DE102010035254A1 - Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell, has channel structure conveying reaction medium from inflow aperture to outflow aperture, where medium is removable form flow field via exhaust region - Google Patents

Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell, has channel structure conveying reaction medium from inflow aperture to outflow aperture, where medium is removable form flow field via exhaust region Download PDF

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Abstract

The plate (3) has an anode region (7) comprising a flow field (5) formed from a channel structure (17), where the flow field has inflow and outflow apertures (13, 25) provided for a reaction medium. The channel structure conveys the medium from the inflow aperture to the outflow aperture, where the medium is distributedly supplied to the flow field based on the inflow aperture via an inflow region (15) over periphery of the flow field. The reaction medium is removable form the flow field via an exhaust region (21) that is arranged in a central portion of the flow field.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art.The invention relates to a bipolar plate for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art.

Aus der Praxis sind mit einer Anodenseiten und einer Kathodenseite ausgebildete Bipolarplatten für Brennstoffzellen bekannt, wobei eine Brennstoffzelle durch stapeln mehrerer Bipolarplatten gebildet wird. Dabei ist die Anodenseite einer Bipolarplatte durch eine für Protonen durchlässige Membran, welche beidseits mit einem Katalysator und einer gasdurchlässigen Elektrode beschichtet ist, von einer Kathodenseite einer weiteren Bipolarplatte getrennt. Weitere Bipolarplatten können zur Bildung eines derartigen Brennstoffzellenstapels, auch Stack genannt, vorgesehen sein.From practice, bipolar plates for fuel cells formed with an anode side and a cathode side are known, wherein a fuel cell is formed by stacking a plurality of bipolar plates. In this case, the anode side of a bipolar plate is separated by a proton-permeable membrane, which is coated on both sides with a catalyst and a gas-permeable electrode, from a cathode side of another bipolar plate. Further bipolar plates may be provided to form such a fuel cell stack, also called a stack.

Es kann zwischen Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen unterschieden werden. Bekannte Niedertemperaturbrennstoffzellen, die als Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEN)- oder Methanol-Brennstoffzellen ausgeführt sind, haben typische Arbeitstemperaturen zwischen 25°C und 80°C. Es können Leistungen von 50 KW und mehr erreicht werden. Die geringen Arbeitstemperaturen erleichtern die Handhabbarkeit und reduzieren die Vorwärmzeiten. Die saure Umgebung, in der sich die Katalysatoren befinden, erfordert jedoch teures Platin. Zudem kann, wenn Luft als Reaktionsgas verwendet wird, der Katalysator vergiftet werden, was die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle stark einschränken kann.It is possible to distinguish between low, medium and high temperature fuel cells. Known low-temperature fuel cells, which are designed as polymer electrolyte membrane (PEN) or methanol fuel cells, have typical working temperatures between 25 ° C and 80 ° C. There can be achievements of 50 KW and more. The low working temperatures facilitate the handling and reduce the preheating times. However, the acidic environment in which the catalysts are located requires expensive platinum. In addition, when air is used as the reaction gas, the catalyst may be poisoned, which may severely limit the operability of the fuel cell.

Hochtemperaturbrennstoffzellen, die eine Arbeitstemperatur von 650°C bis 1000°C aufweisen, benötigen keine Platinkatalysatoren. Jedoch sind spezielle Keramiken notwendig, die den hohen Temperaturen standhalten können. Des Weiteren kommen Probleme durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten und schwierigen Fügeverfahren hinzu. Der große Raumbedarf bei vergleichbarer Leistung gegenüber Niedertemperaturbrennstoffzellen sowie die mangelnde Betriebsfestigkeit sind nachteilig. Anlagen von 100 KW und mehr werden für Blockheizkraftwerke eingesetzt.High temperature fuel cells, which have a working temperature of 650 ° C to 1000 ° C, do not require platinum catalysts. However, special ceramics are necessary, which can withstand the high temperatures. Furthermore, problems due to the different coefficients of expansion and difficult joining methods are added. The large space requirement with comparable performance compared to low-temperature fuel cells and the lack of operational stability are disadvantageous. Systems of 100 KW and more are used for combined heat and power plants.

Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen, welche mit einer PEM ausgebildet sind, beruht auf einem elektrochemischen Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert miteinander reagieren. Beide Gase strömen jeweils in eine Diffusionsschicht, wobei der Wasserstoff von der Anodenseite einer Bipolarplatte durch die für positiv geladene Protonen durchlässige Membran, auf die Sauerstoffseite der Kathodenseite einer weiteren Bipolarplatte gelangt.The functional principle of fuel cells, which are formed with a PEM, based on an electrochemical process in which hydrogen and oxygen react in a controlled manner with each other. Both gases each flow into a diffusion layer, wherein the hydrogen passes from the anode side of a bipolar plate through the membrane permeable to positively charged protons to the oxygen side of the cathode side of another bipolar plate.

Eine solche Brennstoffzelle stellt eine elektrochemische Zelle dar, in welcher ein wasserstoffhaltiges Gas einer Anode der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeführt wird. Sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, wird währenddessen einer Kathode der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt. In der Brennstoffzelle findet eine lokal nach Oxidation und Reduktion getrennte elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff des wasserstoffhaltigen Gases und dem Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Gases statt.Such a fuel cell is an electrochemical cell in which a hydrogen-containing gas is supplied to an anode of the fuel cell as fuel. Meanwhile, oxygen-containing gas such as air is supplied to a cathode of the fuel cell as an oxidizing agent. In the fuel cell there is a local electrochemical reaction between the hydrogen of the hydrogen-containing gas and the oxygen of the oxygen-containing gas after oxidation and reduction.

An der Anodenseite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff oxidiert, wobei Elektronen freigegeben werden, welche über einen äußeren Leiterkreis eines elektrischen Verbrauchers der Kathodenseite zugeleitet werden. Während der Oxidation des Wasserstoffs entstehende Protonen können von der Anodenseite durch die Polymer-Elektrolyt-Membran hindurch zu der Kathodenseite diffundieren. An der Kathode wird aus dem Sauerstoff, den Protonen und den Elektronen Wasser gebildet. Derartige Brennstoffzellen weisen einen guten Gesamtwirkungsgrad und geringe oder keine Schadstoffausstöße auf.At the anode side of a bipolar plate of the fuel cell, the hydrogen is oxidized, wherein electrons are released, which are supplied via an outer conductor circuit of an electrical load of the cathode side. Protons formed during the oxidation of the hydrogen may diffuse from the anode side through the polymer electrolyte membrane to the cathode side. At the cathode water is formed from oxygen, protons and electrons. Such fuel cells have a good overall efficiency and low or no pollutant emissions.

Die Membranen haben die Aufgabe, nur für Protonen durchlässig zu sein und gleichzeitig einen geringen Innenwiderstand zu besitzen. PEM-Brennstoffzellen, die bei über 100°C betrieben werden, werden insbesondere mit speziellen mit Phosphorsäure bepfropften Membranen ausgerüstet. Der Vorteil von PEM-Brennstoffzellen mit einem Arbeitsbereich von über 100°C liegt in der einfachen Handhabbarkeit. So ist keine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung vorzusehen, und es ist auch nicht mit Wasserablagerungen auf der Kathodenseite zu rechnen, da das Reaktionswasser in dampfförmigem Zustand vorliegt. Weiterhin sind derartige Membranen vorteilhafterweise sehr robust, wodurch ein für Brennstoffzellen einfacher Aufbau mit wenigen Zusatzaggregaten möglich ist.The membranes have the task of being permeable only to protons while having a low internal resistance. PEM fuel cells, which are operated at over 100 ° C, be equipped in particular with special grafted with phosphoric acid membranes. The advantage of PEM fuel cells with a working range of over 100 ° C is the ease of handling. Thus, no additional moistening is to be provided, and it is not to be expected with water deposits on the cathode side, since the reaction water is in the vapor state. Furthermore, such membranes are advantageously very robust, whereby a simpler structure for fuel cells with a few additional aggregates is possible.

Neben der Membran ist eine Geometrie von Strömungsfelder der Anodenseite bzw. Kathodenseite bildenden Strömungskanälen eine wichtige Größe, die eine Effizienz und ein Verhalten einer Brennstoffzelle stark beeinflusst. So hat die Kanalstruktur nicht nur die gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase in den Strömungsfeldern zu gewährleisten, sondern sie hat auch den Abtransport der Restgase und des Reaktionswassers zu erfüllen. Zusätzlich sind die zwischen den Kanälen befindlichen Stege für eine elektrische Kontaktierung notwendig. So ist das Vorsehen von breiten Kanälen und schmalen Stegen hinsichtlich des Massetransfers günstig, jedoch problematisch bezogen auf die elektrische Kontaktierung.In addition to the membrane, a geometry of flow fields of the anode side and cathode side forming flow channels is an important factor that greatly influences the efficiency and behavior of a fuel cell. Thus, the channel structure not only has to ensure the uniform distribution of the reaction gases in the flow fields, but also has to fulfill the removal of the residual gases and the water of reaction. In addition, the webs located between the channels are necessary for electrical contacting. Thus, the provision of wide channels and narrow lands in terms of mass transfer is favorable, but problematic with respect to the electrical contact.

Um einen günstigen Austausch zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite zu erzielen, ist sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite ein über die gesamte Struktur konstanter Massenfluss zu jeder Zeit erforderlich. Hierdurch können auch Totpunkte in der Brennstoffzelle vermieden werden, in denen das Reaktionsgas zum Stillstand kommt.To achieve a favorable exchange between the anode side and the cathode side is Both on the anode side and on the cathode side, a constant mass flow over the entire structure is required at all times. In this way, dead centers in the fuel cell can be avoided, in which the reaction gas comes to a standstill.

Auf der Anodenseite der Bipolarplatten wird wasserstoffhaltiges Gas über Einlassöffnungen einem Strömungsfeld zugeführt und das verbliebene Restgas, welches in dem Strömungsfeld nicht mit der Kathodenseite reagiert, über Auslassöffnungen wieder abgeführt. Je nach Ausführungsform der Bipolarplatte werden beispielsweise 90% des eingeströmten Gases verbraucht, so dass 10% des eingeströmten Gases durch die Auslassöffnungen wieder abgeführt wird. Um eine hohe Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte zu erzielen ist es erforderlich einen über dem gesamten Strömungsfeld möglichst konstanten Gasvolumenstrom mit einem geringen Druckgradienten zu erzielen.On the anode side of the bipolar plates, hydrogen-containing gas is supplied via inlet openings to a flow field and the remaining residual gas, which does not react with the cathode side in the flow field, is discharged again via outlet openings. Depending on the embodiment of the bipolar plate, for example, 90% of the inflowing gas is consumed, so that 10% of the inflowing gas is discharged through the outlet openings again. In order to achieve a high performance of the bipolar plate, it is necessary to achieve a constant as possible gas flow over the entire flow field with a low pressure gradient.

