DE102014206336A1 - Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle - Google Patents

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Benno Andreas-Schott
Markus Ritter
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle umfassend ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten (32, 34), wobei jede der zwei Platten (32, 34) im Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen (24) aufweist, wobei Vertiefungen der Ausnehmungen (24) beider Platten (32, 34) einen Kühlmittelströmungsbereich (36) bildend voneinander wegweisend angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen (24) ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung (X) vor einem Flussfeld (20) angeordneten Verteilerstruktur (18) der Bipolarplatte (10) ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender Kühlmittelströmungsbereich (36) vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte (10).The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell comprising a structure of two mutually connected plates (32, 34), wherein each of the two plates (32, 34) in cross section each having a periodic structure with recesses (24), wherein depressions the recesses (24) of both plates (32, 34) forming a coolant flow region (36) are facing away from each other. It is provided that the recesses (24) are formed exclusively in a distributor structure (18) of the bipolar plate (10) arranged in front of a flow field (20) in the main flow direction (X) and in that the recesses (24) of the two plates (32, 34 ) partially overlap so as to provide a longitudinal and transverse flow allowing coolant flow area (36). The invention further relates to a fuel cell with such a bipolar plate (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, a fuel cell and a motor vehicle.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 – 2H+ + 2e). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2H+ + O2– → H2O). Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt u. a. aufgrund der gegenüber von Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane-electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode disposed on both sides of the membrane (anode and cathode). During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 - 2H + + 2e - ). Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen takes place with absorption of the electrons (½O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported through the membrane to form water (2H + + O 2- → H 2 O). The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency. The cathode reaction is, inter alia, due to the lower compared to hydrogen diffusion rate of oxygen, the rate-limiting element of the fuel cell reaction.

In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen und Kühlkanäle zur Abführung von Wärme aufweist. Bipolarplatten bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane-electrode arrangements whose electrical powers add up. Between two membrane electrode assemblies of a fuel cell stack, a respective bipolar plate is arranged, which has channels for supplying the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and cooling channels for dissipating heat. Bipolar plates are made of an electrically conductive material to make the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply of the membrane-electrode assemblies, the cooling and the electrical connection.

Bipolarplatten haben verschiedene Bereiche, die in einer Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Dies sind zunächst die Hauptkanäle oder Fluidports, über welche die Reaktanden und/oder das Kühlmittel zugeführt werden. Dann schließt sich ein Einströmbereich an, der zu einer Verteilstruktur überleitet. Die Verteilstruktur verteilt die Fluide, die dann einem Flussfeld zugeführt werden, wo die chemischen Reaktionen stattfinden.Bipolar plates have different regions arranged one behind the other in a main flow direction. These are first the main channels or fluid ports, via which the reactants and / or the coolant are supplied. This is followed by an inflow region, which leads to a distribution structure. The distribution structure distributes the fluids, which are then fed to a flow field where the chemical reactions take place.

WO 2008024400 A1 offenbart eine metallische Bipolarplatte, die jedoch in der Verteilstruktur einen erheblichen Druckverlust aufweist. Obwohl das Flussfeld bereits einen hohen Druckabfall verzeichnet, ist hier die Verteilstruktur für etwa 80% des Druckabfalls der Bipolarplatte verantwortlich. WO 2008024400 A1 discloses a metallic bipolar plate which, however, has a significant pressure loss in the distribution structure. Although the flow field is already experiencing a high pressure drop, here the distribution structure accounts for about 80% of the bipolar plate pressure drop.

DE10 2005 057 045 A1 offenbart eine Bipolarplatte, bei welcher die Bauhöhe des Einströmbereichs reduziert ist. Dies wird erreicht durch eine regelmäßige Anordnung von Stützstellen und gleichartigen Freiräumen. DE10 2005 057 045 A1 discloses a bipolar plate in which the height of the inflow area is reduced. This is achieved by a regular arrangement of support points and similar open spaces.

DE 101 63 631 A1 offenbart eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit einer Verteilerstruktur aus mehreren in benachbarten Reihen hintereinander angeordneten länglichen Stegen. DE 101 63 631 A1 discloses a bipolar plate for a fuel cell having a manifold structure of a plurality of elongate ridges arranged in succession in adjacent rows.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Druckverlust einer Bipolarplatte zu verringern.The invention is based on the object to reduce the pressure loss of a bipolar plate.

Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1, Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 beziehungsweise ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a bipolar plate according to claim 1, a fuel cell according to claim 8 or a motor vehicle according to claim 10. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße, für den Einsatz in Brennstoffzellen ausgelegte Bipolarplatte umfasst ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten. Dabei weist jede der zwei Platten im Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen auf, wobei Vertiefungen der Ausnehmungen beider Platten einen Kühlmittelströmungsbereich bildend voneinander wegweisend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung vor und/oder nach einem Flussfeld angeordneten Verteilerstruktur der Bipolarplatte ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen der beiden Platten sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender Kühlmittelströmungsbereich vorgesehen ist. Die Verteilerstruktur, die stromabwärts des Flussfeldes auch als Sammler bezeichnet werden kann, ist vorzugsweise direkt an oder neben dem Flussfeld angeordnet.The bipolar plate according to the invention, designed for use in fuel cells, comprises a structure of two plates arranged with one another. In this case, each of the two plates has a periodic structure with recesses in cross-section, recesses of the recesses of both plates forming a coolant flow area forming away from one another, characterized in that the recesses exclusively in a arranged in the main flow direction before and / or after a flow field distribution structure the bipolar plate are formed and that the recesses of the two plates partially overlap, so that a longitudinal and transverse flow permitting coolant flow area is provided. The distributor structure, which may also be referred to as a collector downstream of the flow field, is preferably arranged directly on or next to the flow field.

