DE102008033209A1 - Fuel cell arrangement i.e. polymer-electrolyte-membrane fuel cell arrangement, for vehicle, has rods arranged relative to each other, such that electrode-arrangement arranged between bipolar plates is corrugated in mounted condition - Google Patents

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Markus Dr.-Ing. Schudy
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Abstract

The arrangement (1) has a corrugated membrane-electrode-arrangement (2) arranged between bipolar plates (3.1, 3.2). Flow fields are formed on outer sides of the bipolar plates by channel structures with channels (K1, K2) and rods (S1, S2). The channels run parallel to each other and the rods run parallel to each other between the channels. The rods are arranged relative to each other, such that the electrode-arrangement arranged between the bipolar plates is corrugated in a mounted condition. The electrode-arrangement comprises gas diffusion electrodes and a polymer electrolyte membrane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The invention relates to a fuel cell assembly according to the Features of the preamble of claim 1.

Eine Brennstoffzellenanordnung oder ein Brennstoffzellenstapel (auch kurz Stack genannt) besteht aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten, planparallel übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt auf, beispielsweise in Form einer Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz PEM bezeichnet), die zusammen eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz MEA bezeichnet) bilden.A Fuel cell assembly or a fuel cell stack (also short stack) consists of several, electrically connected in series, plane-parallel one above the other Stacked arranged fuel cells. Each fuel cell points as electrodes in the form of gas diffusion electrodes an anode, a Cathode and an intermediate electrolyte, for example in the form of a polymer electrolyte membrane (PEM short), the together a membrane-electrode arrangement (MEA short) form.

Zwischen den im Brennstoffzellenstapel benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen ist jeweils eine Bipolarplatte (auch Bipolar-Separatorplatteneinheit genannt) angeordnet. Die Bipolarplatte dient dabei der Beabstandung benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidationsmittel über die angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnungen und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Anordnungen hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.Between the membrane electrode assemblies adjacent the fuel cell stack is in each case a bipolar plate (also bipolar separator plate unit called) arranged. The bipolar plate serves the spacing adjacent membrane-electrode assemblies, distributing reactants for the fuel cell like fuel and oxidant over the adjacent membrane-electrode assemblies and the discharge the reactants provided in this, respectively to the Membrane electrode assemblies towards open channels, the Dissipate the heat of reaction via a separate Coolant channels guided coolant and the production of an electrical connection between the Anode and the cathode of adjacent membrane-electrode assemblies.

Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltenes Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder abgereicherter Brennstoff.When Reactants are a fuel and an oxidant used. Most gaseous reactants (in short: reaction gases) are used, z. B. hydrogen or a hydrogen-containing gas (eg, reformate gas) as fuel and oxygen or an oxygen-containing gas (eg. As air) as an oxidizing agent. Under Reactants are all understood substances involved in the electrochemical reaction, including the reaction products, such as. B. water or depleted fuel.

Die jeweilige Bipolarplatte besteht dabei aus einem Formteil, vorzugsweise jedoch aus zwei oder mehr planparallel miteinander verbundenen Formteilen, insbesondere Platten – einer Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der einen Membran-Elektroden-Anordnung und einer Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Anordnung – oder einer Platte mit ober- und unterseitig eingebrachten Kanalstrukturen. An der der einen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidationsmittels über der anderen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.The respective bipolar plate consists of a molded part, preferably However, from two or more plane-parallel interconnected moldings, in particular plates - an anode plate for connection with the anode of a membrane-electrode assembly and a cathode plate for connection to the cathode of the other membrane-electrode assembly - or a plate with introduced on top and bottom channel structures. At the surface facing the membrane-electrode assembly The anode plate are anode channels for distribution a fuel along the membrane electrode assembly arranged wherein facing the other of the membrane-electrode assembly Surface of the cathode plate cathode channels for Distribution of oxidant over the other membrane-electrode assembly are arranged. The cathode channels and the anode channels have no connection with each other.

Die Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Hohlprägen (mit Form und Stempel), Hydroforming (mit Form und Flüssigkeit), Hochgeschwindigkeitsumformen (mit Form und Stempel), Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.The Cathode and anode channels are thereby by surveys (called webs hereinafter) separate recesses (hereinafter called channels) on each of the membrane-electrode assemblies facing surfaces of the anode and cathode plate educated. The cathode and anode plates are preferably shaped especially hollow shaped. The walkways and channels For example, they are discontinuous by hollow embossing (with mold and stamp), hydroforming (with mold and liquid), High speed forming (with mold and punch), forming, deep drawing, Extrusion or the like, or continuously Rolling or drawing made.

Um bei einer Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug im Betrieb eine hinreichende Wirtschaftlichkeit und geringe Kosten zu erzielen, sind einerseits die Leistung pro Quadratmeter Zellfläche und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu steigern, indem beispielsweise Leistungsverluste infolge von Kontakt- und/oder Materialwiderständen reduziert sowie Stoff- und Ladungstransport verbessert werden. Andererseits werden zunehmend kostengünstige Materialien, wie z. B. rollbare Elektrodenlagen für die Gasdiffusionselektroden, verwendet.Around when using a fuel cell assembly for a vehicle in operation has sufficient economy and Low costs are on the one hand the performance per square meter Cell area and the efficiency of the fuel cell for example, by reducing power losses as a result of contact and / or reduced material resistances as well as fabric and Charge transport can be improved. On the other hand, there are increasing inexpensive materials, such. B. rollable electrode layers for the gas diffusion electrodes.

Aus der DE 10 2005 037 093 A1 ist beispielsweise eine Brennstoffzelle mit Fluidführungskanälen mit sich gegenläufig ändernden Strömungsquerschnitten bekannt.From the DE 10 2005 037 093 A1 For example, a fuel cell with fluid guide channels with countercurrently changing flow cross-sections known.

Aus der DE 60212001 T2 ist eine Brennstoffzellenflüssigkeitsverteilungsplatte (auch Bipolarplatte genannt) bekannt, die auf wenigstens einer Fläche ein Netz von progressiv feineren Kanälen aufweist, die einen oder mehrere verzweigte Gaslieferungskanäle mit einer Vielzahl von daran angeschlossenen Gasdiffusionskanälen mit einer Breite geringer als 0,2 mm aufweisen.From the DE 60212001 T2 A fuel cell fluid distribution plate (also called a bipolar plate) is known having on at least one surface a network of progressively finer channels having one or more branched gas delivery channels with a plurality of gas diffusion channels connected thereto of width less than 0.2 mm.

Aus der US 20020167109 A1 ist eine herkömmliche Bipolarplatte und deren Herstellung beschrieben, wobei die Strömungskanäle unterschiedliche Kanalquerschnittsformen aufweisen. Dabei werden die Strömungskanäle durch Rollprägen in eine Platte aus einem flexiblen Graphit-Material eingebracht.From the US 20020167109 A1 a conventional bipolar plate and its manufacture is described, wherein the flow channels have different channel cross-sectional shapes. The flow channels are introduced by roll embossing in a plate made of a flexible graphite material.

