DE102015100704B3

DE102015100704B3 - Cathode plate of a bipolar element and method of operating such a cathode plate

Info

Publication number: DE102015100704B3
Application number: DE102015100704.5A
Authority: DE
Inventors: Sönke Gößling
Original assignee: Zentrum fur Brennstoffzellen Technik GmbH; Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
Current assignee: Zentrum fur Brennstoffzellen Technik GmbH; Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: CN107592945A; CN107592945B; WO2016116381A1

Abstract

Bei einer Kathodenplatte (1, 1') eines Bipolarelements, aufweisend eine erste Plattenseite (2), auf der eine Kathodenkanalstruktur (3) zur Verteilung eines Oxidationsmittels ausgebildet ist, und eine der ersten Plattenseite (2) abgewandte, zweite Plattenseite (15), auf der eine Kühlkanalstruktur (16) zur Verteilung eines Kühlmittels ausgebildet ist, soll eine Lösung geschaffen werden, durch die auf konstruktiv einfache Weise ein verbesserter sowie bauraumsparend ausgebildeter Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass wenigstens ein sich von der ersten Plattenseite (2) bis hin zur zweiten Plattenseite (15) erstreckender Durchgang (14) durch die Kathodenplatte (1, 1') hindurch ausgebildet ist, welcher die Kathodenkanalstruktur (3) und die Kühlkanalstruktur (16) strömungsverbindet.In a cathode plate (1, 1 ') of a bipolar element, comprising a first plate side (2) on which a cathode channel structure (3) for distributing an oxidizing agent is formed, and a second plate side (15) facing away from the first plate side (2), On the one cooling channel structure (16) is designed for the distribution of a coolant, a solution is to be created by the structurally simple way an improved and space-saving designed fuel cell stack is provided. This is achieved in that at least one passage (14) extending from the first plate side (2) to the second plate side (15) is formed through the cathode plate (1, 1 ') which defines the cathode channel structure (3) and the Cooling channel structure (16) fluidly connects.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenplatte eines Bipolarelements, aufweisend eine erste Plattenseite, auf der eine Kathodenkanalstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels ausgebildet ist, und eine der ersten Plattenseite abgewandte, zweite Plattenseite, auf der eine Kühlkanalstruktur zur Verteilung eines Kühlmittels ausgebildet ist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kathodenplatte einer Brennstoffzelle, wobei die Kathodenplatte eine erste Plattenseite, auf der eine Kathodenkanalstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels ausgebildet ist, und eine der ersten Plattenseite abgewandte, zweite Plattenseite, auf der eine Kühlkanalstruktur zur Verteilung eines Kühlmittels ausgebildet ist, aufweist, und wobei das Kühlmittel und das Oxidationsmittel der Kathodenplatte separat zugeführt werden. The invention relates to a cathode plate of a bipolar element, comprising a first plate side, on which a cathode channel structure for distributing an oxidizing agent is formed, and a second plate side facing away from the first plate side, on which a cooling channel structure for distributing a coolant is formed. Also, the present invention relates to a method of operating a cathode plate of a fuel cell, wherein the cathode plate has a first plate side on which a cathode channel structure for distributing an oxidizing agent is formed, and a second plate side facing away from the first plate side, on which a cooling channel structure for distributing a coolant is formed, and wherein the coolant and the oxidizing agent are supplied separately to the cathode plate.

Der prinzipielle Aufbau einer Brennstoffzelle und speziell einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz PEMFC oder auch PEM-Brennstoffzelle), wie er beispielsweise in der Druckschrift US 2008/0233443 A1 beschrieben ist, umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die wiederum aus einer Anode, einer Kathode und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die auch Ionomer-Membran genannt wird, aufgebaut ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Hierbei weist die eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) auf, wohingegen die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel (zum Beispiel mit Sauerstoff angereicherte Luft) aufweist. Die Kanäle für die Verteilung von Brennstoff und die Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel sind der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zugewandt, wobei die Kanäle jeweils eine Kanalstruktur bilden, die als ein sogenanntes Strömungsfeld oder auch Flow Field bezeichnet wird. Die Elektroden, d.h. die Anode und die Kathode, sind hierbei als Gasdiffusionselektroden (GDE) ausgebildet und weisen die Funktion auf, den bei der elektrochemischen Reaktion (zum Beispiel 2H₂ + O₂ → 2H₂O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe (Edukte und Produkte) durchdiffundieren zu lassen. The basic structure of a fuel cell and especially a polymer electrolyte membrane fuel cell (short PEMFC or PEM fuel cell), as described for example in the document US 2008/0233443 A1 comprises a membrane-electrode assembly (MEA), which in turn is composed of an anode, a cathode and arranged between the anode and cathode polymer electrolyte membrane (PEM), which is also called ionomer membrane is constructed. The membrane-electrode assembly (MEA) is in turn arranged between two separator plates. Here, one separator plate has channels for distribution of fuel (for example, hydrogen), whereas the other separator plate has channels for distribution of oxidant (for example, oxygen-enriched air). The fuel distribution channels and the oxidant distribution channels face the membrane-electrode assembly (MEA), the channels each forming a channel structure called a flow field. The electrodes, ie the anode and the cathode, are in this case designed as gas diffusion electrodes (GDE) and have the function of dissipating the current generated during the electrochemical reaction (for example 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O) and the reactants (educts and products).

Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, sind reale Brennstoffzellen meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln (Stacks) gestapelt. Hierbei werden anstelle der monopolaren Separatorplatten so genannte Bipolarelemente (bipolare Separatorplatten) eingesetzt, wohingegen monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Brennstoffzellenstapels bilden. Die monopolaren Separatorplatten werden auch Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarelementen unterscheiden. Such a fuel cell can produce high power electrical power at relatively low operating temperatures. To achieve a high power output, real fuel cells are usually stacked into so-called fuel cell stacks (stacks). In this case, so-called bipolar elements (bipolar separator plates) are used instead of the monopolar separator plates, whereas monopolar separator plates only form the two terminal terminations of the fuel cell stack. The monopolar separator plates are also called end plates and can differ structurally significantly from the bipolar elements.

Bei einem Brennstoffzellenstapel verbinden folglich die Bipolarelemente die Anode einer Brennstoffzelle mechanisch, elektrisch und thermisch mit der Kathode einer anderen Brennstoffzelle. Die Bipolarelemente können aus einer einzigen Bipolarplatte bestehen (einteilig) oder aus zwei Teilplatten zusammengesetzt sein (mehrteilig). Während bei einem einteiligen Bipolarelement die Bipolarplatte auf ihrer einen Plattenseite, die im verbauten Zustand der Kathode einer Brennstoffzelle zugewandt ist, eine Kanalstruktur für die Verteilung eines Oxidationsmittels aufweist, ist auf der anderen Plattenseite, die im verbauten Zustand der Anode einer benachbarten Brennstoffzelle zugewandt ist, eine Kanalstruktur für die Verteilung von Brennstoff ausgebildet. Demgegenüber können bei einem mehrteiligen Bipolarelement die zwei Teilplatten im Wesentlichen komplementäre und spiegelbildliche Formen aufweisen. Die beiden Teilplatten, die auch als Anodenplatte und Kathodenplatte bezeichnet werden, müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der jeweiligen Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen für die Verteilung von Brennstoff auf der Seite der Anode (Anodenplatte) und für die Verteilung von Oxidationsmittel auf der Seite der Kathode (Kathodenplatte). Thus, in a fuel cell stack, the bipolar elements mechanically, electrically and thermally connect the anode of one fuel cell to the cathode of another fuel cell. The bipolar elements may consist of a single bipolar plate (one-piece) or composed of two partial plates (multi-part). Whereas in the case of a one-part bipolar element the bipolar plate has a channel structure for the distribution of an oxidizing agent on its one side of the plate which in the installed state faces the cathode of a fuel cell, on the other side of the plate which in the installed state faces the anode of an adjacent fuel cell, formed a channel structure for the distribution of fuel. In contrast, in a multi-part bipolar element, the two partial plates may have substantially complementary and mirror-image shapes. The two sub-plates, which are also referred to as anode plate and cathode plate, but need not necessarily be mirror images. It is only important that they have at least one common contact surface to which they can be connected. The partial plates have an uneven topography. As a result, the above-mentioned channel structures for the distribution of fuel on the side of the anode (anode plate) and for the distribution of oxidizing agent on the side of the cathode (cathode plate) arise at the respectively facing away from each other surfaces of the respective sub-plates.