Im Verteilbereich beziehungsweise in der Verteilerstruktur wird der Druckverlust durch die Verbesserung der hydraulischen Durchmesser der Strömungsquerschnitte deutlich reduziert. Das Längen- und Breitenverhältnis der ausgebildeten Kanalquerschnitte kann nun zum idealen Verhältnis von 1:1 tendieren. Die Gleichverteilung im Flussfeld wird signifikant verbessert, da nun das Flussfeld und nicht der Verteilbereich den größten Anteil am Druckverlust verursacht. Die Erfindung gewährleistet zudem eine Abstützung bzw. Einspannung der Membran-Elektroden-Anordnung mit der Bipolarplatte auch im Verteilbereich.In the distribution area or in the distribution structure, the pressure loss by improving the hydraulic diameter of the Flow cross sections significantly reduced. The length and width ratio of the formed channel cross sections can now tend to the ideal ratio of 1: 1. The uniform distribution in the flow field is significantly improved, since now the flow field and not the distribution area causes the largest part of the pressure loss. The invention also ensures a support or clamping of the membrane-electrode assembly with the bipolar plate in the distribution area.

Erfindungsgemäß werden somit Platten für den Aufbau der Bipolarplatte verwendet, die keine kanalartigen, durchgehenden Vertiefungen wie im Stand der Technik aufweisen, sondern sich teilweise überschneidende, periodische Strukturen mit Ausnehmungen. Dabei wird unter dem Begriff Ausnehmung eine Auswölbung oder Verprägung einer ansonsten ebenen Platte verstanden, die eine durchgehende umlaufende Kontur bezüglich des ebenen Untergrunds der Platte aufweist. Die Ausnehmungen erlauben neben der längs gerichteten Hauptströmung auch eine quer oder senkrecht dazu verlaufende Quer- oder Nebenströmung, was die Strömungseigenschaften weiter verbessert. Durch die Quer- und Längsströmung entsteht ein verbundenes Strömungsvolumen, wobei die Ausnehmungen oder Verprägungen den Druckverlust steuern beziehungsweise einstellen.According to the invention plates are thus used for the construction of the bipolar plate, which have no channel-like, continuous recesses as in the prior art, but partially overlapping, periodic structures with recesses. The term recess is understood to mean a bulge or embossing of an otherwise flat plate which has a continuous circumferential contour with respect to the flat background of the plate. The recesses allow in addition to the longitudinal main flow and a transverse or perpendicular thereto extending transverse or secondary flow, which further improves the flow characteristics. By the transverse and longitudinal flow creates a connected flow volume, wherein the recesses or stampings control or adjust the pressure loss.

Die Ausnehmungen sind vorzugsweise verrundete Kreuz- oder Rautenstrukturen. Verrundete oder abgerundete Kreuz- oder Rautenstrukturen eignen sich besonders zur Erzeugung der aufeinander abgestimmten Längs- und Querströmung des Kühlmittels. Der Druckverlust des Kühlmittels und der Reaktanden in Längs- und Querrichtung kann durch die Länge, Breite sowie die Überschneidung der Ausnehmungen beziehungsweise Verprägungen beeinflusst werden. Der Austrag von Wasser, kritisch für einen Froststart, wird durch die verrundeten Strukturen begünstigt. Je stärker die Strukturen beziehungsweise Ausnehmungen verrundet oder ausgerundet sind, desto größere Kanalquerschnitte werden gebildet. Die Verrundung besteht darin, spitze Ecken zu verrunden und/oder gerade Seitenbereiche der Strukturen konkav, also nach Innen in die Struktur hinein, auszubilden. Auch eine ovale Form oder Ellipse ist geeignet, wobei eine ovale beziehungsweise runde Form eine maximal verrundete Struktur oder Kontur darstellt. Schließlich können derartige Formen zu einer Ausnehmung oder Struktur kombiniert werden. Dies kann zum Beispiel durch zwei rechtwinklig angeordnete und sich durchdringende Ellipsenformen realisiert sein.The recesses are preferably rounded cross or rhombic structures. Rounded or rounded cross or rhombic structures are particularly suitable for generating the coordinated longitudinal and transverse flow of the coolant. The pressure loss of the coolant and the reactants in the longitudinal and transverse directions can be influenced by the length, width and the intersection of the recesses or stampings. The discharge of water, critical for a frost start, is favored by the rounded structures. The more strongly the structures or recesses are rounded or rounded, the larger channel cross sections are formed. The rounding consists of rounding sharp corners and / or forming straight side regions of the structures concave, that is, inwards into the structure. Also, an oval shape or ellipse is suitable, wherein an oval or round shape represents a maximum rounded structure or contour. Finally, such shapes can be combined into a recess or structure. This can be realized for example by two orthogonal and penetrating ellipse shapes.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen der beiden Platten sich in Randbereichen und/oder in Eckbereichen der Ausnehmungen überschneiden. Dazu können die Ausnehmungen auf beiden Platten identisch ausgeführt sein. Die Ausnehmungen der beiden Platten können um eine halbe Ausnehmung, zum Beispiel eine halbe Breite oder Länge, versetzt angeordnet sein. Ein geringerer Versatz ist ebenso möglich, der dann unsymmetrisch ist.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the recesses of the two plates overlap in edge regions and / or in corner regions of the recesses. For this purpose, the recesses can be made identical on both plates. The recesses of the two plates can be arranged offset by half a recess, for example, a half width or length. A smaller offset is also possible, which is then unbalanced.