Aus der US 20030059662 A1 ist eine herkömmliche Bipolarplatte bekannt, welche einen serpentinenartig verlaufenden Strömungskanal aufweist, wobei der Steg zwischen benachbarten Kanalabschnitten des Kanals in der Breite variiert.From the US 20030059662 A1 is a conventional bipolar plate is known which a ser pent-like flow channel, wherein the web varies between adjacent channel sections of the channel in width.

Aus der US 6586128 B1 ist zur Verbesserung und Einstellung eines Stofftransports zwischen benachbarten Kanälen ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Druckunterschiede in dem jeweiligen Kanal durch Änderung des Kanalverlaufs bei konstanter Stegbreite einstellbar sind.From the US 6586128 B1 For improving and adjusting a mass transport between adjacent channels, a method and a device is known in which pressure differences in the respective channel can be set by changing the channel profile with a constant web width.

Aus der DE 69901187 T2 ist darüber hinaus eine Brennstoffzellenanordnung mit einer wellenförmigen Membran-Elektroden-Anordnung durch versetzte Anordnung von gleichförmigen Stegen bekannt.From the DE 69901187 T2 Furthermore, a fuel cell assembly with a wave-shaped membrane-electrode assembly by staggered arrangement of uniform webs is known.

Insbesondere durch die Verwendung von kostengünstigen Materialien, wie flexibler, rollbarer Gasdiffusionselektroden-Lagen besteht das Problem, dass bedingt durch die weitgehend biegeweichen, flexiblen und/oder nachgiebigen Diffusionslagenmaterialen bei Montage der Brennstoffzellenanordnung ein von außen aufgebrachter Pressdruck auf die Stege (= Flussfeldstege, d. h. Stege im Bereich der Strömungsfelder) schlecht zur aktiven Schicht (dem Katalysator und der Membran) verteilt wird. Hierdurch entstehen insbesondere in Kanalbereichen erhöhte Kontaktwiderstände zwischen den Schichten und auch im Diffusionslagenmaterial selbst, welche je nach Konfiguration zu sehr deutlichen Leistungsverlusten führen können.Especially through the use of inexpensive materials, such as flexible, rollable gas diffusion electrode layers, the problem is that due to the largely flexible, flexible and / or compliant diffusion layer materials during assembly of the fuel cell assembly an externally applied pressure on the webs (= Flussfeldstege, d. H. Webs in the area of flow fields) poorly distributed to the active layer (the catalyst and the membrane). This results in increased in particular in channel areas Contact resistances between the layers and also in the diffusion layer material itself, which depending on the configuration to very significant power losses being able to lead.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, welche gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten verbessert ist.Of the Invention is based on the object, a fuel cell assembly indicate which ones compared to those of the prior art known is improved.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.The The object is achieved by the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Brennstoffzellenordnung umfasst mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen, zwischen denen jeweils mindestens eine Bipolarplatte, die aus mindestens einer oder zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet ist, angeordnet ist, wobei zumindest auf einer oder beiden Außenseiten der jeweiligen Platte jeweils ein Strömungsfeld durch in die Platte eingebrachte Kanalstrukturen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen und zwischen zwei Kanälen parallel zueinander verlaufenden Stegen gebildet ist. Erfindungsgemäß sind zumindest die Stege zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessungen versehen, dass eine zwischen den beiden Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung im montierten Zustand gewellt ist.The Fuel cell assembly includes a plurality of membrane-electrode assemblies, between each of which at least one bipolar plate consisting of at least one or two plane-parallel plates formed is arranged, wherein at least on one or both outer sides of the respective plate in each case a flow field through in the Plate introduced channel structures with several parallel to each other running channels and between two channels formed parallel to each other webs. At least according to the invention the webs of two mutually directed outer sides of two adjacent bipolar plates arranged to each other and / or provided with mutually corresponding dimensions that a arranged between the two bipolar plates membrane electrode assembly is corrugated in the assembled state.

Mit anderen Worten: Die Stege zweier benachbarter Strömungsfelder, die jeweils außenseitig der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet sind, sind hinsichtlich ihrer Anordnung und/oder Abmessung derart variierend zueinander ausgebildet, dass ein bei der Montage wirkender Anpressdruck einer Membran-Elektroden-Anordnung an die angrenzenden Bipolarplatten entlang der Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung weitgehend homogenisiert ist. Erreicht wird diese homogenere Verpressung der aktiven Schicht durch die gewellte Membran-Elektroden-Anordnung infolge einer wellenförmigen Verspannung der Gasdiffusionselektroden-Lage unter dem Pressdruck der verschiedenen Stege. Durch die Auslenkung aus der ebenen Normallage übt die Gasdiffusionselektroden-Lage dieser Auslenkung entgegen einen Druck aus, der auch bei breiteren Kanälen noch in der Kanalmitte eine höhere Kompression bewirkt.With In other words, the webs of two adjacent flow fields, each on the outside of the membrane-electrode assembly are formed, in terms of their arrangement and / or dimension formed so varied to one another that a during assembly acting contact pressure of a membrane-electrode assembly to the adjacent bipolar plates along the surface of the Membrane electrode assembly is largely homogenized. Reached This more homogeneous compression of the active layer by the corrugated membrane electrode assembly due to a wavy Tensioning of the gas diffusion electrode layer under the pressing pressure the various bridges. By the deflection of the plane normal position exercises the gas diffusion electrode position of this deflection against a Pressure off, even with wider channels still in the middle of the channel causes a higher compression.

Insbesondere sind die Stege derart ausgebildet, dass insbesondere einander gegenüberliegende Stege voneinander verschieden ausgebildet sind. Hierdurch kann ein deutlich höherer Anpressdruck und somit eine deutliche Erhöhung einer Materialverpressung des Gasdiffusionslagen-Materials im Kanalbereich auch bei breiteren Kanälen erzielt werden. Dies wiederum bewirkt sinkende Verluste, insbesondere eine Reduzierung von Druckverlusten im Strömungsfeld und eine deutlich höhere Leistungsdichte auch bei Roll-Gasdiffusionselektroden-Lagen.Especially the webs are formed such that in particular opposite webs are formed differently from each other. This can be a clear higher contact pressure and thus a significant increase a material compression of the gas diffusion layer material in the channel area can be achieved even with wider channels. this in turn causes sinking losses, in particular a reduction of pressure losses in the flow field and a much higher power density too at roll gas diffusion electrode layers.