Neben der elektrischen Energie wird in einer Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellenstapel auch thermische Energie frei, die kontinuierlich abgeführt werden muss, damit die Brennstoffzelle bzw. die gestapelten Brennstoffzellen nicht überhitzen. Die einfachste Möglichkeit zur Kühlung bietet das Medium Luft, wobei aufgrund der niedrigen Wärmekapazität im Vergleich zu anderen Kühlmedien bzw. Kühlmitteln ein großer Volumenstrom benötigt wird, um Wärme abzuführen. Bezüglich der Kühlung mit Luft sind aus dem Stand der Technik die zwei nachstehend beschriebenen Konzepte bekannt. In addition to the electrical energy in a fuel cell or a fuel cell stack and thermal energy is released, which must be continuously dissipated, so that the fuel cell or the stacked fuel cells do not overheat. The easiest way to cool the medium is to provide air, which due to the low heat capacity compared to other cooling media or coolants, a large volume flow is required to dissipate heat. With respect to cooling with air, the two concepts described below are known from the prior art.

Bei einem ersten Konzept erfolgt die Versorgung der Brennstoffzelle bzw. der gestapelten Brennstoffzellen mit Oxidationsmittel und Kühlluft mit Hilfe derselben Kanalstruktur auf der Seite der Bipolarplatte, die der Kathode zugewandt ist. Das Kanalsystem für das Oxidationsmittel ist folglich auch gleichzeitig das Kanalsystem für die Kühlluft. Dementsprechend wird auf der Seite der Kathode die zugeführte Luft sowohl als Oxidationsmittel als auch als Kühlmittel verwendet, so dass ein separates Kühlkanalsystem bei den Bipolarplatten entbehrlich ist, wodurch der Bauraum minimiert werden kann. Man spricht bei diesem ersten Konzept, bei dem die Kühlung der Brennstoffzellen durch Einstellung eines ausreichend großen Volumenstromes des kathodenseitigen Oxidationsmittels erzielt wird, der gleichzeitig der Kühlung dient, von einer „offenen Kathode“. Aufgrund von Austrocknungseffekten sind beim Einsatz des ersten Konzeptes allerdings die Betriebstemperatur und die damit verbundene Lebensdauer stark eingeschränkt In a first concept, the supply of the fuel cell or of the stacked fuel cells with oxidizing agent and cooling air takes place with the aid of the same channel structure on the side of the bipolar plate which faces the cathode. The channel system for the oxidant is therefore also the channel system for the cooling air at the same time. Accordingly, on the side of the cathode, the supplied air is used both as an oxidant and as a coolant, thus providing a separate cooling channel system the bipolar plates can be dispensed with, whereby the space can be minimized. One speaks in this first concept, in which the cooling of the fuel cell is achieved by adjusting a sufficiently large volume flow of the cathode-side oxidant, which also serves the cooling of an "open cathode". Due to dehydration effects, however, the operating temperature and associated service life are severely limited when using the first concept

Nachteilig bei diesem Konzept ist es insbesondere, dass der Volumenstrom des Oxidationsmittels für die Kathode und der Volumenstrom der Kühlluft nicht separat geregelt werden können, was sich auf die Betriebsführung des Brennstoffzellenstapels auswirkt. Um negative Auswirkungen, wie zum Beispiel die Austrocknung aufgrund zu großer Volumenströme, zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Kühlluft und das Oxidationsmittel getrennt zu führen. Aber auch bei einer geringen Betriebstemperatur, die zum Beispiel bei einem Kaltstart der Zelle durchfahren wird, ist es notwendig, geringe Kühlvolumenströme, damit sich die Brennstoffzelle aufheizen kann, aber große Volumenströme des Oxidationsmittels, damit das bei geringen Temperaturen zahlreich anfallende flüssige Wasser abtransportiert werden kann, einzustellen. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann es dann andererseits notwendig sein die Brennstoffzelle bei besonders hohen Temperaturen zu betreiben. Die hohe Umgebungstemperatur macht eine Versorgung der Brennstoffzelle mit einer maximalen Kühlluft notwendig. Um aber eine Austrocknung der Brennstoffzelle zu verhindern, sollte das Oxidationsmittel möglichst gering zugeführt werden, um einen übermäßigen Abtransport der Produktwassers zu verhindern und so eine gute Befeuchtung der Membran zu gewährleisten. A disadvantage of this concept, in particular, that the flow rate of the oxidizing agent for the cathode and the flow rate of the cooling air can not be controlled separately, which affects the operation of the fuel cell stack. In order to avoid negative effects, such as dehydration due to high volume flows, it is expedient to keep the cooling air and the oxidant separated. But even at a low operating temperature, which is traversed for example in a cold start of the cell, it is necessary, low cooling flow rates, so that the fuel cell can heat up, but large volume flows of the oxidant, so that at low temperatures numerous accumulating liquid water can be removed to adjust. On the other hand, at high ambient temperatures, it may then be necessary to operate the fuel cell at particularly high temperatures. The high ambient temperature makes it necessary to supply the fuel cell with a maximum cooling air. However, in order to prevent dehydration of the fuel cell, the oxidizing agent should be supplied as low as possible in order to prevent excessive removal of the product water and thus to ensure good humidification of the membrane.