Die Ausnehmungen können eine Höhe zwischen der Hälfte der Höhe und der gesamten Höhe des Gefüges aufweisen. Dies optimiert den Strömungsverlauf und minimiert den Druckverlust, da die Höhe des Kanals maximiert ist. Bei dieser Betrachtung können die Wandstärken oder Dicken der Bleche der Platten beziehungsweise der Platten unberücksichtigt sein. Anders ausgedrückt kann eine Ausnehmung die Hälfte der Höhe oder die vollständige Höhe des gesamten Strömungsvolumens haben. Die vollständige Höhe wird im Bereich sich überschneidender Ausnehmungen erzielt, während die Hälfte der Höhe im Bereich einzelner Ausnehmungen vorliegt.The recesses may have a height between half the height and the total height of the structure. This optimizes flow and minimizes pressure loss as the height of the channel is maximized. In this consideration, the wall thicknesses or thicknesses of the plates of the plates or the plates can be disregarded. In other words, a recess may have half the height or the full height of the total flow volume. The full height is achieved in the area of overlapping recesses, while half of the height is in the area of individual recesses.

Für die Herstellung der Platten ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Ausnehmungen in die Platten geprägt sind. Alternativ kann auch ein Tiefziehverfahren verwendet werden. Das Verfügen der beiden Platten zu einer Bipolarplatte erfolgt vorzugsweise durch Verschweißung der beiden Platten. Vorzugsweise erfolgt dies in Form durchgehender Schweißnähte, wodurch eine Abdichtung der durch die Ausnehmungen ausgebildeten Kühlmittelkanäle erhalten wird. Ein besonders geeignetes Schweißverfahren stellt das Laserschweißen dar.For the production of the plates is advantageously provided that the recesses are embossed in the plates. Alternatively, a deep drawing process can also be used. The provision of the two plates to a bipolar plate is preferably carried out by welding the two plates. This is preferably done in the form of continuous welds, whereby a seal of the coolant channels formed by the recesses is obtained. A particularly suitable welding process is the laser welding.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen sich entlang der Hauptströmungsrichtung und entlang einer Querströmungsrichtung teilweise überschneiden. Die Überschneidung in zwei vorzugsweise zueinander senkrechten Richtungen optimiert gleichzeitig die Längs- und Querströmung.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the recesses partially overlap along the main flow direction and along a transverse flow direction. The intersection in two preferably mutually perpendicular directions simultaneously optimizes the longitudinal and transverse flow.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von zuvor beschriebenen Bipolarplatten und einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen, wobei die Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Anordnungen abwechselnd aufeinander gestapelt sind. Es gelten die zuvor beschriebenen Vorteile und Modifikationen.The invention further relates to a fuel cell comprising a stack of a plurality of previously described bipolar plates and a plurality of membrane-electrode assemblies, wherein the bipolar plates and the membrane-electrode assemblies are alternately stacked on each other. The advantages and modifications described above apply.

In dieser Anordnung liegen die Membranelektrodeneinheiten auf den Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen fungieren somit – neben ihrer Funktion zur Kühlmittelkanalbildung – als Abstandshalter zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Bipolarplatte, wodurch Räume für die Betriebsmittelversorgung in Form von Betriebsmittelflussfeldern ausgebildet werden.In this arrangement, the membrane electrode units rest on the recesses. The recesses thus act - in addition to their function for coolant channel formation - as spacers between the membrane-electrode assembly and the bipolar plate, whereby spaces for the resource supply are designed in the form of Betriebsmittelflussfeldern.

In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Durchleitung des Anoden- und/oder des Kathodenbetriebsmittelstroms parallel zu dem Kühlmittelfluss innerhalb der durch die Ausnehmungen ausgebildeten Kanäle. Anders ausgedrückt verlaufen die Hauptströmungsrichtungen oder die Längsströmungen parallel oder im Wesentlichen parallel. Dieses kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom erfolgen. Vorzugsweise werden sämtliche der drei Ströme, Anoden- und Kathodenbetriebsmittelströme sowie der Kühlmittelstrom parallel im Gleichstrom geleitet. In a preferred embodiment, the passage of the anode and / or the Kathodenbetriebsmittelstoms parallel to the flow of coolant within the channels formed by the recesses. In other words, the main flow directions or the longitudinal flows are parallel or substantially parallel. This can be done in cocurrent or countercurrent. Preferably, all of the three streams, anode and cathode resource streams, and the coolant stream are conducted in parallel cocurrent.