Aus der Praxis sind Bipolarplatten bekannt, welche zur Bildung einer Kanalstruktur auf der Anodenseite parallele Kanäle für das wasserstoffhaltige Gas aufweisen. Aufgrund der relativ kurz ausgebildeten Kanäle ist ein Druckgradient des wasserstoffhaltigen Gases in dem Strömungsfeld relativ gering. Allerdings wird das wasserstoffhaltige Gas bei diesen Strukturen nicht gleichmäßig auf die jeweiligen Kanäle verteilt, wodurch eine Leistungsfähigkeit einer derartigen Bipolarplatte, insbesondere bei variablen Eingangsmassenströmen, eingeschränkt ist.Bipolar plates are known in practice, which have parallel channels for the hydrogen-containing gas to form a channel structure on the anode side. Due to the relatively short channels, a pressure gradient of the hydrogen-containing gas in the flow field is relatively low. However, in these structures, the hydrogen-containing gas is not uniformly distributed to the respective channels, which limits the performance of such a bipolar plate, particularly with variable input mass flows.

Weiterhin sind Bipolarplatten bekannt, welche auf der Anodenseite eine Mäanderstruktur mit einem einzigen oder mehreren mäanderförmigen Kanälen aufweisen. Ein Volumenstrom durch den einzelnen oder die begrenzte Anzahl von Kanälen ist dabei relativ konstant, wobei die Geschwindigkeit des wasserstoffhaltigen Gases von den Einlassöffnungen in Richtung der Auslassöffnung in dem Kanal oder den Kanälen zunimmt. Ein Druck des wasserstoffhaltigen Gases nimmt dabei von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung stark ab, so dass ein Druckgradient in dem Kanals bzw. den Kanälen sehr groß ist. Ein zur Erzeugung eines gewünschten Mindestdruckes des wasserstoffhaltigen Gases erforderlicher Kompressor muss nachteilhafterweise eine hohe Leistung aufbringen, wodurch ein Gesamtwirkungsgrad der Bipolarplatte reduziert wird. Durch den Druckverlust reduziert sich entsprechend eine als Produkt aus Druckverlust und Volumenstrom darstellende hydraulische Leistung bzw. Verlustleistung einer Brennstoffzelle mit derartigen Bipolarplatten.Furthermore, bipolar plates are known which have a meandering structure with a single or a plurality of meandering channels on the anode side. A volume flow through the individual or the limited number of channels is relatively constant, wherein the velocity of the hydrogen-containing gas from the inlet openings in the direction of the outlet opening in the channel or channels increases. In this case, a pressure of the hydrogen-containing gas decreases sharply from the inlet opening to the outlet opening, so that a pressure gradient in the channel or channels is very large. A required for generating a desired minimum pressure of the hydrogen-containing gas compressor must disadvantageously apply a high power, whereby an overall efficiency of the bipolar plate is reduced. As a result of the pressure loss, a hydraulic power or power loss of a fuel cell, which represents the product of pressure loss and volume flow, is reduced with such bipolar plates.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte für eine PEM-Brennstoffzelle zu schaffen, deren Anodenseite ein durch eine Kanalstruktur gebildetes Strömungsfeld aufweist, mittels welchem eine gleichmäßige Verteilung eines Reaktionsmedium über dem gesamten Strömungsfeld mit einem nahezu konstanten Volumenstrom und geringen Druckverlusten erzielbar ist.It is an object of the present invention to provide a bipolar plate for a PEM fuel cell whose anode side has a flow field formed by a channel structure, by means of which a uniform distribution of a reaction medium over the entire flow field with a nearly constant volume flow and low pressure losses can be achieved.

Diese Aufgabe wird mit eine Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved with a bipolar plate for a polymer electrolyte membrane fuel cell according to the features of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen einer Bipolarplatte nach der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments of a bipolar plate according to the invention will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung sieht eine Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem dem Anodenbereich abgewandten Kathodenbereich vor, wobei der Anodenbereich außenseitig ein von einer ersten Kanalstruktur gebildetes erstes Strömungsfeld mit wenigstens einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung für ein erstes Reaktionsmedium aufweist, wobei mittels der ersten Kanalstruktur des ersten Strömungsfeldes das erste Reaktionsmedium von der wenigstens einen Einströmöffnung zu der wenigstens einen Ausströmöffnung führbar ist.The invention provides a bipolar plate for a polymer electrolyte membrane fuel cell with an anode region and a cathode region facing away from the anode region, the anode region having on the outside a first flow field formed by a first channel structure with at least one inlet opening and one outlet opening for a first reaction medium, wherein by means of the first channel structure of the first flow field, the first reaction medium from the at least one inflow opening to the at least one outflow opening is feasible.

Erfindungsgemäß ist das erste Reaktionsmedium dem ersten Strömungsfeld ausgehend von der wenigstens einen Einströmöffnung über einen Einströmbereich über einen Umfang des Strömungsfeldes verteilt zuführbar und das erste Reaktionsmedium über einen in einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes angeordneten Ausströmbereich aus dem ersten Strömungsfeld abführbar.According to the invention, the first reaction medium can be supplied to the first flow field distributed from the at least one inflow opening via an inflow area over a circumference of the flow field and the first reaction medium can be discharged from the first flow field via an outflow area arranged in a central area of the first flow field.

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte weist eine vorteilhafterweise große Leistungsfähigkeit auf, da mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte eine gleichmäßige Gasverteilung des ersten Reaktionsmediums in dem gesamten ersten Strömungsfeld des Anodenbereichs erzielbar ist, wobei ein Volumenstrom des ersten Reaktionsmediums nahezu konstant ist und nur ein geringer Druckgradient in dem ersten Strömungsfeld vorliegt.A bipolar plate according to the invention advantageously has high performance, since a uniform gas distribution of the first reaction medium in the entire first flow field of the anode region can be achieved with a bipolar plate according to the invention, wherein a volume flow of the first reaction medium is almost constant and only a slight pressure gradient is present in the first flow field ,

Dies kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass durch den Verlauf des ersten Reaktionsmediums von dem Umfang zu einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes ein von dem ersten Reaktionsmedium durchströmter Querschnitt des ersten Strömungsfeldes in Strömungsrichtung des ersten Reaktionsmediums zunehmend abnimmt. Weiterhin resultiert der geringe Druckgradient in dem ersten Strömungsfeld aus einem relativ kurzen Weg, den das erste Reaktionsmedium von der Einströmöffnung bis zu der Ausströmöffnung durchläuft.This can be ensured in particular by the fact that, as a result of the course of the first reaction medium from the circumference to a central region of the first flow field, a cross section of the first flow field in the flow direction of the first reaction medium through which the first reaction medium flows decreases progressively. Furthermore, the low pressure gradient in the first flow field results from a relatively short path through which the first reaction medium passes from the inflow opening to the outflow opening.

Da das Volumen des ersten Reaktionsmediums vom Einströmbereich bis zu dem Ausströmbereich durch die chemische Reaktion beispielsweise um etwa 90% abnimmt, kann eine Geschwindigkeit des ersten Reaktionsmediums mit einem derartigen Anodenbereich vorteilhafterweise nahezu konstant gehalten werden.Since the volume of the first reaction medium from the inflow to the outflow area by the chemical reaction For example, by about 90%, a velocity of the first reaction medium having such an anode region can be advantageously kept almost constant.

Besonders einfach kann dies erreicht werden, wenn das erste Strömungsfeld im Wesentlichen rund ausgebildet ist. Alternativ hierzu kann das Strömungsfeld aber auch eine beliebige andere Form, beispielsweise rechteckig oder polyederförmig, aufweisen, wobei der wenigstens eine Einströmbereich entsprechend der Form des ersten Strömungsfeldes derart ausgebildet ist, dass das erste Reaktionsmedium im Wesentlichen gleichmäßig über einen äußeren Umfang des ersten Strömungsfeldes verteilt auf das erste Strömungsfeld übertragen werden kann.This can be achieved particularly easily if the first flow field is substantially round. Alternatively, however, the flow field can also have any other shape, for example rectangular or polyhedron-shaped, wherein the at least one inflow region is designed in accordance with the shape of the first flow field such that the first reaction medium is distributed substantially uniformly over an outer circumference of the first flow field the first flow field can be transmitted.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich von mit den erfindungsgemäßen Bipolarplatten ausgebildeten Brennstoffzellen sind mobile Einsatzfälle, bei denen wenige Zusatzaggregate benötigt werden. Selbstverständlich sind auch stationäre Einsatzgebiete möglich.A preferred area of application of fuel cells formed with the bipolar plates according to the invention are mobile applications in which a few additional units are required. Of course, stationary applications are possible.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Bipolarplatte ist die erste Kanalstruktur von einer Vielzahl von polyeder- bzw. kreisförmig ausgebildeten Noppen bzw. Pins gebildet. Ein derartiger Anodenbereich der Bipolarplatte ist vorteilhafterweise einfach aufgebaut und kann entsprechend in einer Serienproduktion gefertigt werden. Durch das Vorsehen einer großen Anzahl von Noppen, durch welche eine Vielzahl von Kanälen gebildet wird, kann eine gute Durchmischung des ersten Reaktionsmediums und ein besonders geringer Druckverlust im ersten Strömungsfeld erzielt werden. Dies ist für eine optimale Funktion der Anodenseite bedeutend. Weiterhin kann durch die Noppen eine gute elektrische Kontaktierung sichergestellt werden. Eine kreisförmige Ausbildung der Noppen ist dabei auf besonders einfach Weise herstellbar.In a particularly advantageous embodiment of the bipolar plate, the first channel structure is formed by a plurality of polyhedron-shaped or circular nubs or pins. Such an anode region of the bipolar plate is advantageously simple in construction and can accordingly be manufactured in mass production. By providing a large number of nubs, through which a plurality of channels is formed, a good mixing of the first reaction medium and a particularly low pressure drop in the first flow field can be achieved. This is important for optimum function of the anode side. Furthermore, a good electrical contact can be ensured by the nubs. A circular formation of the knobs is produced in a particularly simple manner.