Dementsprechend sind Brennstoffzellenstapel bekannt, bei denen die Kathodenkanalstruktur von der Kühlkanalstruktur vollständig getrennt ist. Die unterschiedlichen und voneinander getrennten Kanalstrukturen, welche eine separate Zufuhr von Oxidationsmittel und Kühlmittel zu den verschiedenen Kanalstrukturen ermöglichen, verkörpern das zweite Konzept, welches als „geschlossene Kathode“ bezeichnet wird. Bei diesem zweiten Konzept besteht ein jeweiliges Bipolarelement aus zwei Teilplatten (eine der Anode zugewandte Anodenplatte und eine der Kathode zugewandte Kathodenplatte), bei denen die jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten komplementäre Kanalstrukturen aufweisen, durch die beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten zwischen den Teilplatten auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen eine Hohlraumstruktur entsteht. Die Hohlraumstruktur ist im Randbereich der beiden Teilplatten abgedichtet, wobei Öffnungen zur Zu- und Abführung der Kühlluft vorgesehen sind, so dass die Hohlraumstruktur eine Kühlkanalstruktur darstellt und für die Verteilung der Kühlluft genutzt werden kann. Eine der Kathode zugewandte Teilplatte entspricht der Kathodenplatte der Eingangs bezeichneten Art und wird zum Beispiel in der DE 100 15 360 B4 offenbart, aus der zusätzlich ein Verfahren der Eingangs bezeichneten Art bekannt ist. Das bekannte Konzept der „geschlossenen Kathode“ hat den Vorteil, dass die Temperierung und die Kathodenversorgung des Brennstoffzellenstapels unabhängig voneinander erfolgen können. Nachteilig ist jedoch die separate „Entsorgung“ der Kathoden-Produkte. In dem Kathoden-Produkt ist ein Großteil des Produktwassers enthalten, wobei außerhalb der Brennstoffzelle der Produktwasserstrom der Kathode so weit abgekühlt ist, dass flüssiges Wasser entsteht. In stationären und mobilen Anwendungsfällen eines solchen Brennstoffzellenstapels muss eine Lösung für die Entsorgung des flüssigen Wassers integriert werden, was insbesondere bei Außenanwendungen mit Umgebungsbedingungen unter 0°C zu aufwendigen Lösungen mit größeren Bauvolumen führt, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Accordingly, fuel cell stacks are known in which the cathode channel structure is completely separated from the cooling channel structure. The different and separate channel structures, which allow a separate supply of oxidant and coolant to the different channel structures, embody the second concept, which is referred to as "closed cathode". In this second concept, a respective bipolar element consists of two partial plates (an anode plate facing the anode and a cathode plate facing the cathode), in which the surfaces of the partial plates facing each other have complementary channel structures through which the two partial plates are placed between the partial plates facing each other surfaces a cavity structure is formed. The cavity structure is sealed in the edge region of the two partial plates, wherein openings are provided for supplying and removing the cooling air, so that the cavity structure is a cooling channel structure and can be used for the distribution of the cooling air. One of the cathode facing part plate corresponds to the cathode plate of the input designated type and is for example in the DE 100 15 360 B4 discloses, from the addition of a method of the input designated type is known. The known concept of the "closed cathode" has the advantage that the temperature control and the cathode supply of the fuel cell stack can be carried out independently of each other. However, a disadvantage is the separate "disposal" of the cathode products. In the cathode product, a large part of the product water is contained, outside of the fuel cell, the product water flow of the cathode has cooled so far that liquid water is formed. In stationary and mobile applications of such a fuel cell stack, a solution for the disposal of the liquid water must be integrated, resulting in particular in outdoor applications with ambient conditions below 0 ° C to expensive solutions with larger volumes, thereby increasing the cost.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, bei der auf konstruktiv einfache Weise ein verbesserter sowie bauraumsparend ausgebildeter Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, welcher eine Kühlung von gestapelten Brennstoffzellen ohne die vorstehend aufgeführten Nachteile ermöglicht. The invention is therefore based on the object to provide a solution in which a structurally simple way an improved and space-saving designed fuel cell stack is provided, which allows cooling of stacked fuel cells without the disadvantages listed above.

Bei einer Kathodenplatte der Eingangs bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein sich von der ersten Plattenseite bis hin zur zweiten Plattenseite erstreckender Durchgang durch die Kathodenplatte hindurch ausgebildet ist, welcher die Kathodenkanalstruktur und die Kühlkanalstruktur strömungsverbindet. In a cathode plate of the type referred to input, the object is achieved in that at least one extending from the first plate side to the second plate side passage is formed through the cathode plate, which connects the cathode channel structure and the cooling channel structure.

Ebenso wird die Aufgabe bei einem Verfahren der Eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, dass das nach der elektrochemischen Reaktion auf der ersten Plattenseite entstehende Kathoden-Produkt über wenigstens einen Durchgang, der die Kathodenkanalstruktur mit der Kühlkanalstruktur strömungsverbindet, in die Kühlkanalstruktur auf der zweiten Plattenseite geleitet wird und über die Kühlkanalstruktur zusammen mit dem Kühlmittel von der Kathodenplatte weg geführt wird. Also, the object in a method of the type described input is achieved in that the resulting after the electrochemical reaction on the first plate side cathode product is passed through at least one passage which connects the cathode channel structure with the cooling channel structure in the cooling channel structure on the second plate side and is guided away from the cathode plate via the cooling channel structure together with the coolant.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous and expedient refinements and developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Durch die Erfindung wird eine Kathodenplatte eines Bipolarelements zur Verfügung gestellt, die sich durch eine funktionsgerechte Konstruktion auszeichnet und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist. Dabei werden die beiden Konzepte auf erfinderische Weise kombiniert. Bei dieser kombinierten Medienführung werden das Oxidationsmittel (Kathoden-Edukt) und das Kühlmittel (Luft) separat den jeweiligen Kanalstrukturen einer jeweiligen Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels zugeführt. Die bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Kathoden-Produkte werden aber erfindungsgemäß noch in dem Brennstoffzellenstapel in den Strom des Kühlmittels überführt. Im Sinne der Erfindung bedeutet daher der Ausdruck „kombinierte Medienführung“, dass die Versorgung der Kathodenkanalstruktur und der Kühlkanalstruktur getrennt erfolgt, wie es bei dem Konzept der „geschlossenen Kathode“ auch der Fall ist, wobei der Abluftstrom der Produkte der Kathode und der Kühlung gemeinsam wie bei dem Konzept der „offenen Kathode“ erfolgt. In vorteilhafterweise ist durch die Überführung der Kathoden-Produkte in die Kühlkanalstruktur noch innerhalb des Brennstoffzellenstapels bei geeigneten Betriebsbedingungen ein Ausfall des Produktwassers vermeidbar. Der Taupunkt des kombinierten Gemisches aus Kathoden-Produkt und Kühlmittel (Kühlluft) kann so weit gesenkt werden, dass das Produktwasser gasförmig aus dem System bzw. dem Brennstoffzellenstapel geführt werden kann. Ferner ist vorteilhafterweise die Menge des zugeführten Oxidationsmittels unabhängig von der Menge des zugeführten Kühlmittels, so dass beide Mengen bzw. Volumenströme unabhängig voneinander regelbar sind und eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellenstapel problemlos, insbesondere auch bei niedrigen Temperaturen, schnell gestartet werden kann. Da der Volumenstrom des Oxidationsmittels für die Kathode um ein Vielfaches geringer als der Volumenstrom des Kühlmittels ist, kann dadurch bei der kombinierten Medienführung eine Filterung der Luft als Oxidationsmittel für die Kathode mit geringem Aufwand realisiert werden. Die kombinierte Medienführung weist ferner den Vorteil auf, dass infolge der getrennten Versorgung bzw. Zuführung von Oxidationsmittel und Kühlmittel, die einzelnen Medienströme einzeln und separat voneinander geregelt werden können, was insbesondere das Kaltstartverhalten eines Brennstoffzellenstapels verbessert. Ferner kann die als Oxidationsmittel verwendete Luft gezielt und aufwändig gefiltert werden, so dass der Brennstoffzellenstapel mit der erfindungsgemäßen Kathodenplatte für den Betrieb an Aufstellungs- oder Einsatzorten mit hoher Luftbelastung (zum Beispiel in Innenstädten, in Tunneln, in Wüstengebieten, in der Meeresumgebung, an Autobahnen etc.) geeignet ist. Der gemeinsame Abluftstrom der Kathode bzw. des Kathodenkanalsystems und der Lüftung bzw. des Kühlkanalsystems „verdünnt“ auf vorteilhafte Weise die feuchte Kathodenabluft mit dem Kühlmittel bzw. Kühlmittelstrom noch innerhalb des Brennstoffzellenstapels, wodurch sich deutlich die Gefahr von Kondensat-Bildung gegenüber einem System mit „geschlossener Kathode“ verringert. By the invention, a cathode plate of a bipolar element is provided, which is characterized by a functional design and has a simple and inexpensive construction. Here are the two concepts combined in an innovative way. In this combined media guide, the oxidant (cathode reactant) and the coolant (air) are separately supplied to the respective channel structures of a respective fuel cell of a fuel cell stack. The resulting cathode products in the electrochemical reaction but are transferred according to the invention still in the fuel cell stack in the flow of the coolant. For the purposes of the invention, therefore, the term "combined media management" means that the supply of the cathode channel structure and the cooling channel structure is carried out separately, as is the case with the concept of "closed cathode", wherein the exhaust air flow of the products of the cathode and the cooling in common as with the concept of the "open cathode". Advantageously, failure of the product water can be avoided by transferring the cathode products into the cooling channel structure even within the fuel cell stack under suitable operating conditions. The dew point of the combined mixture of cathode product and coolant (cooling air) can be lowered so that the product water can be passed in gaseous form from the system or the fuel cell stack. Furthermore, the amount of oxidant supplied is advantageously independent of the amount of coolant supplied, so that both quantities or volume flows can be regulated independently of each other and a fuel cell or a fuel cell stack can be started quickly, especially at low temperatures. Since the volume flow of the oxidant for the cathode is many times less than the volume flow of the coolant, filtration of the air as the oxidant for the cathode can be realized with little effort in the combined media management. The combined media guide also has the advantage that due to the separate supply or supply of oxidant and coolant, the individual media streams can be controlled individually and separately, which in particular improves the cold start behavior of a fuel cell stack. Furthermore, the air used as the oxidizing agent can be targeted and costly filtered, so that the fuel cell stack with the cathode plate according to the invention for operation in locations or locations with high air pollution (for example, in inner cities, in tunnels, in desert areas, in the marine environment, on highways etc.) is suitable. The common exhaust air flow of the cathode or of the cathode duct system and of the ventilation or of the cooling duct system advantageously "dilutes" the moist cathode exhaust air with the coolant or coolant flow within the fuel cell stack, thereby significantly reducing the risk of condensate formation compared to a system with " closed cathode "reduced.