Die Brennstoffzelle kann für mobile oder stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere dient sie der Stromversorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Fahrzeugs. Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Fahrzeug, das eine zuvor beschriebene Brennstoffzelle aufweist. Es gelten die zuvor beschriebenen Vorteile und Modifikationen.The fuel cell can be used for mobile or stationary applications. In particular, it serves to supply power to an electric motor for driving a vehicle. Thus, another aspect of the invention relates to a vehicle having a fuel cell as described above. The advantages and modifications described above apply.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Draufsicht auf eine schematisierte erfindungsgemäße Bipolarplatte, 1 a top view of a schematic bipolar plate according to the invention,

2 eine schematische Darstellung eines Details der Verteilstruktur, 2 a schematic representation of a detail of the distribution structure,

3 eine schematische Darstellung eines Details der Verteilstruktur mit verdeckten Kanten der darunterliegenden Platte, 3 a schematic representation of a detail of the distribution structure with hidden edges of the underlying plate,

4 eine Schnittansicht nach Schnitt A-A gemäß 1, 4 a sectional view according to section AA according to 1 .

5 eine Schnittansicht nach Schnitt B-B gemäß 1, 5 a sectional view according to section BB according to 1 .

6 eine schematische Darstellung eines Details einer verrundeten Verteilstruktur, 6 a schematic representation of a detail of a rounded distribution structure,

7 eine schematische Darstellung eines Details der verrundeten Verteilstruktur mit verdeckten Kanten der darunterliegenden Platte, 7 a schematic representation of a detail of the rounded distribution structure with hidden edges of the underlying plate,

8 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und 8th a perspective view of the bipolar plate according to the invention and

9 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Bipolarplatte aus 8. 9 a perspective view of a section of the bipolar plate 8th ,

1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 10. Die Bipolarplatte 10 hat üblicherweise eine rechteckförmige Erstreckung, wobei die Längsrichtung in einer Hauptströmungsrichtung X verläuft und die Querseite parallel zu einer Richtung Y der Querströmung verläuft. Im Verlauf der Hauptströmung X ist stromaufwärts zunächst ein Einlass- oder Kanalbereich angeordnet, in dem sich ein Anodenhauptgaskanal 12, ein Kathodenhauptgaskanal 14 und ein Kühlmittelhauptgaskanal 16 befinden. Über die Kanäle 12, 14 und 16 werden die jeweiligen Fluide der Bipolarplatte 10 zugeführt. Weiter stromabwärts liegt der Verteilbereich oder die Verteilerstruktur 18, die im Weiteren detaillierter beschrieben wird. Weiter in Hauptstromrichtung X schließt sich an die Verteilerstruktur 18 das Flussfeld 20 der Bipolarplatte 10 an. Zwischen den Kanälen 12, 14 und 16 und der Verteilerstruktur 18 sind ein oder mehrere Einströmbereiche 22 vorgesehen, über welche das jeweilige Fluid von dem entsprechenden Kanal in die Verteilerstruktur gelangt. Die Verteilerstruktur 18 hat die Aufgabe, die Fluide von der Breite des dazugehörigen Kanals in Y-Richtung auf die gesamte Breite des Flussfeldes 20 zu verteilen, um dort flächendeckend chemische Reaktionen beziehungsweise Kühlung zu ermöglichen. Dazu sind in der Verteilerstruktur 18 eine Vielzahl von Ausnehmungen 24 angeordnet. 1 schematically shows a plan view of a bipolar plate 10 , The bipolar plate 10 has usually a rectangular extension, wherein the longitudinal direction in a main flow direction X and the transverse side is parallel to a direction Y of the transverse flow. In the course of the main flow X upstream of an inlet or channel region is arranged, in which an anode main gas channel 12 , a cathode main gas channel 14 and a coolant main gas passage 16 are located. About the channels 12 . 14 and 16 become the respective fluids of the bipolar plate 10 fed. Farther downstream is the distribution area or distribution structure 18 , which will be described in more detail below. Next in the main flow direction X is followed by the distributor structure 18 the river field 20 the bipolar plate 10 at. Between the channels 12 . 14 and 16 and the distribution structure 18 are one or more inflow areas 22 provided, via which the respective fluid passes from the corresponding channel into the distributor structure. The distribution structure 18 The task is to move the fluids from the width of the associated channel in the Y direction to the entire width of the flow field 20 to distribute throughout the country to allow chemical reactions or cooling. These are in the distribution structure 18 a variety of recesses 24 arranged.