Durch eine derartige Optimierung von Stegbreiten und/oder Steghöhen und/oder einer versetzten Steganordnung können eine Anpassung an lokale Bedingungen in den angrenzenden Kanälen und damit einhergehend eine Optimierung der Leistungsdichte einer Brennstoffzellenanordnung erzielt werden. Insbesondere bei einer Brennstoffzellenanordnung mit flexiblen Lagen von Gasdiffusionselektroden können somit unterschiedliche Anforderungen an den Fluid-, insbesondere Gastransport, wie auch unterschiedliche thermische und elektrische Leitfähigkeitsanforderungen durch entsprechende Variation der Stegbreiten und/oder der Steghöhen und/oder der versetzten Steganordnung erfüllt und erreicht werden.By Such optimization of web widths and / or web heights and / or an offset web arrangement may be an adaptation to local conditions in the adjacent channels and so on accompanied by an optimization of the power density of a fuel cell assembly be achieved. In particular, in a fuel cell assembly with flexible layers of gas diffusion electrodes thus different requirements for the fluid, in particular Gas transport, as well as different thermal and electrical Conductivity requirements by appropriate variation the web widths and / or the web heights and / or the offset Bar arrangement met and achieved.

In einer möglichen Ausführungsform sind die Stege der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten seitlich versetzt zueinander angeordnet. Bei einer Verpressung der beiden Bipolarplatten mit der dazwischen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung ergibt sich für diese die gewellte Form, indem die Membran-Elektroden-Anordnung durch den Druck der Stege der einen Bipolarplatte in die gegenüberliegenden Kanäle der anderen Bipolarplatte gebogen wird.In one possible embodiment, the webs of the two mutually parallel bipolar plates are arranged laterally offset from one another. When the two bipolar plates are pressed together with the membrane-electrode arrangement arranged therebetween, the corrugated shape results for them, as the membrane-electrode arrangement is replaced by the pressure of the webs of one bipolar plate into the opposite channels of the other bipolar plate is bent.

Hierzu sind die Stege zweckmäßigerweise derart seitlich versetzt zueinander angeordnet, dass die Stege der einen Bipolarplatte in die Kanäle der anderen Bipolarplatte zumindest teilweise hineinragen oder zumindest den Kanälen der anderen Bipolarplatte gegenüberliegen.For this the webs are expediently such side staggered to each other, that the webs of a bipolar plate in the channels of the other bipolar plate at least partially protrude or at least the channels of the other bipolar plate are opposite.

In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weisen die Stege der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten unterschiedliche Höhen auf. Vorzugsweise weisen die Stege der jeweiligen oder einer jeden Bipolarplatte abwechselnd unterschiedliche Höhen auf. So weisen beispielsweise die Stege eines Kathodenströmungsfelds (auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung und gebildet durch die Stege der einen Bipolarplatte) immer abwechselnd einen bestimmten Höhenversatz und somit abwechselnd unterschiedliche Höhen auf. Die Stege des gegenüberliegenden Anodenströmungsfeldes (auf der anderen Seite der Membran-Elektroden-Anordnung und gebildet durch die Stege der anderen Bipolarplatte) sind derart ausgebildet, dass deren unterschiedliche Höhen und somit deren Höhenversatz mit den Höhen und dem Höhenversatz der Stege der anderen Bipolarplatte derart korrespondieren, dass niedrige Stege der einen Bipolarplatte hohen Stegen der anderen Bipolarplatte oder umgekehrt einander gegenüberliegen. Mit anderen Worten: Die beiden Bipolarplatten sind derart zueinander angeordnet, dass Stege mit unterschiedlichen Höhen einander gegenüberliegend angeordnet sind.In another alternative or additional embodiment have the webs of the two parallel arranged bipolar plates different heights. Preferably, the webs the respective or each bipolar plate alternately different Heights up. For example, the webs of a cathode flow field (on one side of the membrane-electrode assembly and formed by the webs of a bipolar plate) always alternately a certain Height offset and thus alternately different heights on. The webs of the opposite anode flow field (on the other side of the membrane electrode assembly and formed through the webs of the other bipolar plate) are designed such that their different heights and thus their height offset with the heights and the height offset of the webs of the other bipolar plate correspond in such a way that low bars one bipolar plate high webs of the other bipolar plate or conversely opposed to each other. In other words: The two bipolar plates are arranged relative to one another such that Bars with different heights opposite each other are arranged.

Darüber hinaus können die Stege und/oder die Kanäle einer jeden Bipolarplatte zumindest eine variierende Kanalbreite, eine variierende Stegbreite und/oder einen variierenden Kanalabstand aufweisen. Durch entsprechende Dimensionierung der Steg- und/oder Kanalbreiten und/oder Kanalabstände ist eine Verbesserung der Kompression möglich. So kann beispielsweise ein verbreiterter hervorstehender Steg im konvexen Teil der Wellenform der Membran-Elektroden-Anordnung eine hohe Kompression auch noch bis weit in den Kanal der Gegenseite bewirken.About that In addition, the webs and / or the channels of a each bipolar plate at least one varying channel width, a varying land width and / or a varying channel spacing exhibit. By appropriate dimensioning of the web and / or Channel widths and / or channel spacing is an improvement the compression possible. For example, a broadened protruding ridge in the convex part of the waveform of the membrane-electrode assembly a high compression even far into the channel of the opposite side cause.

Zur Erzielung der Wellenform der Membran-Elektroden-Anordnung im gepressten Zustand sind die beiden Bipolarplatten vorzugsweise derart zueinander angeordnet, dass Stege mit unterschiedlichen Stegbreiten einander gegenüberliegend angeordnet sind.to Achieving the waveform of the membrane-electrode assembly in the pressed State, the two bipolar plates are preferably such to each other arranged that webs with different web widths each other are arranged opposite one another.

Alternativ oder zusätzlich können die beiden Bipolarplatten derart zueinander angeordnet sein, dass Stege mit unterschiedlichen Stegbreiten und/oder mit unterschiedlichen Höhen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Darüber hinaus können die Stege zumindest teilweise oder vollständig versetzt zueinander angeordnet sein. Dabei sind die Stege vorzugsweise derart zueinander versetzt angeordnet, dass diese zumindest teilweise oder vollständig in Kanäle eingreifen oder diesen gegenüberliegend angeordnet sind.alternative or in addition, the two bipolar plates be arranged to each other such that webs with different Bridge widths and / or with different heights each other are arranged opposite one another. In addition, you can the webs at least partially or completely offset be arranged to each other. The webs are preferably such arranged offset to each other that these at least partially or completely engage in or opposite channels are arranged.