Die Erfindung sieht in Ausgestaltung der Kathodenplatte vor, dass die Kathodenkanalstruktur auf der ersten Plattenseite zumindest ein Kanalende aufweist, das über den wenigstens einen Durchgang mit der auf der zweiten Plattenseite ausgebildeten Kühlkanalstruktur strömungsverbunden ist. Mit anderen Worten weist die Kathodenkanalstruktur wenigstens einen Kanal auf, dessen Kanalende in den Durchgang mündet, so dass am Ende des Kanals der Kathodenkanalstruktur das Kathoden-Produkt über den Durchgang dem Kühlmittelstrom zugeführt wird. Ein einzelner Durchgang kann auch das Kathoden-Produkt mehrerer Kanalenden ableiten, wobei dann zwischen dem Durchgang und den Kanalenden eine Art Sammelzone ausgebildet sein kann, welche das Kathoden-Produkt von den Kanalenden sammelt und an den einen Durchgang weiterleitet. Da der Volumenstrom des Kühlmittels trockener ist als der Volumenstrom des Kathoden-Produkts bzw. des Oxidationsmittels, erfolgt eine „Verdünnung“ des Kathoden-Produkts, wenn dieses in den Kühlmittelstrom überführt ist, wodurch die Gefahr der Kondensat-Bildung deutlich verringert ist. The invention provides, in an embodiment of the cathode plate, that the cathode channel structure has at least one channel end on the first plate side, which is flow-connected via the at least one passage to the cooling channel structure formed on the second plate side. In other words, the cathode channel structure has at least one channel whose channel end opens into the passage, so that at the end of the channel of the cathode channel structure, the cathode product is supplied via the passage to the coolant flow. A single passage may also divert the cathode product from a plurality of channel ends, and then between the passage and the channel ends may be formed a sort of collection zone which collects the cathode product from the channel ends and conducts it to the one passage. Since the volume flow of the coolant is drier than the volume flow of the cathode product or of the oxidizing agent, a "dilution" of the cathode product takes place, when it is transferred into the coolant flow, whereby the risk of condensate formation is significantly reduced.

Damit die Kathoden-Produkte erst dem erwärmten Kühlmittel zugeführt werden, da so eine Kondensation durch eine Abkühlung der Kathoden-Produkte vermieden werden kann, ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Kühlkanalstruktur einen Einlassbereich und einen stromab des Einlassbereiches ausgebildeten Auslassbereich für das Kühlmittel aufweist, wobei der wenigstens eine Durchgang, der sich von der ersten Plattenseite aus zur zweiten Plattenseite hin erstreckt, stromauf des Auslassbereiches in die Kühlkanalstruktur mündet. Dadurch wird das Kathoden-Produkt erst kurz vor Verlassen der Brennstoffzelle der Kühlkanalstruktur zugeführt. So that the cathode products are first supplied to the heated coolant, since condensation can be avoided by cooling the cathode products, it is provided in an embodiment of the invention that the cooling channel structure has an inlet region and an outlet region for the coolant formed downstream of the inlet region wherein the at least one passage extending from the first plate side to the second plate side opens into the cooling channel structure upstream of the outlet region. As a result, the cathode product is supplied to the cooling channel structure shortly before it leaves the fuel cell.

Die jeweiligen Kanalstrukturen für die Kathode und für die Kühlung werden von Vertiefungen oder Ausnehmungen auf den beiden Plattenseiten gebildet, wozu bekannte Verfahren verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Kathodenplatte gering gehalten werden können. Die auch als Kanäle bezeichneten Vertiefungen werden diskontinuierlich durch Hohlprägen, Hydroforming, Hochgeschwindigkeitsumformen, Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen, Heißpressen, Spritzgießen, Spritzprägen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt. Dementsprechend sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass die Kathodenkanalstruktur als wenigstens eine in der ersten Plattenseite ausgebildete Ausnehmung ausgebildet ist und/oder dass die Kühlkanalstruktur als wenigstens eine in der zweiten Plattenseite ausgebildete Ausnehmung ausgebildet ist. The respective channel structures for the cathode and the cooling are formed by recesses or recesses on the two sides of the plate, using known methods, whereby the manufacturing cost of a cathode plate according to the invention can be kept low. The recesses, also referred to as channels, are produced discontinuously by hollow embossing, hydroforming, high speed forming, forming, deep drawing, extrusion, hot pressing, injection molding, injection compression or the like, or continuously by rolling or drawing. Accordingly, the invention provides in a further embodiment that the cathode channel structure is formed as at least one recess formed in the first plate side and / or that the cooling channel structure is formed as at least one formed in the second plate side recess.

Um das Kathoden-Produkt gezielt in die Kühlkanalstruktur zu überführen, ist in Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kathodenplatte vorgesehen, dass einer jeweiligen Ausnehmung in der Kathodenkanalstruktur ein Durchgang zugeordnet ist, über den die jeweilige Ausnehmung mit der Kühlkanalstruktur strömungsverbunden ist. In order to convert the cathode product specifically into the cooling channel structure, it is provided in an embodiment of the cathode plate according to the invention that a passage is assigned to a respective recess in the cathode channel structure via which the respective recess is flow-connected to the cooling channel structure.