Wie in 2 dargestellt sind die Ausnehmungen 24 in einer periodischen Struktur 26 ausgebildet. Wie hier dargestellt ist, haben die Ausnehmungen 24 eine rautenförmige Struktur, wobei die Rauten mit ihrer Längsachse parallel zu der Hauptströmungsrichtung X angeordnet sind. Die Ausnehmungen 24 sind relativ dicht beieinander angeordnet, sodass eine Vielzahl von Ausnehmungen 24 in der Verteilerstruktur 18 vorgesehen sind. So entspricht der Abstand zwischen zwei Ausnehmungen 24 etwa dem 3- bis 7-fachen, vorzugsweise dem 5-fachen einer Außenkante oder -seite der Ausnehmung 24. Die Ausnehmungen 24 sind zudem derart versetzt angeordnet, dass die Abstände zwischen den Ausnehmungen 24 jeweils annähernd gleich sind. Dazu können die Ausnehmungen 24 in Reihen angeordnet sein, wobei die Reihen jeweils um die Abmessung einer halben Ausnehmung 24 versetzt zueinander angeordnet sind. Die Reihen können dabei in Längsströmungsrichtung X und/oder in Querströmungsrichtung Y ausgebildet sein.As in 2 the recesses are shown 24 in a periodic structure 26 educated. As shown here, the recesses have 24 a diamond-shaped structure, wherein the diamonds are arranged with their longitudinal axis parallel to the main flow direction X. The recesses 24 are arranged relatively close to each other, so that a plurality of recesses 24 in the distribution structure 18 are provided. So corresponds the distance between two recesses 24 about 3 to 7 times, preferably 5 times, an outer edge or side of the recess 24 , The recesses 24 are also arranged offset so that the distances between the recesses 24 are approximately the same. These can be the recesses 24 be arranged in rows, wherein the rows each by the dimension of half a recess 24 offset from one another. The rows may be formed in the longitudinal flow direction X and / or in the transverse flow direction Y.

In 3 ist die periodische Struktur 26 aus 2 um eine weitere periodische Struktur 26, die unter der in 2 dargestellten periodischen Struktur 26 angeordnet ist, erweitert. Entsprechend sind Ausnehmungen 24a einer ersten Platte, die den Ausnehmungen 24 aus 2 entsprechen, voll dargestellt. Ausnehmungen 24b einer darunter liegenden zweiten Platte sind schraffiert dargestellt. Wie zu sehen ist, sind die beiden Platten versetzt zueinander angeordnet, sodass sich die Ausnehmungen 24a der ersten Platte und die Ausnehmungen 24b der zweiten Platte teilweise überlappen. Da die Ausnehmungen 24a und 24b symmetrisch ausgebildet sind, ergibt sich eine symmetrische Überlappungsstruktur.In 3 is the periodic structure 26 out 2 around another periodic structure 26 that under the in 2 illustrated periodic structure 26 is arranged, expanded. Corresponding recesses 24a a first plate, the recesses 24 out 2 correspond, fully illustrated. recesses 24b an underlying second plate are shown hatched. As can be seen, the two plates are offset from one another so that the recesses 24a the first plate and the recesses 24b partially overlap the second plate. Because the recesses 24a and 24b are formed symmetrically, results in a symmetrical overlap structure.

Wie in 3 dargestellt, überschneiden sich die Ausnehmungen 24a und 24b in Eckbereichen der Ausnehmungen 24. Somit hat hier jede rautenförmige Ausnehmung 24 vier Überschneidungsbereiche 28, von denen einer beispielhaft mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. In den Überschneidungsbereichen 28 liegen die beiden Ausnehmungen 24a und 24b übereinander, sodass hier ein relativ hoher Strömungsquerschnitt gebildet wird. Entsprechend existieren auch Kontakt- oder Stützbereiche 30, in denen die beiden Platten direkt aufeinander liegen, also weder eine Ausnehmung 24a der ersten Platte noch eine Ausnehmung 24b der zweiten Platte vorhanden sind. As in 3 shown, the recesses overlap 24a and 24b in corner areas of the recesses 24 , Thus, each diamond-shaped recess has here 24 four overlapping areas 28 of which one is exemplified by the reference numeral 28 is provided. In the overlapping areas 28 lie the two recesses 24a and 24b one above the other, so that a relatively high flow cross section is formed here. Accordingly, there are also contact or support areas 30 in which the two plates lie directly on top of each other, ie neither a recess 24a the first plate still a recess 24b the second plate are present.

4 zeigt die Schnittdarstellung der Bipolarplatte 10 gemäß der Linie AA in 1. Die erste Platte 32 und die zweite Platte 34 bilden einen Kühlkanal beziehungsweise Kühlmittelströmungsbereich 36, in dem beispielhaft der Kühlmittelverlauf 38 in Hauptströmungsrichtung X dargestellt ist. Wie zu sehen ist, sind die beiden Platten 32 und 34 derart zueinander angeordnet, dass die Ausnehmungen 24a und 24b voneinander wegweisend angeordnet sind. Anders ausgedrückt liegen die beiden Platten 32 und 34 mit ihren Hauptflächen aneinander an, was links in 4 dargestellt ist, wobei die Ausnehmungen 24 dann jeweils nach außen ausgeformt sind. Dadurch entsteht an Innenseiten oder Innenflächen der beiden Platten 32 und 34 ein durchgehender Strömungsbereich, der hier als Kühlmittelströmungsbereich 36 bezeichnet ist. 4 shows the sectional view of the bipolar plate 10 according to the line AA in 1 , The first plate 32 and the second plate 34 form a cooling channel or coolant flow area 36 in which exemplifies the coolant flow 38 in the main flow direction X is shown. As you can see, the two plates are 32 and 34 arranged such that the recesses 24a and 24b are arranged pointing away from each other. In other words, the two plates are 32 and 34 with their main faces touching each other, which is left in 4 is shown, wherein the recesses 24 then each outwardly formed. This results in inner sides or inner surfaces of the two plates 32 and 34 a continuous flow area, here as the coolant flow area 36 is designated.