Die Noppen zur Bildung der ersten Kanalstruktur sind bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung auf konzentrischen Kreisbahnen angeordnet, welche um einen wenigstens annähernd einen Mittelpunkt des ersten Strömungsfeldes bildenden Punkt verlaufen. Durch eine derartige Anordnung der Noppen kann eine besonders gute Durchmischung des ersten Reaktionsmediums bei einem Durchströmen des ersten Strömungsfeldes erreicht werden.The nubs for forming the first channel structure are arranged in an advantageous embodiment of the invention on concentric circular paths, which extend around an at least approximately forming a center of the first flow field point. By such an arrangement of the nubs, a particularly good mixing of the first reaction medium can be achieved when flowing through the first flow field.

Um eine in dem gesamten ersten Strömungsfeld etwa konstante Geschwindigkeit des ersten Reaktionsmediums erreichen zu können, kann zwischen jeweils zwei benachbarten Noppen einer Kreisbahn ein festgelegter Mindestabstand liegen.In order to be able to achieve an approximately constant velocity of the first reaction medium in the entire first flow field, a defined minimum distance can lie between every two adjacent knobs of a circular path.

Ein Abstand von benachbarten Kreisbahnen ist bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung im Wesentlichen konstant. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen benachbarten Kreisbahnen variiert, wobei, insbesondere bei im Bereich des Mittelpunktes des ersten Strömungsfeldes angeordneten Kreisbahnen, ein Abstand zwischen den Kreisbahnen von einem ansonsten konstanten Abstand der Kreisbahnen abweicht.A distance from adjacent circular paths is substantially constant in an advantageous embodiment of the invention. However, it can also be provided that the distance between adjacent circular paths varies, wherein, in particular when arranged in the region of the center of the first flow field circular paths, a distance between the circular paths deviates from an otherwise constant distance of the circular paths.

Zur Erzielung eines besonders konstanten Volumenstromes des ersten Reaktionsmediums bei geringem Druckgradienten sind Noppen zweier benachbarter Kreisbahnen bei einer Weiterbildung der Erfindung auf Lücke zueinander angeordnet. Auch ist eine derartige Anordnung der Noppen zueinander hinsichtlich der Durchmischung des ersten Reaktionsmediums in dem ersten Strömungsfeld vorteilhaft.To achieve a particularly constant volume flow of the first reaction medium at low pressure gradients nubs of two adjacent circular paths are arranged in a development of the invention in a gap to each other. Such an arrangement of the knobs with respect to each other is also advantageous with respect to the mixing of the first reaction medium in the first flow field.

Eine sehr gleichmäßige Verteilung des ersten Reaktionsmediums auf den Umfang des ersten Strömungsfeldes kann erreicht werden, wenn das erste Strömungsfeld mehrere Einströmöffnungen mit jeweils einem Einströmbereich, insbesondere vier Einströmöffnungen, aufweist, mittels welchen insbesondere jeweils voneinander getrennten Umfangsbereichen des ersten Strömungsfeldes das erste Reaktionsmedium zuführbar ist. Mit einer ansteigenden Anzahl von Einströmöffnungen, durch welche das erste Strömungsfeld in Blöcke eingeteilt werden kann, ist eine verbesserte Verteilung des ersten Reaktionsmediums auf den Umfang des ersten Strömungsfeldes erzielbar, wobei hieraus wiederum eine gute Verteilung des ersten Reaktionsmediums in dem ersten Strömungsfeld resultiert.A very uniform distribution of the first reaction medium to the circumference of the first flow field can be achieved if the first flow field a plurality of inflow, each with an inflow, in particular four inflow has, by means of which in each case separate from each other peripheral regions of the first flow field, the first reaction medium can be fed. With an increasing number of inflow openings, through which the first flow field can be divided into blocks, an improved distribution of the first reaction medium to the circumference of the first flow field can be achieved, which in turn results in a good distribution of the first reaction medium in the first flow field.

Bei einer konstruktiv einfachen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Einströmbereich einen die Einströmöffnung umfassenden halbkreisförmigen Hauptzuführungskanal, dessen Endbereiche mit dem ersten Strömungsfeld zusammenwirken, und insbesondere mehrere Hilfskanäle, welche sich von dem Hauptzuführungskanal im Wesentlichen in Richtung des Mittelpunkts des ersten Strömungsfeldes bis zu dem ersten Strömungsfeld erstrecken, aufweist. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des ersten Reaktionsmediums auf den Umfang des ersten Strömungsfeldes erreicht werden, da das erste Reaktionsmedium das erste Strömungsfeld ausgehend von der jeweiligen Einströmöffnung im Wesentlichen gleichzeitig und mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit erreicht. Hierdurch kann die Gefahr der Entstehung von Totpunkten in dem ersten Strömungsfeld minimiert werden. Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, wenn der Hauptzuführungskanal in Richtung des ersten Strömungsfeld zugespitzt ist, d. h. sich der Querschnitt des Hauptzuführungskanals verjüngt bzw. verkleinert.In a structurally simple development of the invention, it is provided that the inflow region comprises a semicircular main supply channel comprising the inflow opening, whose end regions interact with the first flow field, and in particular a plurality of auxiliary channels which extend from the main supply channel substantially in the direction of the center of the first flow field up to extending the first flow field has. In this way, a particularly uniform distribution of the first reaction medium to the circumference of the first flow field can be achieved, since the first reaction medium reaches the first flow field starting from the respective inflow opening substantially simultaneously and at a comparable speed. As a result, the risk of the formation of dead centers in the first flow field can be minimized. It is particularly advantageous if the main supply channel is tapered in the direction of the first flow field, d. H. the cross-section of the main supply channel tapers or shrinks.

Um das nach einem Durchströmen des ersten Strömungsfeldes verbleibende erste Reaktionsmedium auf einfache Weise von dem Ausströmbereich abzuführen, kann der Ausströmbereich über wenigstens einen Auslasskanal mit der wenigstens einen Ausströmöffnung zusammenwirken. Mittels des wenigstens einen Auslasskanals, welcher nicht zu dem ersten Strömungsfeld gehört, kann das verbleibende erste Reaktionsmedium zu wenigstens einer an einer gewünschten Position angeordneten Ausströmöffnung geführt werden. In order to remove the first reaction medium remaining after flowing through the first flow field in a simple manner from the outflow region, the outflow region can interact with the at least one outflow opening via at least one outlet channel. By means of the at least one outlet channel which does not belong to the first flow field, the remaining first reaction medium can be guided to at least one outflow opening arranged at a desired position.

Je nach konkreter Ausführung des Strömungsfeldes können auch mehrere Ausströmöffnungen vorgesehen sein, welchen der nach dem Durchfließen des ersten Strömungsfeldes verbleibende Teil des ersten Reaktionsmediums über einen oder mehrere an der Oberfläche oder innerhalb der Bipolarplatte verlaufende Auslasskanäle zuführbar ist.Depending on the specific embodiment of the flow field, it is also possible to provide a plurality of outflow openings, to which the part of the first reaction medium remaining after flowing through the first flow field can be supplied via one or more outlet channels extending on the surface or inside the bipolar plate.

Bei einer besonders vorteilhaft ausgebildeten Bipolarplatte weist der Kathodenbereich außenseitig ein mit einer zweiten Kanalstruktur ausgebildetes zweites Strömungsfeld mit wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung für ein zweites Reaktionsmedium auf. Mittels der zweiten Kanalstruktur ist das zweite Reaktionsmedium dabei von der wenigstens einen Einlassöffnung zu der wenigstens einen Auslassöffnung führbar, wobei die wenigstens eine Einlassöffnung mit einem im Wesentlichen in Richtung eines Mittelpunktes des zweiten Strömungsfeldes weisenden Zuführungskanal und die wenigstens eine Auslassöffnung mit einem im Wesentlichen in Richtung des Mittelpunktes des zweiten Strömungsfeldes weisenden Abführungskanal für das zweite Reaktionsmedium zusammenwirken. Der Zuführungskanal und der Abführungskanal sind durch eine Vielzahl von Verbindungskanälen derart verbunden, dass eine Wegstrecke von der wenigstens einen Einlassöffnung zu der wenigstens einen Auslassöffnung für die Verbindungskanäle im Wesentlichen konstant ist. Verbindungsbereiche des Zuführungskanals mit den Verbindungskanälen sind dabei derart ausgebildet, dass das zweite Reaktionsmedium im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Verbindungskanäle verteilbar ist.In a particularly advantageously designed bipolar plate, the cathode region has on the outside a second flow field formed with a second channel structure with at least one inlet opening and at least one outlet opening for a second reaction medium. By means of the second channel structure, the second reaction medium can be guided from the at least one inlet opening to the at least one outlet opening, the at least one inlet opening having a feed channel pointing substantially in the direction of a center of the second flow field and the at least one outlet opening having a substantially in the direction cooperating with the center of the second flow field-facing discharge channel for the second reaction medium. The supply passage and the discharge passage are connected by a plurality of communication passages such that a travel from the at least one inlet port to the at least one outlet port for the communication passages is substantially constant. Connection regions of the feed channel with the connection channels are designed such that the second reaction medium can be distributed substantially uniformly over the individual connection channels.

Mit einer Brennstoffzelle, welche mit Bipolarplatten mit einem derartigen Kathodenbereich und Anodenbereich ausgebildet ist, kann ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt werden, so dass eine Brennstoffzelle mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten eine zu einer Brennstoffzelle mit bekannten Bipolarplatten vergleichbare Leistung mit einer geringeren Anzahl von Bipolarplatten erzielen kann. Hierdurch können sowohl ein benötigter Bauraum als auch Kosten eingespart werden. Dies resultiert daraus, dass durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kathodenbereich eine gute Verteilung des zweiten Reaktionsmediums mit einem geringen Druckgradienten über dem gesamten zweiten Strömungsfeld erzielbar ist, so dass ein sehr günstiger Austausch zwischen dem ersten Reaktionsmedium des Anodenbereichs und dem zweiten Reaktionsmedium des Kathodenbereichs erzielbar ist. Weiterhin weist eine derartig ausgebildete Brennstoffzelle einen vorteilhafterweise geringen Temperaturgradienten auf.With a fuel cell, which is formed with bipolar plates having such a cathode region and anode region, a particularly good efficiency can be achieved, so that a fuel cell with bipolar plates according to the invention can achieve a comparable performance to a fuel cell with known bipolar plates with a smaller number of bipolar plates. As a result, both a required space and costs can be saved. This results from the fact that a good distribution of the second reaction medium with a low pressure gradient across the entire second flow field can be achieved by an inventively designed cathode region, so that a very favorable exchange between the first reaction medium of the anode region and the second reaction medium of the cathode region can be achieved. Furthermore, such a fuel cell has an advantageously low temperature gradient.