Als Alternative dazu, dass jeweils eine Ausnehmung über einen Durchgang mit der Kühlkanalstruktur in Strömungsverbindung steht, sieht die Erfindung vor, dass die Kathodenkanalstruktur mehrere Ausnehmungen umfasst und wenigstens zwei Ausnehmungen der Kathodenkanalstruktur einem Durchgang zugeordnet sind, über welchen die jeweilige Ausnehmung mit der Kühlkanalstruktur strömungsverbunden ist. As an alternative to the fact that in each case a recess is in flow communication with the cooling channel structure via a passage, the invention provides that the cathode channel structure comprises a plurality of recesses and at least two recesses of the cathode channel structure are associated with a passage through which the respective recess is fluidly connected to the cooling channel structure ,

In weiterer Ausgestaltung der Kathodenplatte sieht die Erfindung vor, dass das Verhältnis von in der Kathodenkanalstruktur ausgebildeten Ausnehmungen zu der Anzahl von die Kathodenkanalstruktur mit der Kühlkanalstruktur strömungsverbindenden Durchgängen wenigstens eins und höchstens sechs beträgt. Folglich können sechs Kanäle der Kathodenkanalstruktur einem einzigen Durchgang zugeordnet sein, um das Kathoden-Produkt in den Strom des Kühlmittels zu überführen. In a further embodiment of the cathode plate, the invention provides that the ratio of recesses formed in the cathode channel structure to the number of passageways connecting the cathode channel structure with the cooling channel structure is at least one and at most six. Thus, six channels of the cathode channel structure may be associated with a single passage to transfer the cathode product into the flow of the coolant.

In alternativer Ausgestaltung der Kathodenplatte sieht die Erfindung vor, dass alle ausgebildeten Ausnehmungen in der Kathodenkanalstruktur durch einen Durchgang mit der Kühlkanalstruktur strömungsverbindenden sind. Folglich können alle Kanäle der Kathodenkanalstruktur einem einzigen Durchgang zugeordnet sein, um das Kathoden-Produkt in den Strom des Kühlmittels zu überführen. In an alternative embodiment of the cathode plate, the invention provides that all recesses formed in the cathode channel structure are fluid-connecting through a passage with the cooling channel structure. Thus, all channels of the cathode channel structure may be associated with a single passage to transfer the cathode product into the flow of coolant.

Das Strömungsfeld bzw. Flow Field, also der Kontaktbereich zwischen der Kathodenplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), weist eine strukturierte Geometrie auf, welche das Oxidationsmittel möglichst an jede Stelle und gleichmäßig an die Membran bringt. Die Gestaltung des Flow Fields bzw. des Strömungsfeldes hat auch zum Ziel, Druckverluste und Strömungsgeschwindigkeiten in einen für die jeweilige Anwendung idealen Bereich zu bringen, so dass Produktwasser stabil ausgetragen wird, der Druckverlust aber für die technischen Lösungen der Kathodenversorgung umsetzbar ist. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass die Kathodenkanalstruktur mit auf der ersten Plattenseite mäanderförmig angeordneten Kanälen oder mit auf der ersten Plattenseite parallel zueinander verlaufenden Kanälen ausgebildet ist. Denkbar ist in alternativer Abwandlung jedoch auch, dass die Kanäle der Kathodenkanalstruktur L-förmig, U-förmig oder parallel, geradlinig verlaufend ausgebildet sind. The flow field or flow field, that is to say the contact area between the cathode plate and the membrane-electrode assembly (MEA), has a structured geometry which brings the oxidizing agent as close as possible to each point and uniformly to the membrane. The design of the flow field or the flow field also has the goal of bringing pressure losses and flow velocities into an ideal range for the respective application, so that product water is stably discharged, but the pressure loss can be implemented for the technical solutions of the cathode supply. For this purpose, the invention provides in an embodiment in that the cathode channel structure is formed with channels meandering on the first plate side or with channels running parallel to one another on the first plate side. It is also conceivable in an alternative modification, however, that the channels of the cathode channel structure L-shaped, U-shaped or parallel, are formed to extend straight.

Schließlich ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Kathodenplatte aus elektrisch leitfähigen Werkstoffen wie Metallen, elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder Compounds besteht. Insbesondere polymergebundene, hochgefüllte Compound-Materialien auf Graphitbasis haben sich als alternative Werkstoffe mit einem hohen Potential zur kostengünstigen Fertigung von monopolaren sowie bipolaren Separatorplatten etabliert. Während Metallfolien mit modernsten Prägeverfahren, wie zum Beispiel dem Hydroforming, großserientauglich zu strukturierten bipolaren Teilplatten oder einteiligen Bipolar-Platten verarbeitet werden können, bieten polymergebundene Compounds die Möglichkeit, die Massenproduktionstechnologien der Kunststofftechnik, wie zum Beispiel Heißpressen, Spritzgießen oder Spritzprägen, zur Herstellung von Anoden- und Kathoden sowie einteiligen Bipolar-Platten anzuwenden. Finally, it is provided in an embodiment of the invention that the cathode plate consists of electrically conductive materials such as metals, electrically conductive plastics or compounds. In particular, polymer-bound, highly filled compound materials based on graphite have established themselves as alternative materials with a high potential for the cost-effective production of monopolar and bipolar separator plates. While metal foils can be processed into structured bipolar sub-plates or one-piece bipolar plates using state-of-the-art embossing techniques, such as hydroforming, polymer-bound compounds offer the possibility of mass production technologies in plastics technology, such as hot pressing, injection molding or injection compression, for the production of anodes - And cathodes and one-piece bipolar plates apply.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention. The scope of the invention is defined only by the claims.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhafte bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt: Further details, features and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the drawings in which exemplary preferred embodiments of the invention are shown. In the drawing shows:

1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erste Plattenseite mit Kathodenkanalstruktur einer erfindungsgemäßen Kathodenplatte, 1 1 is a perspective top view of a first plate side with a cathode channel structure of a cathode plate according to the invention,

2a eine Detailansicht des Zuströmbereiches der in 1 gezeigten Kathodenkanalstruktur, 2a a detailed view of the inflow area of in 1 shown cathode channel structure,

2b eine Detailansicht des Abströmbereiches der in 1 gezeigten Kathodenkanalstruktur, der gemäß der Erfindung die Kathodenkanalstruktur mit der Kühlkanalstruktur verbindet, 2 B a detailed view of the outflow area of in 1 shown cathode channel structure which connects the cathode channel structure with the cooling channel structure according to the invention

3 eine perspektivische Draufsicht auf eine zweite Plattenseite mit Kühlkanalstruktur der in 1 gezeigten Kathodenplatte, 3 a perspective top view of a second plate side with cooling channel structure of 1 shown cathode plate,

4a eine Detailansicht eines Längsendes der in 3 gezeigten Kühlkanalstruktur, 4a a detail view of a longitudinal end of in 3 shown cooling channel structure,

4b eine Detailansicht des anderen Längsendes der in 3 gezeigten Kühlkanalstruktur, 4b a detail view of the other longitudinal end of in 3 shown cooling channel structure,

5 eine vergrößerte Schnittansicht einer Zuführleitung von Oxidationsmittel zu der Kathodenkanalstruktur in perspektivischer Darstellung, 5 an enlarged sectional view of a supply line of oxidant to the cathode channel structure in perspective view,

6 eine vergrößerte Schnittansicht auf in der Kathodenplatte ausgebildete Durchgänge, welche gemäß der Erfindung die Kathodenkanalstruktur mit der Kühlkanalstruktur verbinden, 6 an enlarged sectional view formed in the cathode plate passages connecting the cathode channel structure with the cooling channel structure according to the invention,

7 eine Kathodenplatte mit einer alternativ ausgebildeten Kathodenkanalstruktur in Draufsicht auf die erste Plattenseite und 7 a cathode plate with an alternatively formed cathode channel structure in plan view of the first plate side and

8 eine seitliche Schnittansicht auf die in 7 gezeigte Kathodenplatte. 8th a side sectional view of the in 7 shown cathode plate.