Das Gefüge der ersten Platte 32 und der damit verbundenen zweiten Platte 34 hat eine Gesamthöhe H. Die Höhe einer Ausnehmung 24, berechnet von einer Innenseite der Platte bis zu einer Außenseite der Platte in den Bereichen der Ausnehmung 24 beträgt h, wobei die Höhe der Ausnehmung h der Hälfte der Höhe H des Gefüges entspricht. Somit hat die Verteilerstruktur 18 eine große Höhe h für den Kühlmittelströmungsbereich 36, was zu einem günstigen hydraulischen Querschnitt und damit geringem Druckverlust führt.The structure of the first plate 32 and the associated second plate 34 has a total height H. The height of a recess 24 Calculated from an inside of the plate to an outside of the plate in the areas of the recess 24 is h, wherein the height of the recess h is equal to half the height H of the structure. Thus, the distribution structure has 18 a high height h for the coolant flow area 36 , which leads to a favorable hydraulic cross section and thus low pressure loss.

Auch die Strömungsvolumen oder -kanäle für die Reaktanden haben eine Höhe, welche der Hälfte der Gesamthöhe H entspricht. Diese Strömungsbereiche sind an den Außenseiten der beiden Platten 32 und 34 jeweils zwischen den Ausnehmungen 24 ausgebildet. Dort liegt dann in einem Stapel einer vollständigen Brennstoffzelle eine Membran-Elektroden-Anordnung auf den Ausnehmungen 24 auf.Also, the flow volumes or channels for the reactants have a height which corresponds to half the total height H. These flow areas are on the outsides of the two plates 32 and 34 each between the recesses 24 educated. There is then in a stack of a complete fuel cell, a membrane-electrode assembly on the recesses 24 on.

In 5 ist ein Querschnitt gemäß der Linie BB in 1 der Bipolarplatte 10 dargestellt. Analog zu 4 sind auch hier die erste Platte 32 und die zweite Platte 34 dargestellt, welche mit ihren jeweiligen Ausnehmungen 24a und 24b einen zwischen den beiden Platten angeordneten Kühlmittelströmungsbereich 36 ausbilden. Der Kühlmittelverlauf 38 des Kühlmittels in dem Kühlmittelströmungsbereich 36 ist ebenfalls dargestellt. Während in 4 der Strömungsverlauf in Längsrichtung X dargestellt ist, ist hier in 5 der Strömungsverlauf in Querrichtung Y beziehungsweise die Querkomponente des Kühlmittelverlaufs dargestellt. Der Kühlmittelverlauf 38 hat somit eine Längskomponente als auch eine Querkomponente in einem durchgängigen Strömungsraum, der von den Stützbereichen 30 unterbrochen ist. Der Strömungsbereich oder Kühlmittelkanal 36 hat aufgrund der großen Höhe h und der Ausbildung und der Anordnung der Ausnehmungen 24 einen günstigen hydraulischen Durchmesser.In 5 is a cross section along the line BB in 1 the bipolar plate 10 shown. Analogous to 4 are also the first record here 32 and the second plate 34 shown, which with their respective recesses 24a and 24b a coolant flow area located between the two plates 36 form. The coolant flow 38 of the coolant in the coolant flow area 36 is also shown. While in 4 the flow pattern in the longitudinal direction X is shown here 5 the flow path in the transverse direction Y or the transverse component of the coolant flow is shown. The coolant flow 38 thus has a longitudinal component as well as a transverse component in a continuous flow space of the support areas 30 is interrupted. The flow area or coolant channel 36 due to the high height h and the formation and arrangement of the recesses 24 a favorable hydraulic diameter.

In den 6 und 7 ist analog zu den 2 und 3 eine periodische Struktur 26 der Ausnehmungen 24 dargestellt. Während in 2 und 3 die Ausnehmungen 24 die Form oder Kontur einer Raute haben, sind die Ausnehmungen 24 in 6 und 7 als ausgerundetes Kreuzmuster ausgebildet. Diese Ausgestaltung kann auch als verrundete Kreuz- oder Rautenstruktur bezeichnet werden. Wie in 6 dargestellt ist, sind nun die Seitenflächen der Ausnehmungen 24 konkav ausgebildet, also nach innen gewölbt. Dadurch nimmt der Kathoden- und/oder Anodenverlauf einen wellenförmigen oder mäandrierenden Verlauf, was das Strömungsverhalten positiv beeinflusst. In 7 sind die Ausnehmungen 24a der ersten Platte voll dargestellt, während die Ausnehmungen 24b der zweiten Platte schraffiert beziehungsweise nur teilweise dargestellt sind. Auch hier befinden sich die Überschneidungsbereiche 28 zwischen den beiden Ausnehmungen 24a und 24b in Eckbereichen der Ausnehmungen 24. Stützbereiche 30 sind dort angeordnet, wo weder eine Ausnehmung 24a noch eine Ausnehmung 24b ausgebildet ist.In the 6 and 7 is analogous to the 2 and 3 a periodic structure 26 the recesses 24 shown. While in 2 and 3 the recesses 24 have the shape or contour of a rhombus, are the recesses 24 in 6 and 7 formed as a rounded cross pattern. This embodiment can also be referred to as a rounded cross or rhombic structure. As in 6 is shown, are now the side surfaces of the recesses 24 concave, so curved inward. As a result, the cathode and / or anode course takes a wave-shaped or meandering course, which positively influences the flow behavior. In 7 are the recesses 24a the first plate fully illustrated, while the recesses 24b the second plate hatched or only partially shown. Again, there are the overlapping areas 28 between the two recesses 24a and 24b in corner areas of the recesses 24 , support areas 30 are arranged there, where neither a recess 24a another recess 24b is trained.