Ferner ist eine beliebige Kombination verschiedener Stegformen, z. B. verschiedene Steghöhen und/oder Stegbreiten, und/oder von verschiedenen Stegversätzen, z. B. Höhenversatz und/oder Seitenversatz, möglich. Beispielsweise ist sowohl ein Höhenversatz, d. h. unterschiedliche Steghöhen, zwischen den Stegen einer Platte als auch ein seitlich teilweiser oder vollständiger Versatz der Stege von korrespondierenden Platten gegeneinander möglich.Further is any combination of different web shapes, z. B. different Web heights and / or web widths, and / or of different Bridge offsets, z. B. height offset and / or lateral offset, possible. For example, both a height offset, d. H. different web heights, between the webs of a Plate as well as laterally partial or more complete Offset of the webs of corresponding plates against each other possible.

Vorzugsweise sind die beiden Bipolarplatten derart zueinander angeordnet, dass eine Gesamthöhe einer Anordnung aus zwei Bipolarplatten und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung konstant ist. Dies erlaubt eine höhere Packungsdichte.Preferably the two bipolar plates are arranged to each other such that an overall height of an array of two bipolar plates and the intervening membrane-electrode assembly constant is. This allows a higher packing density.

Darüber hinaus ist die Geometrie der Stege an Strömungsverhältnisse und/oder -parameter des Strömungsfeldes angepasst. In einer möglichen Ausführungsform weisen die Stege der beiden Bipolarplatten abgerundete Stegkanten auf. Derartige abgerundete Stegkanten bewirken eine Vermeidung oder zumindest eine Reduzierung von Belastungsspitzen der Membran-Elektroden-Anordnung.About that In addition, the geometry of the webs of flow conditions and / or parameters of the flow field adapted. In a possible embodiment, the webs of the on both bipolar plates rounded ridge edges. Such rounded ones Web edges cause avoidance or at least a reduction of load peaks of the membrane-electrode assembly.

Alternativ oder zusätzlich können die Stege der beiden Bipolarplatten eine unebene Stegoberfläche, insbesondere eine schräge oder ovale Stegoberfläche, aufweisen. Auch dies führt zu einer Verbesserung des Verpressungseffektes und zur Reduzierung von Belastungsspitzen.alternative or additionally, the webs of the two bipolar plates an uneven web surface, in particular an oblique or oval web surface. This too leads to improve the compression effect and to reduce it of load peaks.

Für einen möglichst kostengünstigen Aufbau der Brennstoffzellenanordnung ist die Membran-Elektroden-Anordnung aus zwei Gasdiffusionselektroden und einer dazwischen liegenden Polymer-Elektrolyt-Membran gebildet, wobei die Gasdiffusionselektroden bevorzugt aus einer flexiblen, insbesondere rollbaren Lage gebildet sind.For a cost-effective design of the fuel cell assembly is the membrane-electrode assembly of two gas diffusion electrodes and an intermediate polymer electrolyte membrane, the gas diffusion electrodes preferably being made of a flexible, especially rollable layer are formed.

Zur Kühlung der Brennstoffzellenanordnung können darüber hinaus zwei unmittelbar aneinander angrenzende Bipolarplatten derart zueinander angeordnet sein, dass Negativstrukturen der Kanäle und der Stege Kühlkanäle und/oder Zudosierungskanäle für das jeweilige Strömungsfeld bilden.to Cooling of the fuel cell assembly can about it In addition, two directly adjacent bipolar plates such be arranged to each other, that negative structures of the channels and the webs cooling channels and / or Zudosierungskanäle for form the respective flow field.

Bevorzugt kann es sich bei der Brennstoffzellenanordnung um eine so genannte PEM-Brennstoffzellenanordnung aus einer Anzahl von gestapelten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen handeln, zwischen denen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet ist.Preferably, the fuel cell assembly may be a so-called PEM fuel cell assembly of a number of stacked polymer electrolyte membrane fuel cells, between each of which a bipolar plate is arranged.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.embodiments The invention will be explained in more detail with reference to drawings.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 schematisch einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenanordnung mit einer einzelnen von mehreren planparallel gestapelten Membran-Elektroden-Anordnungen, die jeweils außenseitig von jeweils einer Bipolarplatte mit weitgehend gleichförmigen Stegen begrenzt sind gemäß dem Stand der Technik, 1 1 schematically shows a detail of a fuel cell arrangement with a single of a plurality of plane-parallel stacked membrane-electrode arrangements, each of which is bounded on the outside by a respective bipolar plate with substantially uniform webs according to the prior art,

2 schematisch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen, 2 1 schematically shows a possible embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention with a corrugated membrane-electrode arrangement between two bipolar plates with webs with different web heights,

3 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit seitlich zueinander versetzt angeordneten Stegen, 3 1 schematically shows a further alternative embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention with a corrugated membrane-electrode arrangement between two bipolar plates with webs offset laterally from one another,

4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen und unterschiedlichen Stegbreiten, 4 1 schematically a further alternative embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention with a corrugated membrane-electrode arrangement between two bipolar plates with webs with different web heights and different web widths,

5 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen und unterschiedlichen Stegbreiten und abgerundeten Stegkanten, 5 2 schematically shows a further alternative embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention with a corrugated membrane-electrode arrangement between two bipolar plates with webs with different web heights and different web widths and rounded web edges,

6 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten mit Stegen mit unterschiedlichen Steghöhen und unterschiedlichen Stegbreiten und abgerundeten Stegkanten und zusätzlichen Kühlkanälen zwischen zwei planparallel zueinander angeordneten Bipolarplatten, und 6 schematically a further alternative embodiment of a fuel cell assembly according to the invention with a corrugated membrane electrode assembly between two bipolar plates with webs with different web heights and different land widths and rounded web edges and additional cooling channels between two plane-parallel arranged bipolar plates, and

7 schematisch ein Diagramm mit dem Verlauf des Pressdrucks zur aktiven Schicht als Funktion des Stegversatzes über einem Steg-Kanal-Steg-Segment. 7 schematically a diagram with the profile of the pressing pressure to the active layer as a function of the web offset over a web-channel web segment.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik mit einer einzelnen von mehreren planparallel gestapelten Membran-Elektroden-Anordnungen 2 (auch kurz MEA genannt), die jeweils außenseitig von jeweils einer Bipolarplatte 3.1, 3.2 begrenzt sind. 1 schematically shows a section of a fuel cell assembly 1 according to the prior art with a single of a plurality of plane-parallel stacked membrane-electrode assemblies 2 (also called MEA for short), each on the outside of each bipolar plate 3.1 . 3.2 are limited.

Dabei zeigt die 1 die Brennstoffzellenanordnung 1 in Schnittdarstellung zur besseren Verständlichkeit des Aufbaus und der Orientierung der einzelnen Elemente – Membran-Elektroden-Anordnung 2 (= MEA) und der Bipolarplatten 3.1, 3.2 – zueinander.It shows the 1 the fuel cell assembly 1 in sectional view for better understanding of the structure and orientation of the individual elements - membrane-electrode assembly 2 (= MEA) and the bipolar plates 3.1 . 3.2 - to each other.