Die 1 bis 6 zeigen verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Kathodenplatte 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, wohingegen in den 7 und 8 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathodenplatte 1' dargestellt ist. The 1 to 6 show different views of a cathode plate according to the invention 1 according to a first embodiment, whereas in the 7 and 8th A second embodiment of a cathode plate according to the invention 1' is shown.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist und einleitend bereits beschrieben wurde, entspricht die Kathodenplatte 1, 1' einer Teilplatte, die zusammen mit einer in den Figuren nicht näher gezeigten Anodenplatte ein Bipolarelement für einen luftgekühlten Brennstoffzellenstapel bildet. Dabei weist ein solcher Brennstoffzellenstapel mehrere solcher Bipolarelemente auf, zwischen denen eine jeweilige Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) angeordnet ist und welche die einzelnen Brennstoffzellen begrenzen. As is known from the prior art and has already been described in the introduction, the cathode plate corresponds 1 . 1' a sub-plate, which forms a bipolar element for an air-cooled fuel cell stack together with an anode plate not shown in detail in the figures. In this case, such a fuel cell stack has a plurality of such bipolar elements, between which a respective membrane electrode assembly (MEA) is arranged and which limit the individual fuel cells.

Mit Bezug auf die in den 1 bis 6 gezeigte, erste Ausführungsform der Kathodenplatte 1 ist in der Draufsicht der 1 eine erste Plattenseite 2 der Kathodenplatte 1 dargestellt. Auf dieser ersten Plattenseite 2 der Kathodenplatte 1 ist eine Kathodenkanalstruktur 3 ausgebildet, die dazu dient, ein Oxidationsmittel über die erste Plattenseite 2 zu verteilen. Das Oxidationsmittel wird über ein Gasführungsloch 4 zu der Kathodenplatte 1 geleitet und gelangt von dem Gasführungsloch 4 über ein zwischen der Kathodenkanalstruktur 3 und dem Gasführungsloch 4 ausgebildetes Leitungssystem 5 (siehe zum Beispiel 5) zu der Kathodenkanalstruktur 3. Das in 5 gezeigte Leitungssystem 5 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Ausnehmungen 6 auf, die das Oxidationsmittel zu der Kathodenkanalstruktur 3 leiten. Die Ausnehmungen 6 werden von Stegen 30 (siehe zum Beispiel 3 und 4a) gebildet und leiten das Oxidationsmittel zu einer Durchlassöffnung 7, durch die das Oxidationsmittel letztlich in die Kathodenkanalstruktur 3 gelangt. Wie zum Beispiel aus 2b hervorgeht, weist die Kathodenkanalstruktur 3 mehrere Ausnehmungen 8 (insgesamt sind es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Ausnehmungen) auf, die in der ersten Plattenseite 2, die im verbauten Zustand der Kathode zugewandt ist, ausgeformt sind. Die Ausnehmungen 8 stellen einzelne Kanäle 9 dar, die von dem Oxidationsmittel von den Durchlassöffnungen 7 aus durchströmt werden. Selbstverständlich kann die Kathodenkanalstruktur 3 auch alternativ von entsprechenden Erhebungen, die auf der Plattenseite 2 aufzubringen wären, statt von Ausnehmungen gebildet sein. Mit Bezug auf das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel sind die Durchlassöffnungen 7 an einem ersten Längsende 10 der Kathodenplatte 1 ausgebildet, wobei das Gasführungsloch 4 zwischen dem ersten Längsende 10 und den Durchlassöffnungen 7 angeordnet ist. Von dem ersten Längsende 10 verlaufen die Ausnehmungen 8 bzw. Kanäle 9 mäanderförmig und parallel zueinander in Richtung des zweiten Längsendes 11 der Kathodenplatte 1. Der Strömungsverlauf des auf der ersten Plattenseite 2 zugeführten Oxidationsmittels, der entsprechend der Kathodenkanalstruktur 3 ebenfalls mäanderförmig verläuft, ist in der 1 anhand des Pfeils P dargestellt. Die Kanalenden 12 der auf der ersten Plattenseite 2 ausgebildeten Ausnehmungen 8 bzw. Kanäle 9 des Kathodenkanalsystems 3 sind mit wenigstens einem Durchgang 14 strömungsverbunden, so dass das Oxidationsmittel bzw. das nach der elektrochemischen Reaktion an einem jeweiligen Kanalende 12 vorliegende Kathoden-Produkt über einen entsprechenden Durchgang 14 von dem Kathodenkanalsystem 3 abgeführt werden kann. Wie aus 2b, die eine vergrößerte Detailansicht 1 darstellt, ersichtlich ist, sind beispielsweise mehrere Ausnehmungen 8 bzw. Kanäle 9 einem Durchgang 14 zugewiesen, wobei die jeweiligen Kanalenden 12 in einer Art Sammelzone münden und sich dort das abzuleitende Kathoden-Produkt sammelt. With reference to the in the 1 to 6 shown, the first embodiment of the cathode plate 1 is in the plan view of 1 a first plate side 2 the cathode plate 1 shown. On this first record page 2 the cathode plate 1 is a cathode channel structure 3 formed, which serves, an oxidizing agent on the first side of the plate 2 to distribute. The oxidant is via a gas guide hole 4 to the cathode plate 1 passed and passes from the gas guide hole 4 via a between the cathode channel structure 3 and the gas guide hole 4 trained management system 5 (see for example 5 ) to the cathode channel structure 3 , This in 5 shown piping system 5 has in the illustrated embodiment, a plurality of recesses 6 containing the oxidizing agent to the cathode channel structure 3 conduct. The recesses 6 become of Stegen 30 (see for example 3 and 4a ) and direct the oxidant to a port 7 through which the oxidant ultimately enters the cathode channel structure 3 arrives. Like, for example 2 B shows, the cathode channel structure 3 several recesses 8th (Overall, there are six recesses in the illustrated embodiment), which in the first plate side 2 , which in the installed state faces the cathode, are formed. The recesses 8th make individual channels 9 that of the oxidant from the ports 7 be flowed through. Of course, the cathode channel structure 3 Alternatively, by appropriate surveys, on the plate side 2 be formed instead of recesses be formed. With reference to the embodiment shown in the figures, the passage openings 7 at a first longitudinal end 10 the cathode plate 1 formed, wherein the gas guide hole 4 between the first longitudinal end 10 and the passage openings 7 is arranged. From the first longitudinal end 10 the recesses run 8th or channels 9 meandering and parallel to each other in the direction of the second longitudinal end 11 the cathode plate 1 , The flow of the on the first side of the plate 2 supplied oxidant corresponding to the cathode channel structure 3 also meandering, is in the 1 shown by the arrow P. The channel ends 12 the one on the first plate side 2 trained recesses 8th or channels 9 of the cathode channel system 3 are with at least one passage 14 fluidly connected, so that the oxidizing agent or after the electrochemical reaction at a respective channel end 12 present cathode product through a corresponding passage 14 from the cathode channel system 3 can be dissipated. How out 2 B , which is an enlarged detail view 1 can be seen, for example, a plurality of recesses 8th or channels 9 a passage 14 assigned, with the respective channel ends 12 open in a kind of collection zone and there accumulates the derived cathode product.

Ein jeweiliger Durchgang 14 der Kathodenplatte 1 erstreckt sich von der ersten Plattenseite 2 bis hin zu einer zweiten Plattenseite 15 (siehe zum Beispiel 3 oder 4b), die der ersten Plattenseite 2 abgewandt ist. Auf der zweiten Plattenseite 15 ist eine Kühlkanalstruktur 16 zur Verteilung eines Kühlmittels ausgebildet, um die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels kühlen zu können. Folglich sind die Kanalenden 12 der auf der ersten Plattenseite 2 ausgebildeten Ausnehmungen 8 bzw. Kanäle 9 mit der Kühlkanalstruktur 16 auf der zweiten Plattenseite 15 strömungsverbunden, so dass das Kathoden-Produkt über die Durchgänge 14 in die Kühlkanalstruktur 16 geleitet wird und dort zusammen mit dem Kühlmittel von der Brennstoffzelle bzw. der Kathodenplatte 1 weg geleitet wird. A respective passage 14 the cathode plate 1 extends from the first side of the plate 2 up to a second side of the plate 15 (see for example 3 or 4b ), the first plate side 2 turned away. On the second plate side 15 is a cooling channel structure 16 designed to distribute a coolant to cool the fuel cell of the fuel cell stack can. Consequently, the channel ends 12 the one on the first plate side 2 trained recesses 8th or channels 9 with the cooling channel structure 16 on the second plate side 15 fluidly connected, allowing the cathode product through the passages 14 in the cooling channel structure 16 is passed and there together with the coolant from the fuel cell or the cathode plate 1 is routed away.