Die gute Verteilung des zweiten Reaktionsmediums auf der Kathodenseite wird auch bei unterschiedlichen Eingangsmassenströmen dadurch erreicht, dass sämtliche Verbindungskanäle eine vergleichbare Länge aufweisen und das zweite Reaktionsmedium durch die entsprechende Ausbildung der Verbindungsbereiche sehr gleichmäßig mit einem vergleichbaren Volumenstrom auf die Verbindungskanäle verteilt wird. Hierdurch kann das Verstopfen einzelner Verbindungskanäle, welches bei hohen Geschwindigkeitsgradienten des zweiten Reaktionsmediums in dem zweiten Strömungsfeld auftreten kann, vorteilhafterweise vermieden werden.The good distribution of the second reaction medium on the cathode side is achieved even with different input mass flows in that all connecting channels have a comparable length and the second reaction medium is distributed by the corresponding formation of the connection areas very evenly with a comparable volume flow to the connection channels. As a result, the clogging of individual connection channels, which can occur at high velocity gradients of the second reaction medium in the second flow field, can advantageously be avoided.

Weiterhin ist eine derartige Kathodenseite einer Bipolarplatte besonders einfach ausgebildet und kann auf einfache Weise in einer Serienproduktion gefertigt werden.Furthermore, such a cathode side of a bipolar plate is particularly simple and can be manufactured in a simple manner in a mass production.

Um eine möglichst ähnliche Länge der Verbindungskanäle zu erzielen, kann ein Verbindungskanal bei einer Weiterbildung der Erfindung mit dem Zuführungskanal und dem Abführungskanal in Bereichen zusammenwirken, welche einen vergleichbaren Abstand zu dem Mittelpunkt des zweiten Strömungsfeldes aufweisen. Insbesondere alle Verbindungskanäle sind derartig mit dem Zuführungskanal und dem Abführungskanal verbunden. Die Verbindungskanäle können dabei insbesondere konzentrisch zu dem Mittelpunkt des zweiten Strömungsfeldes angeordnet sein. Alternativ hierzu können die Verbindungskanäle auch geradlinig ausgebildet sein, wobei die Verbindungskanäle insbesondere parallel zueinander angeordnet sind.In order to achieve the most similar possible length of the connecting channels, a connecting channel can cooperate in a development of the invention with the supply channel and the discharge channel in areas which have a comparable distance to the center of the second flow field. In particular, all the connection channels are connected to the supply channel and the discharge channel in this way. The connection channels can be arranged in particular concentric to the center of the second flow field. Alternatively, the connection channels can also be formed in a straight line, wherein the connection channels are arranged in particular parallel to each other.

Zur Erzielung einer besonders gleichmäßigen Verteilung des zweiten Reaktionsmediums auf die einzelnen Verbindungskanäle ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass ein oder mehrere benachbarte Verbindungskanäle des Kathodenbereichs über einen gemeinsamen Einlass bzw. Auslass mit dem Zuführungskanal bzw. dem Abführungskanal verbunden sind.To achieve a particularly uniform distribution of the second reaction medium to the individual connection channels, it is provided in an advantageous development of the invention that one or more adjacent connection channels of the cathode region are connected via a common inlet or outlet to the supply channel or the discharge channel.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind mehrere Einlassöffnungen und Zuführungskanäle, insbesondere jeweils zwei, und mehrere Auslassöffnungen und Abführungskanäle, insbesondere jeweils vier, vorgesehen, wobei sich von einem Zuführungskanal insbesondere Verbindungskanäle zu zwei Abführungskanälen erstrecken. Hierdurch kann eine Länge der Wegstrecken des Gases von den Einlassöffnungen zu den Auslassöffnungen weiter reduziert werden, wodurch ein Druckgradient in dem zweiten Strömungsfeld ebenfalls weiter reduziert werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, a plurality of inlet openings and supply channels, in particular in each case two, and a plurality of outlet openings and discharge channels, in particular in each case four, are provided, wherein extending from a supply channel in particular connecting channels to two discharge channels. Thereby, a length of the distances of the gas from the inlet openings to the outlet openings can be further reduced, whereby a pressure gradient in the second flow field can also be further reduced.

Zur Erzielung einer konstanten Geschwindigkeit und eines konstanten Drucks des zweiten Reaktionsmediums an einem Eingang der Verbindungskanäle können wenigstens ein Zuführungskanal und/oder wenigstens ein Abführungskanal einen sich in Richtung des Mittelpunktes des zweiten Strömungsfeldes verjüngenden Querschnitt aufweisen.To achieve a constant velocity and a constant pressure of the second reaction medium at an inlet of the connecting channels, at least one feed channel and / or at least one discharge channel can have a cross-section that tapers in the direction of the center of the second flow field.

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte ist insbesondere kreisförmig oder polyederförmig ausgebildet. Insbesondere vorteilhaft ist eine Bipolarplatte mit einer sechseckigen Form, da derartige Bipolarplatten besonders gut stapelbar sind.A bipolar plate according to the invention is in particular formed in a circular or polyhedral shape. Particularly advantageous is a bipolar plate with a hexagonal shape, since such bipolar plates are particularly well stackable.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle nach der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung.Further advantages and advantageous embodiments of a bipolar plate for a fuel cell according to the invention will become apparent from the drawing and the description.

Nachfolgend ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.Hereinafter, an advantageous embodiment of a bipolar plate according to the invention for a polymer electrolyte membrane fuel cell is described in principle with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine vereinfachte Schnittansicht eines Brennstoffzellstapels mit vier baugleich ausgebildeten Bipolarplatten; 1 a simplified sectional view of a fuel cell stack with four identical formed bipolar plates;

2 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung einer Anodenseite einer Bipolarplatte der 1; 2 a simplified three-dimensional representation of an anode side of a bipolar plate of 1 ;

3 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung einer Kathodenseite einer Bipolarplatte der 1; und 3 a simplified three-dimensional representation of a cathode side of a bipolar plate of 1 ; and

4 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Bipolarplatte der 1. 4 a simplified plan view of a bipolar plate of 1 ,

In 1 ist ein Brennstoffzellstapel 1 mit vier baugleich ausgebildeten Bipolarplatten 3 einer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle gezeigt, welche einen Arbeitstemperaturbereich von etwa 25°C bis etwa 160°C hat. Der Vorteil von PEM-Brennstoffzellen, welche mit Temperaturen von über 100°C betrieben werden, liegt in der einfachen Handhabbarkeit, da insbesondere keine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung vorzusehen ist. Weiterhin ist die Gefahr einer Ablagerung von Wasser sehr gering, da das Reaktionswasser in dampfförmigem Zustand vorliegt.In 1 is a fuel cell stack 1 with four identically designed bipolar plates 3 a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell having a working temperature range of about 25 ° C to about 160 ° C. The advantage of PEM fuel cells, which are operated at temperatures above 100 ° C, lies in the ease of handling, since in particular no additional moistening device is to be provided. Furthermore, the risk of deposition of water is very low, since the reaction water is in the vapor state.

Die Bipolarplatten 3 sind zu einem sogenannten 3er-Stack aufeinander gestapelt, wobei von den Bipolarplatten 3 gebildete Zellen in Reihe zueinander geschaltet sind.The bipolar plates 3 are stacked to form a so-called 3-stack, with the bipolar plates 3 formed cells are connected in series with each other.

Die PEM-Brennstoffzelle verwendet einen elektrochemischen Prozess, bei dem ein erstes, insbesondere als wasserstoffhaltiges Gas ausgebildetes Reaktionsmedium mit einem zweiten, insbesondere als sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, ausgebildeten Reaktionsmedium kontrolliert reagiert. Das wasserstoffhaltige Gas wird einem ersten Strömungsfeld 5 eines Anodenbereichs 7 der Bipolarplatte 3 zugeführt und reagiert mit dem sauerstoffhaltigen Gas, welches einem zweiten Strömungsfeld 9 eines Kathodenbereichs 11 der Bipolarplatte 3 zugeführt wird.The PEM fuel cell uses an electrochemical process in which a first reaction medium, in particular designed as a hydrogen-containing gas, reacts in a controlled manner with a second reaction medium, in particular formed as an oxygen-containing gas, for example air. The hydrogen-containing gas becomes a first flow field 5 an anode region 7 the bipolar plate 3 fed and reacted with the oxygen-containing gas, which a second flow field 9 a cathode region 11 the bipolar plate 3 is supplied.

Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 3, ist zumindest im Bereich der Strömungsfelder 5, 9 eine Membran angeordnet, welche für Protonen durchlässig ist und welche bei mit über 100°C betriebenen PEM-Brennstoffzellen insbesondere als mit Phosphorsäure bepfropfte Membran ausgebildet ist, welche vorteilhafterweise robuste Membraneigenschaften aufweist. Durch die Membran können Protonen von dem Anodenbereich 7 zu dem Kathodenbereich 11 gelangen.Between two adjacent bipolar plates 3 , is at least in the field of flow fields 5 . 9 arranged a membrane which is permeable to protons and which is formed at more than 100 ° C operated PEM fuel cells in particular as grafted with phosphoric membrane, which advantageously has robust membrane properties. Protons can pass through the membrane from the anode region 7 to the cathode area 11 reach.

Die Membran ist beidseits mit einer eine Herauslösung von Elektronen aus den Wasserstoffmolekülen ermöglichenden dünnen Katalysatorschicht und einer gasdurchlässigen Elektrode beschichtet. Mittels eines Stromleiters werden die Elektronen über die Elektroden zu der Kathodenseite 11 geleitet, um dort mit Hilfe der Katalysatorschicht Sauerstoff zu ionisieren. Die Wasserstoffprotonen reagieren anschließend mit den Sauerstoffionen zu Wasser. Der Elektronenfluss kann über Elektroden als elektrischer Gleichstrom abgegriffen werden, wobei ein Spannungsabgriff an den jeweils äußeren Bipolarplatten 3 erfolgt. Zur Spannungsabnahme können an den äußeren Bipolarplatten 3 insbesondere Kupferplatten vorgesehen sein.The membrane is coated on both sides with a release of electrons from the hydrogen molecules enabling thin catalyst layer and a gas-permeable electrode. By means of a conductor, the electrons on the electrodes to the cathode side 11 directed to ionize there with the help of the catalyst layer oxygen. The hydrogen protons then react with the oxygen ions to form water. The electron flow can be tapped via electrodes as a direct electrical current, wherein a voltage tap on the respective outer bipolar plates 3 he follows. To decrease the voltage may be on the outer bipolar plates 3 be provided in particular copper plates.