9 zeigt eine perspektivische Darstellung der Bipolarplatte 10. Im Vergleich zu 1 ist hier die Oberseite aus 1 unten dargestellt. Somit ist in der Darstellung in 8 die erste Platte 32 unten angeordnet, während die zweite Platte 34 oben angeordnet ist. Entsprechend zu 1 ist in der Verteilerstruktur 18 eine Vielzahl von Ausnehmungen 24 angeordnet. 9 shows a perspective view of the bipolar plate 10 , Compared to 1 here's the top off 1 shown below. Thus, in the illustration in FIG 8th the first record 32 arranged below while the second plate 34 is arranged above. Correspondingly too 1 is in the distribution structure 18 a variety of recesses 24 arranged.

In 9 ist ein Detail gemäß Ausschnitt C aus 8 dargestellt. In dieser Darstellung ist zu erkennen, wie die Ausnehmungen 24b nach außen in der zweiten Platte 34 ausgebildet sind, sodass die Außenwände der Ausnehmungen 24b als Erhebungen aus der Ebene der zweiten Platte 34 hervorstehen. Analog sind die Ausnehmungen 24a der ersten Platte 32 ausgebildet. Somit bilden die zueinander versetzten Ausnehmungen 24a und 24b den Kühlmittelströmungsbereich 36, in dem das Kühlmittel gesteuert durch die Form und Anordnung der Ausnehmungen 24 in einem günstigen hydraulischen Durchmesser oder Querschnitt in Längs- und Querrichtung strömt. Dies bewirkt, dass der Druckverlust über die Verteilerstruktur 18 gering ist. Zur Bildung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels wird eine Vielzahl der Bipolarplatten 10 abwechselnd mit einer Membran-Elektroden-Anordnung gestapelt. Das heißt, dass jede Membran-Elektroden-Anordnung von zwei Bipolarplatten 10 sandwichartig eingeschlossen wird. Ebenso wird jede Bipolarplatte 10 durch zwei Membran-Elektroden-Anordnungen sandwichartig eingeschlossen.In 9 is a detail according to section C off 8th shown. In this representation, it can be seen how the recesses 24b to the outside in the second plate 34 are formed so that the outer walls of the recesses 24b as elevations from the level of the second plate 34 protrude. The recesses are analogous 24a the first plate 32 educated. Thus, the staggered recesses form 24a and 24b the coolant flow area 36 in which the coolant is controlled by the shape and arrangement of the recesses 24 in a favorable hydraulic Diameter or cross section flows in the longitudinal and transverse directions. This causes the pressure drop across the manifold structure 18 is low. To form a fuel cell or a fuel cell stack, a plurality of bipolar plates 10 alternately stacked with a membrane-electrode assembly. That is, each membrane-electrode assembly of two bipolar plates 10 sandwiched. Likewise, each bipolar plate 10 sandwiched by two membrane-electrode assemblies.

Jede Membran-Elektroden-Anordnung kann eine Polymerelektrolytmembran umfassen, die sandwichartig zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode geschichtet ist. Die Polymerelektrolytmembran kann ein an sich leitfähiges Polymer sein, beispielsweise das unter der Handelsbezeichnung Nafion bekannte Polymer, oder ein Polymer, das durch Dotierung mit einem Elektrolyten seine Protonenleitfähigkeit erhält. Ein Beispiel für die letztgenannte Ausführung stellt mit Phosphorsäure dotiertes Polybenzimidazol (PBI) dar. Die Elektroden umfassen üblicherweise ein auf Partikeln geträgertes katalytisch aktives Edelmetall. Außen an die Elektroden schließt jeweils eine Diffusionsschicht an, welche ein poröses, gasdurchlässiges und elektrisch leitfähiges Medium ist. Die katalytischen Schichten der Elektroden können entweder direkt auf die Polymerelektrolytmembran aufgebracht sein oder auf die Gasdiffusionsschicht.Each membrane-electrode assembly may comprise a polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, namely an anode and a cathode. The polymer electrolyte membrane may be a per se conductive polymer, for example the polymer known under the trade name Nafion, or a polymer which obtains its proton conductivity by doping with an electrolyte. An example of the latter embodiment is phosphoric acid doped polybenzimidazole (PBI). The electrodes typically comprise a particulate supported catalytically active noble metal. Externally to the electrodes each includes a diffusion layer, which is a porous, gas-permeable and electrically conductive medium. The catalytic layers of the electrodes may either be applied directly to the polymer electrolyte membrane or to the gas diffusion layer.