Bei der Brennstoffzellenanordnung 1 kann es sich insbesondere um eine so genannte PEM-Brennstoffzellenanordnung handeln (mit PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran). Dazu umfasst die Brennstoffzellenanordnung 1 als Membran-Elektroden-Anordnung 2 zwei Gasdiffusionselektroden 2.1, 2.2 (eine davon als Anode, die andere als Kathode) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt 2.3, z. B. eine Polymer-Elektrolyt-Membran. Eine der Oberflächen der jeweiligen Gasdiffusionselektrode 2.1, 2.2 ist dabei dem Elektrolyt 2.3, z. B. der Polymer-Elektrolyt-Membran, und die andere Oberfläche einer der Bipolarplatten 3.1, 3.2 zugewandt.In the fuel cell assembly 1 it may in particular be a so-called PEM fuel cell arrangement (with PEM = polymer electrolyte membrane). This includes the fuel cell assembly 1 as a membrane electrode assembly 2 two gas diffusion electrodes 2.1 . 2.2 (one as an anode, the other as a cathode) and an interposed electrolyte 2.3 , z. B. a polymer electrolyte membrane. One of the surfaces of the respective gas diffusion electrode 2.1 . 2.2 is the electrolyte 2.3 , z. B. the polymer electrolyte membrane, and the other surface of one of the bipolar plates 3.1 . 3.2 facing.

Die jeweilige Bipolarplatte 3.1, 3.2 ist bevorzugt aus mindestens einer Platte oder aus zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet, wobei die Platten aus einem Metall sind und beispielsweise dünne Metallbleche sind, was einen robusten Aufbau und eine einfache Einbringung der Kanalstruktur in die beiden Platten ermöglicht. Die beiden Platten können prinzipiell aber auch aus Kohlenstoff oder einem Kohlenstoffwerkstoff (Karbon) gebildet sein. Derartige Platten können heutzutage sehr dünnwandig hergestellt werden und haben den Vorteil, dass sie nicht beschichtet werden müssen.The respective bipolar plate 3.1 . 3.2 is preferably formed from at least one plate or two plane-parallel plates, wherein the plates are made of a metal and are, for example, thin metal sheets, which allows a robust construction and a simple introduction of the channel structure in the two plates. In principle, the two plates can also be made of carbon or a carbon material (carbon). Such plates can nowadays be produced very thin-walled and have the advantage that they do not have to be coated.

In mindestens eine Außenseite der Platte oder einer der Platten oder beider Platten der jeweiligen Bipolarplatte 3.1, 3.2 sind Kanäle K1, K2 und Stege S1, S2 eingebracht, z. B. durch Hohlprägen (mit Form und Stempel), Hydroforming (mit Form und Flüssigkeit), Hochgeschwindigkeitsumformen (mit Form und Stempel), Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen. Die jeweilige Bipolarplatte 3.1, 3.2 kann somit ein Formteil sein, das z. B. aus einem oder zwei dünnen Metallblechen gebildet ist, welche/s Erhebungen (= Stege S1, S2) und Vertiefungen (= Kanäle K1, K2) aufweisen, die zur Außenseite, d. h. zur jeweils zugehörigen Membran-Elektroden-Anordnung 2, ein Strömungsfeld F1, F2 mit den Kanälen K1, K2 bilden.In at least one outer side of the plate or one of the plates or both plates of the respective bipolar plate 3.1 . 3.2 are channels K1, K2 and webs S1, S2 introduced, z. By hollow embossing (with mold and stamp), hydroforming (with mold and liquid), high speed forming (with mold and stamp), forming, deep drawing, extrusion or the like, or continuously by rolling or drawing. The respective bipolar plate 3.1 . 3.2 can thus be a molding that z. B. is formed from one or two thin metal sheets, which / s elevations (= webs S1, S2) and depressions (= channels K1, K2), which to the outside, ie, the respective associated membrane electrode assembly 2 , form a flow field F1, F2 with the channels K1, K2.

Im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 werden die Kanäle K1, K2 des jeweiligen Strömungsfelds F1, F2 von einem Fluid durchströmt, z. B. ein Anoden-Strömungsfeld von einem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und ein Kathoden-Strömungsfeld von einem Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff oder Luft.During operation of the fuel cell assembly 1 are the channels K1, K2 of the respective flow field F1, F2 flows through a fluid, for. B. an anode flow field of a fuel, for. As hydrogen, and a cathode flow field of an oxidizing agent, for. As oxygen or air.

In 1 ist nur ein Teil der Brennstoffzellenanordnung 1 – eine Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit zwei außenseitig angrenzenden Bipolarplatten 3.1, 3.2 – dargestellt. In nicht näher dargestellter Art und Weise grenzen außenseitig an die jeweilige Bipolarplatte 3.1, 3.2 weitere nicht näher dargestellte Membran-Elektroden-Anordnungen 2 plan parallel an.In 1 is only part of the fuel cell assembly 1 - A membrane electrode assembly 2 with two externally adjacent bipolar plates 3.1 . 3.2 - shown. In a manner not shown border outside the respective bipolar plate 3.1 . 3.2 further membrane-electrode assemblies not shown in detail 2 plan in parallel.

Im Stand der Technik sind die Stege S1, S2 einander gegenüberliegender Bipolarplatten 3.1, 3.2 weitgehend gleichförmig ausgebildet.In the prior art, the webs S1, S2 are opposing bipolar plates 3.1 . 3.2 formed largely uniform.

Nachfolgend werden verschiedene alternative Ausführungsformen der Erfindung anhand der 2 bis 7 näher beschrieben.Hereinafter, various alternative embodiments of the invention will be described with reference to FIGS 2 to 7 described in more detail.

Um Transportverluste, Kontakt- und/oder Materialwiderstände sowie Fluid- oder Gas-, Wärmetransport- und/oder Ladungstransportverluste zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, sind die Stege S1, S2 zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten 3.1, 3.2 derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessungen versehen, dass die zwischen den Bipolarplatten 3.1, 3.2 angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung 2 im montierten Zustand gewellt ist.In order to avoid or at least reduce transport losses, contact and / or material resistances as well as fluid or gas, heat transport and / or charge transport losses, the webs S1, S2 are two mutually directed outer sides of two adjacent bipolar plates 3.1 . 3.2 so arranged to each other and / or provided with mutually corresponding dimensions, that between the bipolar plates 3.1 . 3.2 arranged membrane electrode assembly 2 is corrugated in the assembled state.