In 2 ist die vorliegend sechseckig ausgebildete Bipolarplatte 3 mit dem auf einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordneten Anodenbereich 7 näher ersichtlich. Das erste Strömungsfeld 5 ist im Wesentlichen kreisförmig mit einem Durchmesser von vorliegend 115 mm ausgebildet und wird von vorliegend vier um 90 Grad versetzten Einströmöffnungen 13 in vier symmetrische Blöcke eingeteilt.In 2 is the present hexagonal bipolar plate 3 with that on one side of the bipolar plate 3 arranged anode region 7 closer. The first flow field 5 is formed in a substantially circular shape with a diameter of 115 mm in the present case and is of four present by 90 degrees offset inlet openings 13 divided into four symmetrical blocks.

Das wasserstoffhaltige Gas wird dem Anodenbereich 7 über die Einströmöffnungen 13 zugeführt, von welchen das Gas über jeweils einen Einströmbereich 15 dem von einer ersten Kanalstruktur 17 gebildeten ersten Strömungsfeld 5 bzw. Flowfield von außen zuführbar ist. Durch die Einströmbereiche 15 wird das wasserstoffhaltige Gas dem ersten kreisförmigen Strömungsfeld 5 gleichmäßig über dessen Umfang verteilt zugeführt.The hydrogen-containing gas becomes the anode region 7 over the inlet openings 13 supplied, of which the gas via in each case an inflow region 15 that of a first channel structure 17 formed first flow field 5 or Flowfield can be fed from the outside. Through the inflow areas 15 the hydrogen-containing gas becomes the first circular flow field 5 evenly distributed over its circumference.

Hierzu weisen die Einströmbereiche 15 jeweils einen etwa halbkreisförmig ausgebildeten Hauptzuführungskanal 27 auf, in dessen Mitte eine Einströmöffnung 13 angeordnet ist und dessen Enden mit dem ersten Strömungsfeld 5 zusammenwirken. Die Hauptzuführungskanäle 27 weisen im Bereich der Einströmöffnungen 13 den größten Querschnitt auf, welcher sich in Richtung ihrer mit dem ersten Strömungsfeld 5 zusammenwirkenden Enden zunehmend verjüngt. Weiterhin weisen die Einströmbereiche 15 vorliegend jeweils sechs Hilfskanäle 29 auf, welche sich von dem Hauptzuführungskanal 27 im Wesentlichen in Richtung eines Mittelpunktes M1 des ersten Strömungsfeldes 5 bis zu dem ersten Strömungsfeld 5 erstrecken.For this purpose, the inflow regions 15 in each case an approximately semicircular main supply channel 27 on, in the middle of an inflow opening 13 is arranged and its ends with the first flow field 5 interact. The main feeder channels 27 have in the area of the inlet openings 13 the largest cross section, which is in the direction of its with the first flow field 5 co-operating ends increasingly tapered. Furthermore, the inflow regions 15 in the present case six auxiliary channels each 29 which is from the main feeder channel 27 essentially in the direction of a midpoint M1 of the first flow field 5 up to the first flow field 5 extend.

Um durch die Einströmöffnung 13 einströmendes Gas gleichmäßig über den gesamten Umfang des ersten Strömungsfeldes 5 verteilt dem ersten Strömungsfeld 5 zuführen zu können, sind im Bereich der Einströmöffnung 13 Strömungselemente 31 angeordnet, welche im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung des Hauptzuführungskanals 27 verlaufen. Durch die beschriebene Ausbildung der Einströmbereiche 15 wird sichergestellt, dass durch die Einströmöffnungen 13 zugeführtes Gas das erste Strömungsfeld 5 gleichzeitig und mit der gleichen Geschwindigkeit erreicht. Hierdurch können Totpunkte, d. h. Bereiche in dem ersten Strömungsfeld 5, in denen das Gas eine sehr geringe Geschwindigkeit aufweist bzw. zum Stillstand kommt, vermieden werden.To pass through the inlet 13 inflowing gas evenly over the entire circumference of the first flow field 5 distributed to the first flow field 5 to be able to supply, are in the region of the inflow opening 13 flow elements 31 arranged, which is substantially in the extension direction of the main supply channel 27 run. By the described design of the inflow 15 ensures that through the inlet openings 13 supplied gas the first flow field 5 achieved simultaneously and at the same speed. This allows dead centers, ie areas in the first flow field 5 in which the gas has a very low speed or comes to a standstill be avoided.

Die erste Kanalstruktur 17 des ersten Strömungsfeldes 5 ist vorliegend durch eine Vielzahl von einen Durchmesser von 2 mm aufweisenden Noppen 33 bzw. Pins gebildet, welche jeweils auf Kreisbahnen K um den Mittelpunkt M1 des ersten Strömungsfeldes 5 angeordnet sind. Die kreisförmig ausgebildeten Noppen 33 einer Kreisbahn K weisen jeweils einen konstanten Abstand voneinander auf. Zwischen zwei Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 liegt ein Mittelpunktsabstand von etwa 4 mm, so dass ein zwischen zwei benachbarten Noppen 33 liegender Kanal mindestens eine Breite von 2 mm aufweist. Die Größe der Noppen 33 ist derart gewählt, dass bei einer Verspannung der Bipolarplatte 3 aufgebrachte Querkräfte Scherkräfte der Diffusionsschicht und der Membran nicht übersteigen können.The first channel structure 17 of the first flow field 5 is present by a plurality of a diameter of 2 mm having nubs 33 or pins formed respectively on circular paths K about the midpoint M1 of the first flow field 5 are arranged. The circular shaped knobs 33 a circular path K each have a constant distance from each other. Between two pimples 33 the outermost circular path K1 is a center distance of about 4 mm, so that one between two adjacent nubs 33 lying channel has at least a width of 2 mm. The size of the pimples 33 is chosen such that at a clamping of the bipolar plate 3 applied transverse forces can not exceed shear forces of the diffusion layer and the membrane.

Die zweitäußerste Kreisbahn K2, welche wie sämtliche benachbarte Kreisbahnen K vorliegend einen festgelegten Abstand voneinander aufweist, hat die gleiche Anzahl von Noppen 33 wie die äußerste Kreisbahn K1, so dass der Abstand zwischen den Noppen 33 und die Kanalbreite zwischen den Noppen 33 der zweitäußersten Kreisbahn K2 entsprechend kleiner als der Abstand zwischen den Noppen 33 und die Kanalbreite zwischen den Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 ist. Bezüglich der Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 sind die Noppen 33 der zweitäußersten K2 Kreisbahn auf Lücke angeordnet, so dass jeweils zwei Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 mit einer Noppe 33 der zweitäußersten Kreisbahn K2 ein gleichschenkeliges Dreieck bilden.The second outermost circular path K2, which, like all adjacent circular paths K, has a fixed distance from one another here, has the same number of nubs 33 like the outermost circular path K1, so the distance between the pimples 33 and the channel width between the pimples 33 the second outermost circular path K2 corresponding smaller than the distance between the pimples 33 and the channel width between the pimples 33 the outermost circular path K1 is. Regarding the pimples 33 the outermost circular path K1 are the pimples 33 the second outermost K2 circular path arranged on gap, so that in each case two nubs 33 the outermost circular path K1 with a nub 33 the second outermost circular path K2 form an isosceles triangle.

Eine Anordnung der Noppen 33 der weiter in Richtung des Mittelpunkts M1 des ersten Strömungsfeldes 5 liegenden Kreisbahnen K wird nach dem selben Schema fortgesetzt, bis eine Kanalbreite zwischen benachbarten Noppen 33 einer Kreisbahn K unter einen festgelegten Grenzwert von vorliegend 0,6 mm fällt. Der Grenzwert wird festgelegt, um eine Gaskontraktion, welche eine entsprechende Beschleunigung des Gases verursachen würde, in gewissen Grenzen zu vermeiden. Ein maximaler Abstand zwischen zwei benachbarten Noppen 33 ist ebenfalls begrenzt um eine lokale Gasexpansion zu verhindern.An arrangement of the pimples 33 the further in the direction of the midpoint M1 of the first flow field 5 lying circular paths K is continued according to the same scheme until a channel width between adjacent nubs 33 a circular path K falls below a specified limit of 0.6 mm here. The limit value is set in order to avoid a gas contraction, which would cause a corresponding acceleration of the gas, within certain limits. A maximum distance between two adjacent nubs 33 is also limited to prevent local gas expansion.

Bei der sechstäußersten Kreisbahn K6 würde die Kanalbreite zwischen zwei benachbarten Noppen 33 bei konstanter Anzahl von Noppen 33 vorliegend unter den Grenzwert von 0,6 mm fallen. Um dies zu vermeiden, ist eine Anzahl der Noppen 33 der sechstäußersten Kreisbahn K6 soweit reduziert, dass eine Mindestkanalbreite von 0,6 mm zwischen zwei benachbarten Noppen 33 vorliegt. Durch die reduzierte Anzahl der Noppen 33 ist eine Anordnung der Noppen 33 auf Lücke zu den Noppen 33 der fünftäußersten Kreisbahn K5 zur Bildung von gleichschenkligen Dreiecken nicht mehr insgesamt möglich. Hierdurch kann eine Kanalbreite zwischen zwei Noppen 33 der benachbarten Kreisbahnen K5, K6 unter 0,6 mm fallen. Um auch hier eine Gaskontraktion zu verhindern, sind derartige Noppen 34 miteinander verbunden, so dass zwischen diesen Noppen 34 kein Kanal hindurchfährt.At the sixth extreme circular path K6, the channel width would be between two adjacent nubs 33 with constant number of pimples 33 fall below the limit of 0.6 mm in this case. To avoid this is a number of nubs 33 the sixth outermost circular path K6 reduced so far that a minimum channel width of 0.6 mm between two adjacent nubs 33 is present. Due to the reduced number of nubs 33 is an arrangement of the pimples 33 on gap to the pimples 33 the fifth outermost circular path K5 to the formation of isosceles triangles no longer altogether possible. This allows a channel width between two nubs 33 the adjacent orbits K5, K6 fall below 0.6 mm. In order to prevent a gas contraction here, such nubs are 34 connected together so that between these nubs 34 no channel passes through.

Das Gas verlässt das erste kreisförmige Strömungsfeld 5 nach dessen Durchströmung in einem runden Ausströmbereich 21, welcher in einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes 5 um den Mittelpunkt M1 angeordnet ist. Eine Strömungsrichtung des wasserstoffhaltigen Gases in dem ersten Strömungsfeld 5 ist somit von außen nach innen.The gas leaves the first circular flow field 5 after flowing through it in a round outflow area 21 , which is arranged in a central region of the first flow field 5 about the center M1. A flow direction of the hydrogen-containing gas in the first flow field 5 is thus from outside to inside.

