-17 Opel Adam Ag Brennstoffzelle
WO2002069426A2 (en) * 2001-02-27 2002-09-06 E.I. Dupont De Nemours And Company Fluid flow field plates for electrochemical devices
DE10113001A1 (de) * 2001-03-17 2002-10-10 Bayerische Motoren Werke Ag Brennstoffzelle mit optimierter Reaktandenverteilung

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US7261124B2 (en) 2007-08-28
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