2 zeigt schematisch eine mögliche erste Ausführungsform für unterschiedliche Stege S1, S2 zweier Bipolarplatten 3.1, 3.2. 2 schematically shows a possible first embodiment for different webs S1, S2 of two bipolar plates 3.1 . 3.2 ,

Dabei weisen die Stege S1 und S2 der beiden gegenüberliegenden Bipolarplatten 3.1 bzw. 3.2 unterschiedliche Höhen H1 bzw. H2 auf. Bevorzugt sind die Bipolarplatten 3.1 und 3.2 derart zueinander angeordnet und mit Stegen S1 und S2 mit unterschiedlichen Höhen H1 bzw. H2 versehen, dass ein kurzer Steg S1 der einen Bipolarplatte 3.1 einem langen Steg S2 der anderen Bipolarplatte 3.2 oder umgekehrt gegenüber liegt.In this case, the webs S1 and S2 of the two opposing bipolar plates 3.1 respectively. 3.2 different heights H1 or H2. The bipolar plates are preferred 3.1 and 3.2 arranged to each other and provided with webs S1 and S2 with different heights H1 and H2, that a short web S1 of a bipolar plate 3.1 a long bridge S2 of the other bipolar plate 3.2 or vice versa.

Darüber hinaus ist die jeweilige Bipolarplatte 3.1 oder 3.2 derart mit Stegen S1 bzw. S2 versehen, dass die Stege S1 oder S2 der jeweiligen Bipolarplatte 3.1 bzw. 3.2 abwechselnd unterschiedliche Höhen H1.1 und H1.2 bzw. H2.1 und H2.2 aufweisen. Hierbei liegen dann abwechselnd ein niedriger Steg S1 der einen Bipolarplatte 3.1 einem hohen Steg S2 der anderen Bipolarplatte 3.2 und benachbart ein hoher Steg S1 der Bipolarplatte 3.1 einem niedrigen Steg S2 der anderen Bipolarplatte 3.2 einander gegenüber.In addition, the respective bipolar plate 3.1 or 3.2 provided with webs S1 and S2 such that the webs S1 or S2 of the respective bipolar plate 3.1 respectively. 3.2 alternately have different heights H1.1 and H1.2 or H2.1 and H2.2. Here are then alternately a lower web S1 of a bipolar plate 3.1 a high bridge S2 of the other bipolar plate 3.2 and adjacent a high ridge S1 of the bipolar plate 3.1 a low bridge S2 of the other bipolar plate 3.2 opposite each other.

Bei Verpressung der Bipolarplatten 3.1 und 3.2 und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung 2 ergibt sich dann die dargestellte Wellenform, durch welche eine deutliche höhere Materialverpressung bewirkt wird und somit Druckverluste im jeweiligen Strömungsfeld F1 bzw. F2 reduziert sind.When pressing the bipolar plates 3.1 and 3.2 and the intervening membrane-electrode assembly 2 then results in the illustrated waveform, through which a significant higher material compression is effected and thus pressure losses in the respective flow field F1 or F2 are reduced.

Um auch eine hinreichende Materialverpressung bei breiteren Kanälen K1 bzw. K2 zu erzielen, können, wie in 3 näher dargestellt, die Stege S1, S2 der beiden Bipolarplatten 3.1, 3.2 zusätzlich zu den unterschiedlichen Steghöhen H1, H2 oder alternativ dazu seitlich versetzt zueinander angeordnet sein.In order to achieve a sufficient material compression at wider channels K1 or K2, can, as in 3 shown in more detail, the webs S1, S2 of the two bipolar plates 3.1 . 3.2 in addition to the different web heights H1, H2 or alternatively laterally offset from one another.

Dabei können die Stege S1 und S2 derart zueinander versetzt sein, dass deren Stegoberfläche in die Kanäle K2 bzw. K1 der anderen Bipolarplatte 3.2 bzw. 3.1 zumindest teilweise hineinragen oder diesen zumindest gegenüber liegen. Hierdurch ergibt sich in analoger Weise, wie zu 2 beschrieben, bei Verpressung die gewellte Form der Membran-Elektroden-Anordnung 2.In this case, the webs S1 and S2 may be offset from each other such that their web surface in the channels K2 and K1 of the other bipolar plate 3.2 respectively. 3.1 at least partially protrude or at least face it. This results in an analogous manner, as to 2 described, when pressed the corrugated shape of the membrane-electrode assembly 2 ,

Alternativ oder zusätzlich können die Stege S1, S2 unterschiedliche Stegbreiten bS1 bzw. bS2 aufweisen. Auch können die Kanäle K1, K2 unterschiedliche Kanalbreiten bK1 bzw. bK2 aufweisen. Dabei können die Stege S1 oder S2 der jeweiligen Bipolarplatte 3.1 bzw. 3.2 ebenfalls abwechselnd unterschiedliche Stegbreiten bS1.1, bS1.2 bzw. bS2.1, bS2.2 aufweisen.Alternatively or additionally, the webs S1, S2 may have different web widths b S1 or b S2 . Also, the channels K1, K2 may have different channel widths b K1 and b K2 , respectively. In this case, the webs S1 or S2 of the respective bipolar plate 3.1 respectively. 3.2 also alternately different web widths b S1.1 , b S1.2 and b S2.1 , b have S2.2 .

Ferner ist eine beliebige Kombination von verschiedenen Stegen S1, S2 mit unterschiedlichen Steghöhen H1, H1.1, H1.2 bzw. H2, H2.1, H2.2 und/oder unterschiedlichen Stegbreiten bS1, bS1.1, bS1.2 bzw. bS2, bS2.1, bS2.2 und/oder verschiedenen Kanälen K1, K2 mit unterschiedlichen Kanalbreiten bK1 bzw. bK2 möglich.Furthermore, any combination of different webs S1, S2 with different web heights H1, H1.1, H1.2 or H2, H2.1, H2.2 and / or different web widths b S1 , b S1.1 , b S1. 2 or b S2 , b S2.1 , b S2.2 and / or different channels K1, K2 with different channel widths b K1 or b K2 possible.

Auch können die Kanalabstände a1, a2 unterschiedlich sein. Unter dem jeweiligen Kanalabstand a1, a2 wird dabei insbesondere der Abstand zwischen einer Kanalwand eines Kanals und der gleichen Kanalwand eines parallel zu diesem Kanal angeordneten benachbarten Kanals einer Bipolarplatte verstanden. Somit entspricht der Kanalabstand a1 in etwa der Summe aus Kanalbreite bK1 eines Kanals K1 und der Stegbreite bS1 eines angrenzenden Steges S1 der Bipolarplatte 3.1.Also, the channel spacings a1, a2 may be different. In this case, the distance between a channel wall of a channel and the same channel wall of an adjacent channel of a bipolar plate arranged parallel to this channel is understood as the particular channel spacing a1, a2. Thus, the channel distance a1 corresponds approximately to the sum of the channel width b K1 of a channel K1 and the bridge width b S1 of an adjacent web S1 of the bipolar plate 3.1 ,

Bei den möglichen Kombinationen von Variationen der Kanal- und/oder Stegkonturen und/oder -abmessungen wird dabei stets sichergestellt, dass die Gesamthöhe und somit die Dicke zweier Bipolarplatten 3.1 und 3.2 und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung 2 gleich bleibt.In the case of the possible combinations of variations of the channel and / or web contours and / or dimensions, it is always ensured that the overall height and thus the thickness of two bipolar plates 3.1 and 3.2 and the intervening membrane-electrode assembly 2 stays the same.