Von dem Ausströmbereich 21 wird das wasserstoffhaltige Gas über vorliegend zwei ebenso wie der Ausströmbereich 21 nicht zu dem ersten Strömungsfeld 5 gehörende Auslasskanäle 23 zu zwei Ausströmöffnungen 25 geleitet, welche radial außerhalb des kreisförmigen Strömungsfeldes 5 angeordnet sind und um 180 Grad zueinander versetzt sind. Die Ausströmöffnungen 25 sind kleiner als die Einströmöffnungen 13 ausgebildet, da nur ein kleiner Teil des dem ersten Strömungsfeld 5 durch die Einströmöffnungen 13 zugeführten wasserstoffhaltigen Gases zu den Ausströmöffnungen 25 gelangt.From the outflow area 21 The hydrogen-containing gas is present over two as well as the outflow area 21 not to the first flow field 5 belonging outlet channels 23 to two outflow openings 25 passed, which radially outside the circular flow field 5 are arranged and offset by 180 degrees to each other. The outflow openings 25 are smaller than the inlet openings 13 formed because only a small part of the first flow field 5 through the inflow 13 supplied hydrogen-containing gas to the outflow openings 25 arrives.

Die Auslasskanäle 23 sind durch bezüglich der Kanalbreite des ersten Strömungsfeldes 5 breite Stege 35 von dem ersten Strömungsfeld 5 getrennt, um eine Diffusion des wasserstoffhaltigen Gases von dem ersten Strömungsfeld 5 direkt in die Auslasskanäle 23 zu erschweren. Weiterhin sind die Auslasskanäle 23 vorliegend an einer Oberfläche der Bipolarplatte 3 angeordnet, können bei einer alternativen Ausbildung der Erfindung aber auch innerhalb der Bipolarplatte als Tunnel verlaufen oder mit Hilfe von Zwischenplatten gebildet sein.The outlet channels 23 are by with respect to the channel width of the first flow field 5 wide footbridges 35 from the first flow field 5 separated to allow diffusion of the hydrogen-containing gas from the first flow field 5 directly into the outlet channels 23 to complicate. Furthermore, the outlet channels 23 in the present case on a surface of the bipolar plate 3 arranged, in an alternative embodiment of the invention but also within the bipolar plate can run as a tunnel or be formed with the aid of intermediate plates.

In 3 ist der Kathodenbereich 11 der Bipolarplatte 3 näher ersichtlich, wobei der Kathodenbereich 11 auf einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordnet ist, welche der den Anodenbereich 7 aufweisenden Seite gegenüberliegt. Das zweite Strömungsfeld 9 des Kathodenbereichs 11 ist wiederum von einer zweiten Kanalstruktur 36 gebildet.In 3 is the cathode area 11 the bipolar plate 3 more apparent, wherein the cathode region 11 on one side of the bipolar plate 3 is arranged, which of the anode region 7 opposite side. The second flow field 9 of the cathode region 11 is in turn of a second channel structure 36 educated.

Der Kathodenbereich 11 weist vorliegend zwei Einlassöffnungen 37 auf, über welche das sauerstoffhaltige Gas dem Kathodenbereich 11 zuführbar ist. Die Einlassöffnungen 37 sind um 180 Grad versetzt zueinander außerhalb des im Wesentlichen kreisförmigen, einen Durchmesser von 117 mm aufweisenden und somit etwas größer als das erste Strömungsfeld 5 ausgebildeten zweiten Strömungsfeldes 9 angeordnet. Von den Einlassöffnungen 37 führt jeweils ein Zuführungskanal 39 in Richtung eines Mittelpunktes M2 des zweiten Strömungsfeldes 9 bis annähernd zu dem Mittelpunkt M2.The cathode area 11 here has two inlet openings 37 on which the oxygen-containing gas is the cathode area 11 can be fed. The inlet openings 37 are offset by 180 degrees to each other outside of the substantially circular, having a diameter of 117 mm and thus slightly larger than the first flow field 5 trained second flow field 9 arranged. From the inlet openings 37 each leads to a supply channel 39 in the direction of a midpoint M2 of the second flow field 9 almost to the center M2.

Ein Querschnitt der Zuführungskanäle 39 nimmt im Wesentlichen ausgehend von den Einlassöffnungen 37 in Richtung des Mittelpunktes M2 ab, wobei sich innerhalb der Zuführungskanäle 39 eine im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Zuführungskanäle 39 angeordnete Zwischenstruktur 40 befindet.A cross-section of the feed channels 39 Essentially, it starts from the inlet ports 37 towards the midpoint M2, being within the feed channels 39 a substantially in the extension direction of the feed channels 39 arranged intermediate structure 40 located.

Von den Zuführungskanälen 39 gehen beidseits Verbindungskanäle 41 aus, welche über Verbindungsbereiche 43 mit den Zuführungskanälen 39 zusammenwirken. Die Verbindungskanäle 41 weisen eine in Abhängigkeit der Zellgröße gewählte Breite von 1 mm auf und verlaufen jeweils konzentrisch zu dem Mittelpunkt M2 des zweiten Strömungsfeldes 9 zu vier Abführungskanälen 45. Über die Abführungskanäle 45 wird das sauerstoffhaltige Gas, welches das zweite Strömungsfeld 9 unverbraucht durchströmt, und das sich aus dem wasserstoffhaltigen Gas und dem sauerstoffhaltigen Gas in der beschriebenen elektrochemischen Reaktion gebildete Wasser zu vier außerhalb des zweiten Strömungsfeldes 9 angeordneten Auslassöffnungen 47 geleitet.From the feeder channels 39 go on both sides connecting channels 41 out, which over connecting areas 43 with the feed channels 39 interact. The connection channels 41 have a selected width of 1 mm depending on the cell size and each run concentrically to the center M2 of the second flow field 9 to four discharge channels 45 , About the discharge channels 45 becomes the oxygen-containing gas, which is the second flow field 9 flows through unconsumed, and that formed from the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas in the described electrochemical reaction water to four outside the second flow field 9 arranged outlet openings 47 directed.

Eine Strömungsrichtung des sauerstoffhaltigen Gases in dem Kathodenbereich 11 ist dementsprechend von außen nach außen.A flow direction of the oxygen-containing gas in the cathode region 11 is accordingly from outside to outside.

Der Volumen- und Massenstrom von den Einlassöffnungen 37 zu den Auslassöffnungen 47 nimmt bei der vorliegenden Ausführungsform bei idealen Eingangsmassenströmen um etwa 10% bis 20% zu.The volume and mass flow from the inlet ports 37 to the outlet openings 47 increases in the present embodiment with ideal input mass flows by about 10% to 20%.

Die Abführungskanäle 45 weisen ebenso wie die Zuführungskanäle 39 einen sich im Wesentlichen von den Auslassöffnungen 47 in Richtung des Mittelpunktes M2 reduzierenden Querschnitt auf, wobei in den Abführungskanälen 45 eine im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Abführungskanäle 45 verlaufende Zwischenstruktur 49 ausgebildet ist.The discharge channels 45 have as well as the feeder channels 39 essentially from the outlet ports 47 in the direction of the center M2 reducing cross section, wherein in the discharge channels 45 a substantially in the extension direction of the discharge channels 45 running intermediate structure 49 is trained.

Die Zwischenstrukturen 40 und 49 der Zuführungskanäle 39 und der Abführungskanäle 45 haben die Aufgabe einen Gasvolumenstrom gleichmäßig auf die Verbindungskanäle 41 zu verteilen bzw. Verwirbelungen in den Zuführungskanälen 39 und den Abführungskanälen 45 zu vermeiden. Weiterhin bilden sie eine Stütze zur Sicherstellung einer guten elektrischen Kontaktierung.The intermediate structures 40 and 49 the feeder channels 39 and the discharge channels 45 have the task of a gas flow evenly on the connection channels 41 to distribute or turbulence in the supply channels 39 and the discharge channels 45 to avoid. Furthermore, they form a support to ensure good electrical contact.

Jeder Einlassöffnung 37 sind vorliegend zwei gegenüber den Einlassöffnungen 37 kleinere Auslassöffnungen 47 zugeordnet, wobei sich von den Zuführungskanälen 39 symmetrisch zu beiden Seiten Verbindungskanäle 41 in Richtung von zwei Abführungskanälen 45 erstrecken. Zwischen zwei Auslassöffnungen 47, welche mit zwei aneinander angrenzenden Abführungskanälen 45 zusammenwirken, liegt ein Winkel von etwa 30 Grad.Each inlet opening 37 are present two opposite the inlet openings 37 smaller outlet openings 47 assigned, being different from the feed channels 39 symmetrical to both sides connecting channels 41 in the direction of two discharge channels 45 extend. Between two outlet openings 47 , which with two adjoining discharge channels 45 interact, is an angle of about 30 degrees.

Um eine möglichst gute Verteilung eines Volumenstromes des sauerstoffhaltigen Gases auf die Verbindungskanäle 41 zu ermöglichen, sind in den Verbindungsbereichen 43 der Zuführungskanäle 39 mit den Verbindungskanälen 41 teilweise mehrere Verbindungskanäle 41 über einen gemeinsamen Einlass 51 zusammengefasst. Im radial äußeren Bereich des zweiten Strömungsfeldes 9 vorgesehene Einlässe 51 wirken dabei mit mehreren Verbindungskanälen 41 zusammen als in einem radial inneren Bereich des zweiten Strömungsfeldes 9 vorgesehene Einlässe 51, welche teilweise mit nur einem einzigen Verbindungskanal 41 zusammenwirken.To ensure the best possible distribution of a volume flow of the oxygen-containing gas to the connecting channels 41 to allow are in the connection areas 43 the feeder channels 39 with the connection channels 41 partly several connection channels 41 via a common inlet 51 summarized. In the radially outer region of the second flow field 9 envisaged inlets 51 act with multiple connection channels 41 together as in a radially inner region of the second flow field 9 envisaged inlets 51 which partially with only a single connection channel 41 interact.