Die Platte 10 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise einem Metall oder einem kohlenstoffbasierten Material oder einem Kompositmaterial aus solchen.The plate 10 is made of an electrically conductive material, for example a metal or a carbon-based material or a composite material of such.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Bipolarplattebipolar
1212
AnodenhauptgaskanalAnode main gas passage
1414
KathodenhauptgaskanalCathode main gas passage
1616
KühlmittelhauptgaskanalCoolant main gas passage
1818
Verteilerstrukturdistribution structure
2020
Flussfeldflow field
2222
Einströmbereichinflow
2424
Ausnehmungrecess
24a24a
Ausnehmung erste PlatteRecess first plate
24b24b
Ausnehmung zweite PlatteRecess second plate
2626
periodische Strukturperiodic structure
2828
Überschneidungsbereichoverlapping area
3030
Stützbereichsupport area
3232
erste Plattefirst plate
3434
zweite Plattesecond plate
3636
KühlmittelströmungsbereichCoolant flow area
3838
KühlmittelverlaufCoolant course
hH
Höhe AusnehmungHeight recess
HH
Gesamthöhetotal height
XX
HauptströmungsrichtungMain flow direction
YY
QuerströmungsrichtungCross-flow direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • DE 10163631 A1 [0007] DE 10163631 A1 [0007]

Claims (10)

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle umfassend ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten (32, 34), wobei jede der zwei Platten (32, 34) im Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen (24) aufweist, wobei Vertiefungen der Ausnehmungen (24) beider Platten (32, 34) einen Kühlmittelströmungsbereich (36) bildend voneinander wegweisend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung (X) vor und/oder nach einem Flussfeld (20) angeordneten Verteilerstruktur (18) der Bipolarplatte (10) ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender Kühlmittelströmungsbereich (36) vorgesehen ist.Bipolar plate ( 10 ) for a fuel cell comprising a structure of two plates ( 32 . 34 ), each of the two plates ( 32 . 34 ) in cross-section each have a periodic structure with recesses ( 24 ), wherein depressions of the recesses ( 24 ) of both plates ( 32 . 34 ) a coolant flow area ( 36 ) are arranged facing away from one another, characterized in that the recesses ( 24 ) exclusively in a main flow direction (X) before and / or after a flow field ( 20 ) arranged distributor structure ( 18 ) of the bipolar plate ( 10 ) are formed and that the recesses ( 24 ) of the two plates ( 32 . 34 ) partially overlap so that a longitudinal and transverse flow allowing coolant flow area (FIG. 36 ) is provided. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) verrundete Kreuz- oder Rautenstrukturen sind.Bipolar plate according to claim 1, characterized in that the recesses ( 24 ) are rounded cross or rhombic structures. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich in Randbereichen der Ausnehmungen (24) überschneiden.Bipolar plate according to claim 1 or 2, characterized in that the recesses ( 24 ) of the two plates ( 32 . 34 ) in peripheral areas of the recesses ( 24 ) overlap. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich in Eckbereichen der Ausnehmungen (24) überschneiden.Bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) of the two plates ( 32 . 34 ) in corner areas of the recesses ( 24 ) overlap. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) eine Höhe (h) zwischen der Hälfte der Höhe (H) und der gesamten Höhe (H) des Gefüges aufweisen.Bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) have a height (h) between half the height (H) and the total height (H) of the structure. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) in die Platten (32, 34) geprägt sind.Bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) in the plates ( 32 . 34 ) are coined. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) sich entlang der Hauptströmungsrichtung (X) und entlang einer Querströmungsrichtung (Y) teilweise überschneiden.Bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) partially overlap along the main flow direction (X) and along a cross flow direction (Y). Brennstoffzelle umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von Bipolarplatten (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) und die Membran-Elektroden-Anordnungen abwechselnd aufeinander gestapelt sind.Fuel cell comprising a stack of a plurality of bipolar plates ( 10 ) according to one of the preceding claims and a plurality of membrane electrode assemblies, characterized in that the bipolar plates ( 10 ) and the membrane-electrode assemblies are stacked alternately. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verteilerstruktur (18) der Bipolarplatte (10) ein anodenseitiger Strömungsbereich und ein kathodenseitiger Strömungsbereich durch Zwischenräume zwischen den Bipolarplatten (10) und den Membran-Elektroden-Anordnungen ausgebildet ist und dass eine Hauptströmungsrichtung eines Anoden- und/oder eines Kathodenbetriebsmittelstroms parallel zu der Hauptströmungsrichtung (X) des Kühlmittels verläuft.Fuel cell according to claim 8, characterized in that in a distributor structure ( 18 ) of the bipolar plate ( 10 ) an anode-side flow region and a cathode-side flow region through gaps between the bipolar plates ( 10 ) and the membrane electrode assemblies, and that a main flow direction of an anode and / or a cathode fluid flow is parallel to the main flow direction (X) of the coolant. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 oder 9.Motor vehicle with a fuel cell according to claim 8 or 9.
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