4 zeigt eine mögliche Ausführungsform zur Erzielung der gewellten Membran-Elektroden-Anordnung 2 durch Stege S1, S2 mit unterschiedlichen Steghöhen H1.1, H1.2 bzw. H2.1, H2.2 und unterschiedlichen Stegbreiten bS1 bzw. bS2 und Kanälen K1, K2 mit unterschiedlichen Kanalbreiten bK1 bzw. bK2. Dabei sind die Bipolarplatten 3.1, 3.2 derart zueinander angeordnet, dass deren Stege S1, S2 gegenüber liegend angeordnet sind. In 3 ist ein Beispiel für seitlich zueinander versetzt angeordnete Stege S1, S2 gezeigt. 4 shows a possible embodiment to achieve the corrugated membrane-electrode assembly 2 by webs S1, S2 with different web heights H1.1, H1.2 or H2.1, H2.2 and different web widths b S1 or b S2 and channels K1, K2 with different channel widths b K1 and b K2, respectively. These are the bipolar plates 3.1 . 3.2 arranged such that their webs S1, S2 are arranged opposite one another. In 3 is an example of laterally staggered webs S1, S2 shown.

5 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 mit einer gewellten Membran-Elektroden-Anordnung 2 zwischen zwei Bipolarplatten 3.1 und 3.2. Dabei weisen die Stege S1, S2 zueinander unterschiedliche Steghöhen H1 bzw. H2 und/oder zueinander unterschiedliche Stegbreiten bS1, bS2 auf. Ferner weisen die jeweiligen Stege S1 und S2 abgerundeten Stegkanten auf, wodurch Belastungsspitzen reduziert oder vermieden sind. 5 schematically shows a further alternative embodiment of a fuel cell assembly according to the invention 1 with a corrugated membrane electrode assembly 2 between two bipolar plates 3.1 and 3.2 , In this case, the webs S1, S2 to each other web heights H1 and H2 and / or mutually different land widths b S1 , b S2 . Furthermore, the respective webs S1 and S2 on rounded web edges, whereby load peaks are reduced or avoided.

6 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1. Zur Kühlung der Brennstoffzellenanordnung 1 sind zusätzlich Kühlkanäle KK zwischen zwei planparallel zueinander angeordneten Bipolarplatten 3.1 und 3.2 vorgesehen, die ohne Zwischenanordnung einer Membran-Elektroden-Anordnung 2 direkt aufeinander angeordnet sind. 6 schematically shows a further alternative embodiment of a fuel cell assembly according to the invention 1 , For cooling the fuel cell assembly 1 are additional cooling channels KK between two plane-parallel arranged bipolar plates 3.1 and 3.2 provided, without interposition of a membrane-electrode assembly 2 are arranged directly on top of each other.

Die Kühlkanäle KK sind beispielsweise innenseitig durch Negativstrukturen der äußeren Kanalstrukturen aus den Kanälen K1, K2 bzw. den Stegen S1, S2 der beiden Bipolarplatten 3.1 und 3.2 gebildet. Dabei sind eine als Anode fungierende Platte und eine als Kathode fungierende Platte beispielsweise derart Kanalboden an Kanalboden aufeinander gelegt, dass deren Seitenwände und Stege die innen liegenden Kühlmittelkanäle KK bilden. Alternativ oder zusätzlich können in analoger Weise auch Zudosierungskanäle gebildet werden.The cooling channels KK are, for example, on the inside by negative structures of the outer channel structures of the channels K1, K2 and the webs S1, S2 of the two bipolar plates 3.1 and 3.2 educated. In this case, acting as an anode plate and acting as a cathode plate, for example, such channel bottom placed on the channel bottom to each other that their side walls and webs form the inner coolant channels KK. Alternatively or additionally, metering channels can also be formed in an analogous manner.

7 zeigt schematisch ein Diagramm mit verschiedenen Verläufen V1 des Pressdrucks p der Gasdiffusionselektroden-Lage 4 zur aktiven Schicht entlang einer Linie von Stegmitte zu Stegmitte gemäß 4 mit unterschiedlichen Stegversätzen s von s = 0 beim Verlauf V1, s = 0.1 mm beim Verlauf V2, s = 0.2 mm beim Verlauf V3 und s = 0.3 mm beim Verlauf V4. Mit zunehmendem Stegversatz s erhöht sich die Materialkompression im Bereich um die Stegkante des verbreiterten Steges S1 gemäß 4, die auch zu einer Erhöhung der Minimalkompression im Kanal K2 führt. 7 schematically shows a diagram with different profiles V1 of the pressing pressure p of the gas diffusion electrode layer 4 to the active layer along a line from web center to web center according to 4 with different ridge offsets s of s = 0 during the course V1, s = 0.1 mm in the course V2, s = 0.2 mm in the course V3 and s = 0.3 mm in the course V4. As the web offset s increases, the material compression in the region around the web edge of the widened web S1 increases in accordance with FIG 4 which also leads to an increase in the minimum compression in the channel K2.

11
BrennstoffzellenanordnungA fuel cell assembly
22
Membran-Elektroden-AnordnungMembrane electrode assembly
2.1, 2.22.1 2.2
GasdiffusionselektrodeGas diffusion electrode
2.32.3
Polymer-Elektrolyt-MembranPolymer electrolyte membrane
3.1, 3.23.1 3.2
Bipolarplattenbipolar plates
a1, a2a1, a2
Kanalabstandchannel spacing
bK1, bK2 b K1 , b K2
Kanalbreitechannel width
bS1, bS1.1, bS1.2 b S1 , b S1.1 , b S1.2
Stegbreite der Stege der einen Bipolarplatteweb width the webs of a bipolar plate
bS2, bS2.1, bS2.2 b S2 , b S2.1 , b S2.2
Stegbreite der Stege der anderen Bipolarplatte Stegbreiteweb width the webs of the other bipolar plate bridge width
F1, F2F1, F2
Strömungsfeldflow field
H1, H1.1, H1.2H1, H1.1, H1.2
Steghöhen der Stege der einen Bipolarplatteweb heights the webs of a bipolar plate
H2, H2.1, H2.2H2, H2.1, H2.2
Steghöhen der Stege der anderen Bipolarplatteweb heights the webs of the other bipolar plate
K1, K2K1, K2
Kanälechannels
S1, S2S1, S2
StegeStege