Der äußerste Einlass 51 wirkt vorliegend mit vier Verbindungskanälen 41 zusammen, die folgenden fünf, in Richtung des Mittelpunktes M2 verlagerten Einlässe 51 mit drei Verbindungskanälen 41, die nächsten zwei Einlässe 51 mit zwei Verbindungskanälen 41 und die innersten drei Einlässe 51 mit jeweils einem Verbindungskanal 41. Hierbei kann eine Kanalbreite der jeweiligen Einlässe 51 variieren, wobei insbesondere bei benachbarten Einlässen 51, welche mit der gleichen Anzahl von Verbindungskanälen 41 zusammenwirken, ein dem Mittelpunkt M2 zugewandter Einlass 51 eine größere Kanalbreite als ein dem Mittelpunkt M2 abgewandter Einlass 51 aufweist. Eine Formgestaltung der Einlässe 51 ist derart gewählt, dass eine gleichmäßige Aufteilung des gesamten Gasvolumenstroms über die Einlässe 51 auf sämtliche Verbindungskanäle 41 erfolgt.The outermost inlet 51 acts in the present case with four connecting channels 41 Together, the following five, in the direction of the center M2 shifted inlets 51 with three connection channels 41 , the next two inlets 51 with two connecting channels 41 and the innermost three inlets 51 each with a connection channel 41 , This can be a channel width of the respective inlets 51 vary, especially at adjacent inlets 51 , which with the same number of connecting channels 41 cooperate, an inlet facing the center M2 51 a larger channel width than an inlet facing away from the center M2 51 having. A design of the inlets 51 is chosen such that a uniform distribution of the total gas volume flow through the inlets 51 on all connection channels 41 he follows.

In Anbindungsbereichen der Verbindungskanäle 41 an die Abführungskanäle 45 sind die Verbindungskanäle 41 ebenso über Auslässe 53 zusammengefasst. Jeder Verbindungskanal 41 wirkt entsprechend mit einem Einlass 51 und einem Auslass 53 zusammen, welche einen vergleichbaren Abstand von dem Mittelpunkt M2 des zweiten Strömungsfeldes 9 aufweisen. Durch die konzentrisch zu dem Mittelpunkt M2 ausgebildete Form der Verbindungskanäle 41 zwischen den Einlässen 51 und den Auslässen 53 ist eine Weglänge von einer Einlassöffnung 37 zu einer Auslassöffnung 47 über jeden Verbindungskanal 41 im Wesentlichen gleich groß. Die Verbindungskanäle 41 sind jeweils über einen Steg voneinander getrennt, welche insbesondere eine der Kanalbreite der Verbindungskanäle 41 entsprechende Breite von etwa 1 mm aufweisen.In connection areas of the connection channels 41 to the discharge channels 45 are the connection channels 41 also over outlets 53 summarized. Each connection channel 41 acts accordingly with an inlet 51 and an outlet 53 together, which is a comparable distance from the center M2 of the second flow field 9 exhibit. By the concentric with the center M2 formed form of the connecting channels 41 between the inlets 51 and the outlets 53 is a path length from an inlet opening 37 to an outlet opening 47 over each connection channel 41 essentially the same size. The connection channels 41 are each separated by a web, which in particular one of the channel width of the connecting channels 41 corresponding width of about 1 mm.

Eine Form der Zuführungskanäle 39 mit den Zwischenstrukturen 40, der Einlässe 51, der Auslässe 53 und der Abführungskanäle 45 mit den Zwischenstrukturen 49 ist derart aufeinander abgestimmt, dass die Verteilerkanäle 41 auch bei variierenden Eingangsmassenströmen des sauerstoffhaltigen Gases gleichmäßig mit dem Gas versorgt werden und ein Druck und eine Geschwindigkeit des Gases an sämtlichen Einlässen 51 im Wesentlichen gleich ist, um ein zeitgleiches Durchströmen der Verbindungskanäle 41 zu erreichen. Ausgehend von dem Umfang des zweiten Strömungsfeldes 9 wird den Zuführungskanälen 39 durch die Verbindungskanäle 41 Gasvolumen entzogen. Durch den sich in Richtung des Mittelpunktes M2 verjüngenden Querschnitt der Zuführungskanäle 39 kann eine Geschwindigkeit des Gases in den Zuführungskanälen 39 und somit auch eine Geschwindigkeit des Gases in den in Richtung Mittelpunkt M2 folgenden Verbindungskanälen 41 dabei im Wesentlichen konstant gehalten werden.A form of feeder channels 39 with the intermediate structures 40 , the inlets 51 , the outlets 53 and the discharge channels 45 with the intermediate structures 49 is coordinated so that the distribution channels 41 Even with varying input mass flows of the oxygen-containing gas to be supplied with the gas evenly and a pressure and a velocity of the gas at all inlets 51 is substantially equal to a simultaneous flow through the connecting channels 41 to reach. Starting from the circumference of the second flow field 9 becomes the feeder channels 39 through the connection channels 41 Gas volume withdrawn. By the tapering in the direction of the center point M2 cross section of the feed channels 39 can be a speed of gas in the feed channels 39 and thus also a velocity of the gas in the connection channels following in the direction of the center M2 41 are kept substantially constant.

Auf einer bezüglich des Mittelpunktes M2 abgewandten Seite der Verbindungskanäle 41 sind jeder Auslassöffnung 47 zwei Kühlkanäle 55 zugeordnet, welche über jeweils eine gemeinsame Zuführung 57 mit den Zuführungskanälen 39 und über eine gemeinsame Abführung 59 mit den Abführungskanälen 45 in vergleichbarer Weise wie die Verbindungskanäle 41 zusammenwirken. Eine Kanalbreite der Kühlkanäle 55 zweier benachbarter Kühlkanäle 55 ist vorliegend 0,5 mm und somit kleiner als die Breite der Verbindungskanäle 41, wodurch eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Kühlkanälen 55 größer als eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Verbindungskanälen 41 ist. Hierdurch wird ein guter Kühleffekt erzielt. Ein Abstand der Kühlkanäle 55 zueinander beträgt vorliegend 0,5 mm.On a side of the connecting channels facing away from the center M2 41 are each outlet opening 47 two cooling channels 55 assigned, which in each case via a common feeder 57 with the feed channels 39 and about a joint discharge 59 with the discharge channels 45 in a similar way as the connection channels 41 interact. A channel width of the cooling channels 55 two adjacent cooling channels 55 is presently 0.5 mm and thus smaller than the width of the connecting channels 41 , whereby a flow velocity of the gas in the cooling channels 55 greater than a flow velocity of the gas in the connection channels 41 is. This achieves a good cooling effect. A distance of the cooling channels 55 to each other in the present case is 0.5 mm.

Über einen durch die Kühlkanäle 55 fließenden Volumenstrom des sauerstoffhaltigen Gases wird Wärme von der Bipolarplatte 3 abtransportiert, ohne dass hierfür separate Kühlstrukturen nötig sind. Der Wärmeabtransport über die Kühlkanäle 55 ist besonders günstig, da der Kathodenbereich 11 insgesamt etwas größer als der Anodenbereich 7 ausgebildet ist. Bei alternativ ausgebildeten Bipolarplatten kann eine Kühlung auch mittels einer separaten Kühlstruktur vorgenommen werden.About one through the cooling channels 55 flowing volume flow of the oxygen-containing gas is heat from the bipolar plate 3 transported away, without the need for separate cooling structures are required. The heat dissipation via the cooling channels 55 is particularly favorable, since the cathode area 11 overall slightly larger than the anode area 7 is trained. In the case of alternatively designed bipolar plates, cooling can also be carried out by means of a separate cooling structure.

Zur Bildung einer Brennstoffzelle wird die Zelle mit einer nicht näher dargestellten Flächendichtung abgedichtet, welche vorzugsweise teflonhaltig ist. Die Flächendichtung deckt die gesamten Zuführungskanäle 39 ab und lässt lediglich einen 117 mm großen, das zweite Strömungsfeld 9 umfassenden runden Bereich um den Mittelpunkt M2 frei.To form a fuel cell, the cell is sealed with a surface seal, not shown, which is preferably Teflonhaltig. The surface seal covers the entire supply channels 39 and leaves only a 117 mm, the second flow field 9 comprehensive circular area around the center M2 free.

In 4 ist eine Draufsicht auf den Anodenbereich 7 der Bipolarplatte 3 gezeigt, wobei ersichtlich ist, wie die Einlassöffnungen 37 und die Auslassöffnungen 47 des Kathodenbereichs 11 hierzu angeordnet sind. Die Einlassöffnungen 37 sind auf einer Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Einströmbereichen 15 und entsprechend auf einer Orthogonalen zu den Auslasskanälen 23 angeordnet. Zwei um einen 30 Gradwinkel zueinander versetzte Auslassöffnungen 47 sind jeweils symmetrisch zu den Auslasskanälen 23 angeordnet und weisen einen größeren Abstand von den deckungsgleichen Mittelpunkten M1 und M2 als die Ausströmöffnungen 25 auf.In 4 is a plan view of the anode area 7 the bipolar plate 3 showing how the inlet openings 37 and the outlet openings 47 of the cathode region 11 arranged for this purpose. The inlet openings 37 are on an angle bisector between two adjacent inflow areas 15 and correspondingly on an orthogonal to the outlet channels 23 arranged. Two exhaust ports spaced 30 degrees apart 47 are each symmetrical to the outlet channels 23 arranged and have a greater distance from the congruent centers M1 and M2 as the outflow openings 25 on.

Sämtliche Einlassöffnungen 37, Auslassöffnungen 47, Einströmöffnungen 13 und Ausströmöffnungen 25 sind als Bohrungen ausgebildet und befinden sich außerhalb der Strömungsfelder 5 und 9. Durch deren beschriebene Anordnung insbesondere im Zusammenwirken mit den jeweiligen Einströmbereichen 15 bzw. Zuführungskanälen 39 wird eine gute Strömungsverteilung der Gase und eine große Effektivität der Bipolarplatte 3 erzielt.All inlet openings 37 , Outlet openings 47 , Inflow openings 13 and outflow openings 25 are designed as holes and are located outside the flow fields 5 and 9 , By the described arrangement, in particular in cooperation with the respective inflow regions 15 or supply channels 39 is a good flow distribution of the gases and a large effectiveness of the bipolar plate 3 achieved.

Die sechseckige Bipolarplatte 3 weist vorliegend eine Kantenlänge von 100 mm auf, woraus sich eine maximale Diagonalerstreckung der Bipolarplatte 3 von 200 mm ergibt. Eine Verspannung der Brennstoffzelle wird vorliegend mit Schrauben mit einem Durchmesser von 7 mm durchgeführt. Um einen elektrischen Kurzschluss hierbei zu vermeiden, werden die Schrauben mit einer elektrisch nicht leitenden Hülse versehen.The hexagonal bipolar plate 3 in this case has an edge length of 100 mm, resulting in a maximum diagonal extension of the bipolar plate 3 of 200 mm. A strain of the fuel cell is carried out in the present case with screws with a diameter of 7 mm. In order to avoid an electrical short circuit in this case, the screws are provided with an electrically non-conductive sleeve.