Die Kühlmittelkanalstruktur 16 ist mit geradlinig verlaufenden Ausnehmungen 17 ausgebildet, die in der zweiten Plattenseite 15 ausgeformt sind (siehe 3, 4a und 4b). Folglich verläuft die Strömung des Kühlmittels geradlinig über die zweite Plattenseite 15, wie in 3 anhand des Pfeiles K (siehe auch 1) dargestellt ist. Auf diese Weise kreuzt der Strom des Kühlmittels auf der zweiten Plattenseite 15 im Wesentlichen den Strom des Oxidationsmittels auf der ersten Plattenseite 2, der im Wesentlichen von dem ersten Längsende 10 bis hin zum zweiten Längsende 11 der ersten Plattenseite 2 strömt, wie zum Beispiel aus 1 ersichtlich ist. Es könnte natürlich für die Kühlmittelkanalstruktur 16 auch eine einzige Ausnehmung als ausreichend erscheinen, jedoch bewirkt die Vielzahl von Ausnehmungen 17 eine gleichmäßigere Verteilung des Kühlmittels über die zweite Plattenseite 15 und damit eine gleichmäßige Kühlung. The coolant channel structure 16 is with rectilinear recesses 17 formed in the second plate side 15 are formed (see 3 . 4a and 4b ). Consequently, the flow of the coolant is straight across the second plate side 15 , as in 3 using the arrow K (see also 1 ) is shown. In this way, the flow of coolant crosses on the second side of the plate 15 essentially the flow of the oxidizing agent on the first side of the plate 2 which is essentially from the first longitudinal end 10 to the second longitudinal end 11 the first plate side 2 flows out, like for example 1 is apparent. It could of course be for the coolant channel structure 16 Even a single recess appear to be sufficient, but causes the plurality of recesses 17 a more even distribution of the coolant over the second plate side 15 and thus a uniform cooling.

Mit Bezug auf 3 weist die Kühlkanalstruktur 16 der Kathodenplatte 1 für das Kühlmittel einen Einlassbereich 18 auf, der entlang einer ersten Längsseite 19 der Kathodenplatte 1 ausgebildet ist, und einen stromab des Einlassbereiches 18 ausgebildeten Auslassbereich 20, der auf einer der ersten Längsseite 19 gegenüberliegenden, zweiten Längsseite 21 ausgebildet ist. Am Auslassbereich 20 wird das Kathoden-Produkt dem Kühlmittel zugeführt, so dass sie gemeinsam am Auslassbereich 20 von der Kathodenplatte 1 weggeleitet werden. Die Durchgänge 14, die sich von der ersten Plattenseite 2 aus zur zweiten Plattenseite 15 hin erstrecken, münden folglich stromauf des Auslassbereiches 20 in die Kühlkanalstruktur 16, so dass das bei der elektrochemischen Reaktion auf der Kathodenseite entstehende Kathoden-Produkt in das Kühlmittel gelangt und zusammen mit dem Kühlmittel durch die Kühlkanalstruktur 16 von der Kathodenplatte 1 weg geleitet wird, was durch die Pfeile K + P in den 1 und 3 gezeigt ist. Wie beispielsweise aus 2b oder auch 6 hervorgeht, ist wenigstens eine Ausnehmung 8 der Kathodenkanalstruktur 3 einem Durchgang 14 zugeordnet. Wie vorstehend bereits ausgeführt, ist eine jeweilige Ausnehmung 8 der Kathodenkanalstruktur 3 über einen zugeordneten Durchgang 14 mit der Kühlkanalstruktur 16 strömungsverbunden. Regarding 3 has the cooling channel structure 16 the cathode plate 1 for the coolant an inlet area 18 on that along a first longitudinal side 19 the cathode plate 1 is formed, and one downstream of the inlet region 18 trained outlet area 20 on one of the first long sides 19 opposite, second longitudinal side 21 is trained. At the outlet area 20 The cathode product is supplied to the coolant so that they are together at the outlet 20 from the cathode plate 1 be routed away. The passages 14 extending from the first plate side 2 out to the second plate side 15 thus extend upstream of the outlet 20 in the cooling channel structure 16 such that the cathode product resulting from the electrochemical reaction on the cathode side enters the coolant and, together with the coolant, passes through the cooling channel structure 16 from the cathode plate 1 is guided away, which is indicated by the arrows K + P in the 1 and 3 is shown. Like, for example 2 B or 6 shows, is at least one recess 8th the cathode channel structure 3 a passage 14 assigned. As already stated above, a respective recess 8th the cathode channel structure 3 via an assigned passage 14 with the cooling channel structure 16 flow-connected.

In den 7 und 8 ist eine Kathodenplatte 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der erfindungsgemäße Gedanke, dass wenigstens ein sich von der ersten Plattenseite 2 bis hin zur zweiten Plattenseite 15 erstreckender Durchgang 14 durch die Kathodenplatte hindurch ausgebildet ist, welcher die Kathodenkanalstruktur 3 und die Kühlkanalstruktur 16 strömungsverbindet, ist auch bei der zweiten Ausführungsform realisiert. Folglich wird auch bei dieser Ausführungsform das bei der elektrochemischen Reaktion erzeugte Kathoden-Produkt aus der Kathodenkanalstruktur 3 in die Kühlkanalstruktur 16 geleitet, so dass das Kathoden-Produkt zusammen mit dem Kühlmittel von der Kathodenplatte 1' abgeführt wird. Bei der zweiten Ausführungsform ist wiederum die Kathodenkanalstruktur 3 mit auf der ersten Plattenseite 2 parallel zueinander verlaufenden Kanälen 9' ausgebildet. Allerdings ist im Unterschied zur ersten Ausführungsform bei der zweiten Ausführungsform gemäß der 7 und 8 einem jeweiligen Kanal 9' in der Kathodenkanalstruktur 3 genau ein Durchgang 14 zugeordnet, über den der jeweilige Kanal 9' der ersten Plattenseite 2 mit einer entsprechenden Ausnehmung 17 der Kühlkanalstruktur 16 auf der zweiten Plattenseite 15 strömungsverbunden ist. In the 7 and 8th is a cathode plate 1' represented according to a second embodiment of the invention. The idea according to the invention that at least one of the first plate side 2 up to the second side of the plate 15 extending passage 14 is formed through the cathode plate, which is the cathode channel structure 3 and the cooling channel structure 16 Strömungsverbindet is also realized in the second embodiment. Thus, also in this embodiment, the cathode product produced in the electrochemical reaction becomes the cathode channel structure 3 in the cooling channel structure 16 directed so that the cathode product together with the coolant from the cathode plate 1' is dissipated. In the second embodiment, again, the cathode channel structure 3 with on the first plate side 2 parallel to each other channels 9 ' educated. However, in contrast to the first embodiment in the second embodiment according to the 7 and 8th a respective channel 9 ' in the cathode channel structure 3 exactly one passage 14 assigned over which the respective channel 9 ' the first plate side 2 with a corresponding recess 17 the cooling channel structure 16 on the second plate side 15 fluidly connected.