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  • - DE 60212001 T2 [0009] - DE 60212001 T2 [0009]
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  • - DE 69901187 T2 [0013] - DE 69901187 T2 [0013]

Claims (15)

Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen (2), zwischen denen jeweils mindestens eine Bipolarplatte (3.1, 3.2), die aus mindestens einer oder zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet ist, angeordnet ist, wobei zumindest auf einer oder beiden Außenseiten jeweils ein Strömungsfeld (F1, F2) durch in die jeweilige Platte eingebrachte Kanalstrukturen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen (K1, K2) und zwischen zwei Kanälen (K1, K2) parallel zueinander verlaufenden Stegen (S1, S2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) zweier zueinander gerichteter Außenseiten zweier benachbarter Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet und/oder mit zueinander korrespondierenden Abmessungen versehen sind, dass eine zwischen den beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (2) im montierten Zustand gewellt ist.Fuel cell assembly ( 1 ) comprising a plurality of membrane-electrode assemblies ( 2 ), between each of which at least one bipolar plate ( 3.1 . 3.2 ), which is formed from at least one or two planes arranged parallel to each other, wherein at least on one or both outer sides in each case a flow field (F1, F2) by introduced into the respective plate channel structures with a plurality of mutually parallel channels (K1, K2 ) and between two channels (K1, K2) parallel to each other extending webs (S1, S2) is formed, characterized in that the webs (S1, S2) of two mutually directed outer sides of two adjacent bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) are arranged to one another and / or provided with mutually corresponding dimensions such that one between the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) arranged membrane electrode assembly ( 2 ) is corrugated in the assembled state. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten (3.1, 3.2) seitlich versetzt zueinander angeordnet sind.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the webs (S1, S2) of the two mutually parallel bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) are arranged laterally offset from one another. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) derart seitlich versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Stege (S1 oder S2) der einen Bipolarplatte (3.1 oder 3.2) in die Kanäle (K2 oder K1) der anderen Bipolarplatte (3.2 oder 3.1) zumindest teilweise hineinragen oder den Kanälen (K2 oder K1) der anderen Bipolarplatte (3.2 oder 3.1) gegenüberliegen.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the webs (S1, S2) are arranged laterally offset from one another such that the webs (S1 or S2) of a bipolar plate ( 3.1 or 3.2 ) into the channels (K2 or K1) of the other bipolar plate ( 3.2 or 3.1 ) at least partially protrude or the channels (K2 or K1) of the other bipolar plate ( 3.2 or 3.1 ) are opposite. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten (3.1, 3.2) unterschiedliche Höhen (H1, H2) aufweisen.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (S1, S2) of the two mutually parallel bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) have different heights (H1, H2). Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1 oder S2) der jeweiligen Bipolarplatte (3.1 oder 3.2) abwechselnd unterschiedliche Höhen (H1.1, H1.2 oder H2.1, H2.2) aufweisen.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the webs (S1 or S2) of the respective bipolar plate ( 3.1 or 3.2 ) alternately have different heights (H1.1, H1.2 or H2.1, H2.2). Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass Stege (S1 und S2) mit unterschiedlichen Höhen (H1.1 und H2.2 oder H1.2 und H2.1) einander gegenüberliegend angeordnet sind.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) are arranged to each other such that webs (S1 and S2) with different heights (H1.1 and H2.2 or H1.2 and H2.1) are arranged opposite to each other. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) und/oder Kanäle (K1, K2) einer jeden Bipolarplatte (3.1, 3.2) zumindest eine variierende Kanalbreite (bK1, bK2), eine variierende Stegbreite (bS1, bS2) und/oder einen variierenden Kanalabstand (a1, a2) aufweisen.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (S1, S2) and / or channels (K1, K2) of each bipolar plate ( 3.1 . 3.2 ) have at least one varying channel width (b K1 , b K2 ), a varying land width (b S1 , b S2 ) and / or a varying channel spacing (a 1 , a 2 ). Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass Stege (S1 und S2) mit unterschiedlichen Stegbreiten (bS1.1 und bS2.2 oder bS1.2 und bS2.1) einander gegenüberliegend angeordnet sind.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) are arranged to each other such that webs (S1 and S2) with different web widths (b S1.1 and b S2.2 or b S1.2 and b S2.1 ) are arranged opposite to each other. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass Stege (S1 und S2) mit unterschiedlichen Stegbreiten (bS1.1 und bS2.2 oder bS1.2 und bS2.1) und/oder mit unterschiedlichen Höhen (H1.1 und H2.2 oder H1.2 und H2.1) einander gegenüberliegend oder zumindest teilweise oder vollständig versetzt zueinander angeordnet sind.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) are arranged to each other such that webs (S1 and S2) with different web widths (b S1.1 and b S2.2 or b S1.2 and b S2.1 ) and / or with different heights (H1.1 and H2. 2 or H1.2 and H2.1) are arranged opposite one another or at least partially or completely offset from one another. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) derart zueinander angeordnet sind, dass eine Gesamthöhe einer Anordnung aus zwei Bipolarplatten (3.1, 3.2) und der dazwischen liegenden Membran-Elektroden-Anordnung (2) konstant ist.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) are arranged in such a way that a total height of an arrangement of two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) and the intervening membrane electrode assembly ( 2 ) is constant. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) abgerundete Stegkanten aufweisen.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (S1, S2) of the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) have rounded ridge edges. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1, S2) der beiden Bipolarplatten (3.1, 3.2) eine unebene Stegoberfläche, insbesondere eine schräge oder ovale Stegoberfläche aufweisen.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (S1, S2) of the two bipolar plates ( 3.1 . 3.2 ) have an uneven web surface, in particular an oblique or oval web surface. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (2) aus zwei Gasdiffusionselektroden (2.1, 2.2) und einer dazwischen liegenden Polymer-Elektrolyt-Membran (2.3) gebildet ist.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane electrode assembly ( 2 ) of two gas diffusion electrodes ( 2.1 . 2.2 ) and an intervening polymer electrolyte membrane ( 2.3 ) is formed. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektroden (2.1, 2.2) als eine flexible, insbesondere rollbare Lage ausgebildet ist.Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 13, characterized in that the gas diffusion electrodes ( 2.1 . 2.2 ) is designed as a flexible, in particular rollable position. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unmittelbar aneinander angrenzende Bipolarplatten (3) derart zueinander angeordnet sind, dass Negativstrukturen der Kanäle (K1, K2) und der Stege (S1, S2) Kühlkanäle (KK) und/oder Zudosierungskanäle bilden.Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that two directly adjacent bipolar plates ( 3 ) are arranged to each other such that negative structures of the channels (K1, K2) and the webs (S1, S2) cooling channels (KK) and / or Zu form dosage channels.
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