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 3 ist gegenüber herkömmlichen Bipolarplatten bei der Stapelung zu den sogenannten Stacks vorteilhaft, da eine hierzu nötige Verspannung an den Rändern der Bipolarplatten 3 lediglich zu einer geringen Verformung der Bipolarplatten 3 führt. Eine Dichtung zwischen den Bipolarplatten 3 ist entsprechend einfach möglich.A bipolar plate according to the invention 3 is compared to conventional bipolar plates in the stacking to the so-called stacks advantageous because a required for this purpose strain at the edges of the bipolar plates 3 only to a small deformation of the bipolar plates 3 leads. A seal between the bipolar plates 3 is accordingly easy.

Claims (15)

Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich (7) und einem dem Anodenbereich (7) abgewandten Kathodenbereich (11), wobei der Anodenbereich (7) außenseitig ein von einer ersten Kanalstruktur (17) gebildetes erstes Strömungsfeld (5) mit wenigstens einer Einströmöffnung (13) und einer Ausströmöffnung (25) für ein erstes Reaktionsmedium aufweist, wobei mittels der ersten Kanalstruktur (17) des ersten Strömungsfeldes (5) das erste Reaktionsmedium von der wenigstens einen Einströmöffnung (13) zu der wenigstens einen Ausströmöffnung (25) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reaktionsmedium dem ersten Strömungsfeld (5) ausgehend von der wenigstens einen Einströmöffnung (13) über einen Einströmbereich (15) über einen Umfang des ersten Strömungsfeldes (5) verteilt zuführbar ist und das erste Reaktionsmedium über einen in einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes (5) angeordneten Ausströmbereich (21) aus dem ersten Strömungsfeld abführbar ist.Bipolar plate for a polymer electrolyte membrane fuel cell with an anode region ( 7 ) and one the anode region ( 7 ) facing away from the cathode area ( 11 ), wherein the anode region ( 7 ) on the outside one of a first channel structure ( 17 ) formed first flow field ( 5 ) with at least one inflow opening ( 13 ) and an outflow opening ( 25 ) for a first reaction medium, wherein by means of the first channel structure ( 17 ) of the first flow field ( 5 ) the first reaction medium from the at least one inflow opening ( 13 ) to the at least one outflow opening ( 25 ) is feasible, characterized in that the first reaction medium the first flow field ( 5 ) starting from the at least one inflow opening ( 13 ) over an inflow area ( 15 ) over a circumference of the first flow field ( 5 ) can be supplied distributed and the first reaction medium via a in a central region of the first flow field ( 5 ) arranged outflow area ( 21 ) can be discharged from the first flow field. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kanalstruktur (17) von einer Vielzahl von polyeder- bzw. kreisförmig ausgebildeten Noppen (33, 34) gebildet ist.Bipolar plate according to claim 1, characterized in that the first channel structure ( 17 ) of a plurality of polyhedron or circular nubs ( 33 . 34 ) is formed. Bipolarplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (33, 34) zur Bildung der ersten Kanalstruktur (17) auf konzentrischen Kreisbahnen (K, K1, K2, K6) angeordnet sind, welche um einen wenigstens annähernd einen Mittelpunkt (M1) des ersten Strömungsfeldes (5) bildenden Punkt verlaufen.Bipolar plate according to claim 2, characterized in that the nubs ( 33 . 34 ) to form the first channel structure ( 17 ) are arranged on concentric circular paths (K, K1, K2, K6) which are arranged around at least approximately one midpoint (M1) of the first flow field (K). 5 ) forming point. Bipolarplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Noppen (33, 34) einer Kreisbahn (K, K1, K2, K6) ein festgelegter Mindestabstand liegt.Bipolar plate according to claim 3, characterized in that between two adjacent knobs ( 33 . 34 ) a circular path (K, K1, K2, K6) is a fixed minimum distance. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kreisbahnen (K, K1, K2, K6) einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander aufweisen.Bipolar plate according to one of claims 3 or 4, characterized in that adjacent circular paths (K, K1, K2, K6) have a substantially constant distance from each other. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (33, 34) zweier benachbarter Kreisbahnen (K, K1, K2, K6) auf Lücke zueinander angeordnet sind.Bipolar plate according to one of claims 3 to 5, characterized in that the nubs ( 33 . 34 ) of two adjacent circular paths (K, K1, K2, K6) are arranged on a gap to each other. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strömungsfeld (5) mehrere Einströmöffnungen (13), insbesondere vier Einströmöffnungen (13), aufweist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first flow field ( 5 ) several inflow openings ( 13 ), in particular four inflow openings ( 13 ), having. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (15) einen die Einströmöffnung (13) umfassenden halbkreisförmigen Hauptzuführungskanal (27), dessen Enden mit dem ersten Strömungsfeld (5) zusammenwirken, und insbesondere mehrere Hilfskanäle (29), welche sich von dem Hauptzuführungskanal (27) im Wesentlichen in Richtung des Mittelpunkts (M1) des ersten Strömungsfeldes (5) bis zu dem ersten Strömungsfeld (5) erstrecken, aufweist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 7, characterized in that the inflow region ( 15 ) one the inflow opening ( 13 ) comprising a semicircular main feed duct ( 27 ) whose ends are connected to the first flow field ( 5 ), and in particular several auxiliary channels ( 29 ) extending from the main feeder channel ( 27 ) substantially in the direction of the midpoint (M1) of the first flow field ( 5 ) to the first flow field ( 5 ). Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmbereich (21) über wenigstens einen Auslasskanal (23) mit der wenigstens einen Ausströmöffnung (25) zusammenwirkt.Bipolar plate according to one of claims 1 to 8, characterized in that the outflow area ( 21 ) via at least one outlet channel ( 23 ) with the at least one outflow opening ( 25 ) cooperates. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenbereich (11) außenseitig ein mit einer zweiten Kanalstruktur (36) ausgebildetes zweites Strömungsfeld (9) mit wenigstens einer Einlassöffnung (37) und wenigstens einer Auslassöffnung (47) für ein zweites Reaktionsmedium aufweist, wobei mittels der zweiten Kanalstruktur (36) das zweite Reaktionsmedium von der wenigstens einen Einlassöffnung (37) zu der wenigstens einen Auslassöffnung (47) führbar ist und die wenigstens eine Einlassöffnung (37) mit einem im Wesentlichen in Richtung eines Mittelpunktes (M2) des zweiten Strömungsfeldes (9) weisenden Zuführungskanal (39) und die wenigstens eine Auslassöffnung (47) mit einem im Wesentlichen in Richtung des Mittelpunktes (M2) des zweiten Strömungsfeldes (9) weisenden Abführungskanal (45) für das zweite Reaktionsmedium zusammenwirken, wobei der Zuführungskanal (39) und der Abführungskanal (45) durch eine Vielzahl von Verbindungskanälen (41) derart verbunden sind, dass eine Wegstrecke von der wenigstens einen Einlassöffnung (37) zu der wenigstens einen Auslassöffnung (47) durch die einzelnen Verbindungskanäle (41) im Wesentlichen konstant ist, und wobei Verbindungsbereiche (43) des Zuführungskanals (39) mit den Verbindungskanälen (41) derart ausgebildet sind, dass das zweite Reaktionsmedium im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Verbindungskanäle (41) verteilbar ist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cathode region ( 11 ) on the outside with a second channel structure ( 36 ) formed second flow field ( 9 ) with at least one inlet opening ( 37 ) and at least one outlet opening ( 47 ) for a second reaction medium, wherein by means of the second channel structure ( 36 ) the second reaction medium from the at least one inlet opening ( 37 ) to the at least one outlet opening ( 47 ) is feasible and the at least one inlet opening ( 37 ) with a substantially in the direction of a center (M2) of the second flow field ( 9 ) pointing feed channel ( 39 ) and the at least one outlet opening ( 47 ) with a substantially in the direction of the center (M2) of the second flow field ( 9 ) pointing discharge channel ( 45 ) for the second reaction medium, wherein the supply channel ( 39 ) and the discharge channel ( 45 ) by a plurality of connecting channels ( 41 ) are connected such that a distance from the at least one inlet opening ( 37 ) to the at least one outlet opening ( 47 ) through the individual connection channels ( 41 ) is substantially constant, and where connection areas ( 43 ) of the feed channel ( 39 ) with the connection channels ( 41 ) are formed such that the second reaction medium substantially uniformly on the individual connection channels ( 41 ) is distributable. Bipolarplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungskanal (41) mit dem Zuführungskanal (39) und dem Abführungskanal (45) in Bereichen zusammenwirkt, welche einen vergleichbaren Abstand zu dem Mittelpunkt (M2) des zweiten Strömungsfeldes aufweisen.Bipolar plate according to claim 10, characterized in that a connecting channel ( 41 ) with the supply channel ( 39 ) and the discharge channel ( 45 ) cooperates in areas which have a comparable distance to the center (M2) of the second flow field. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere benachbarte Verbindungskanäle (41) des Kathodenbereichs (11) über einen gemeinsamen Einlass (51) bzw. Auslass (53) mit dem Zuführungskanal (39) bzw. dem Abführungskanal (45) verbunden sind. Bipolar plate according to one of claims 10 or 11, characterized in that one or more adjacent connection channels ( 41 ) of the cathode region ( 11 ) via a common inlet ( 51 ) or outlet ( 53 ) with the supply channel ( 39 ) or the discharge channel ( 45 ) are connected. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassöffnungen (37) und Zuführungskanäle (39), insbesondere jeweils zwei, und mehrere Auslassöffnungen (47) und Abführungskanäle (45), insbesondere jeweils vier, vorgesehen sind, wobei sich von einem Zuführungskanal (39) insbesondere Verbindungskanäle (41) zu zwei Abführungskanälen (45) erstrecken.Bipolar plate according to one of claims 10 to 12, characterized in that a plurality of inlet openings ( 37 ) and feeder channels ( 39 ), in particular in each case two, and a plurality of outlet openings ( 47 ) and discharge channels ( 45 ), in particular in each case four, being provided by a supply channel ( 39 ) in particular connection channels ( 41 ) to two discharge channels ( 45 ). Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zuführungskanal (39) und/oder wenigstens ein Abführungskanal (45) einen in Richtung des Mittelpunktes (M2) des zweiten Strömungsfeldes (9) verjüngenden Querschnitt aufweist.Bipolar plate according to one of claims 10 to 13, characterized in that at least one supply channel ( 39 ) and / or at least one discharge channel ( 45 ) one in the direction of the center (M2) of the second flow field ( 9 ) has a tapered cross-section. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie (3) kreisförmig oder polyederförmig, insbesondere als Sechseck ausgebildet ist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 14, characterized in that it ( 3 ) is circular or polyhedron-shaped, in particular designed as a hexagon.
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