Mit Bezug auf beide Ausführungsformen sollte ein Verhältnis von in der Kathodenkanalstruktur 3 ausgebildeten Ausnehmungen 8 zu der Anzahl von die Kathodenkanalstruktur 3 mit der Kühlkanalstruktur 16 strömungsverbindenden Durchgängen 14 wenigstens eins und höchstens sechs betragen. Letztlich ist die Obergrenze von sechs jedoch nicht feststehend, weil es für ein reales Verhältnis vielmehr auf den resultierenden Grad der Verdünnung des Kathoden-Produktes in dem abströmenden Kühlmittelstrom für einen bestimmten Betriebspunkt ankommt. With respect to both embodiments, a ratio of in the cathode channel structure should be 3 trained recesses 8th to the number of the cathode channel structure 3 with the cooling channel structure 16 flow-connecting passages 14 at least one and at most six. Ultimately, however, the upper limit of six is not fixed because, for a real ratio, what matters is the resulting degree of dilution of the cathode product in the effluent coolant stream for a particular operating point.

Die vorstehend im Detail beschriebene Kathodenplatte 1, 1' wird in einem Brennstoffzellenstapel eingesetzt, woraus sich ein Verfahren zum Betreiben der Kathodenplatte 1, 1' ergibt, bei dem das Kühlmittel und das Oxidationsmittel der Kathodenplatte 1, 1' separat zugeführt werden. Dabei wird das nach der elektrochemischen Reaktion auf der ersten Plattenseite 2 entstehende Kathoden-Produkt über Durchgänge 14, die die Kathodenkanalstruktur 3 mit der Kühlkanalstruktur 16 strömungsverbinden, in die Kühlkanalstruktur 16 auf der zweiten Plattenseite 15 geleitet. Danach wird das Kathoden-Produkt über die Kühlkanalstruktur 16 zusammen mit dem Kühlmittel von der Kathodenplatte 1, 1' weg geleitet bzw. abgeführt. The cathode plate described in detail above 1 . 1' is used in a fuel cell stack, resulting in a method of operating the cathode plate 1 . 1' results, wherein the coolant and the oxidizing agent of the cathode plate 1 . 1' be fed separately. This is the after the electrochemical reaction on the first side of the plate 2 resulting cathode product via passageways 14 showing the cathode channel structure 3 with the cooling channel structure 16 fluid communication, in the cooling channel structure 16 on the second plate side 15 directed. Thereafter, the cathode product is passed over the cooling channel structure 16 along with the coolant from the cathode plate 1 . 1' directed away or dissipated.

Zusammenfassend ist vorstehend die konstruktive Gestaltung einer erfindungsgemäßen Kathodenplatte 1, 1' beschrieben, die bei einer luftgekühlten Brennstoffzelle eingesetzt wird und bei der die Kathoden-Produkte in den Luftstrom der Kühlung überführt werden, so dass das Kathoden-Produkt und der Kühlluftstrom gemeinsam von der Kathodenplatte 1, 1' fort geleitet werden. Bei der Erfindung werden die Kathoden-Edukte und der Luftstrom der Kühlung separat der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Die Kathoden-Produkte werden aber noch in dem Brennstoffzellenstapel in den Volumenstrom der Luftkühlung überführt, weshalb die Erfindung auch als kombinierte Medienführung bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass die Versorgung der Kathode und der Lüftung getrennt erfolgen, wie bei dem Konzept der „geschlossenen Kathode“, wobei der Abluftstrom der Kathode und der Lüftung gemeinsam erfolgt, wie bei dem Konzept der „offenen Kathode“. In 7 ist eine Ausführung dargestellt, bei der jeder Kanal des Flowfields eine separate Überführung in den Luftstrom der Kühlung hat. Die Erfindung umfasst aber sämtliche Überführungen der Kathoden-Produkte in den Luftstrom der Kühlung innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst die Erfindung auch Ausführungen, bei denen es einen oder mehrere Sammelkanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels gibt, bei denen die Kathoden-Produkte in den Luftstrom der Kühlung überführt werden. Durch die Überführung der Produkte noch innerhalb des Brennstoffzellenstapels ist bei geeigneten Betriebsbedingungen ein Ausfall des Produktwassers vermeidbar. Der Taupunkt des kombinierten Volumenstromes kann so weit gesenkt werden, dass das Produktwasser gasförmig aus dem System geführt werden kann. Somit ist die Kathode unabhängig von der Luftkühlung regelbar und der Stack kann problemlos, besonders auch bei niedrigen Temperaturen, schnell gestartet werden. Der Volumenstrom der Kathodenversorgung ist um ein Vielfaches geringer als der Volumenstrom der Luftkühlung. Dadurch kann bei der kombinierten Medienführung eine Filterung der Kathodenluft mit überschaubarem Aufwand realisiert werden. Die Vorteile der kombinierten Medienführung sind eine getrennte Versorgung der Kathode und Lüftung, so dass die Medienströme einzeln geregelt werden können, was das Kaltstartverhalten des Brennstoffzellenstapels verbessert. Ferner kann die Luftversorgung der Kathode gezielt gefiltert werden, so dass sich der Brennstoffzellenstapel mit der erfindungsgemäßen Kathodenplatte für den Betrieb an Aufstellungsorten mit hoher Luftbelastung eignet. Durch den gemeinsamen Abluftstrom der Kathode und Lüftung wird die feuchte Kathodenabluft mit dem Lüfterstrom noch im Stack „verdünnt“, was die Gefahr der Kondensatbildung gegenüber einem geschlossenen System deutlich verringert. In summary, above is the structural design of a cathode plate according to the invention 1 . 1' described, which is used in an air-cooled fuel cell and in which the cathode products are transferred into the air flow of the cooling, so that the cathode product and the cooling air flow together from the cathode plate 1 . 1' be routed away. In the invention, the cathode reactants and the air flow of the cooling are fed separately to the fuel cell or the fuel cell stack. The cathode products are still transferred in the fuel cell stack in the volume flow of the air cooling, which is why the invention is also referred to as a combined media guide. This means that the supply of the cathode and the ventilation take place separately, as with the concept of the "closed cathode", whereby the exhaust air flow of the cathode and the ventilation take place together, as with the concept of the "open cathode". In 7 an embodiment is shown in which each channel of the flowfield has a separate transfer into the airflow of the cooling. However, the invention encompasses all transfers of the cathode products into the air flow of the cooling within the fuel cell stack. Furthermore, the invention also includes embodiments in which there are one or more collection channels within the fuel cell stack, in which the cathode products are transferred into the air flow of the cooling. By transferring the products still within the fuel cell stack a failure of the product water can be avoided under suitable operating conditions. The dew point of the combined volume flow can be lowered so that the product water can be led out of the system in gaseous form. Thus, the cathode is independent of the air cooling regulated and the stack can be started easily, especially at low temperatures, quickly. The volume flow of the cathode supply is many times lower than the volume flow of air cooling. As a result, filtering of the cathode air can be realized with manageable effort in the combined media management. The advantages of the combined media guide are a separate supply to the cathode and ventilation, so that the media streams can be controlled individually, which improves the cold start behavior of the fuel cell stack. Furthermore, the air supply to the cathode can be selectively filtered, so that the fuel cell stack with the cathode plate according to the invention is suitable for operation at sites with high air pollution. Due to the common exhaust air flow of the cathode and ventilation, the moist cathode exhaust air is still "diluted" with the fan flow in the stack, which significantly reduces the risk of condensate formation compared to a closed system.

Soweit vorstehend bei den verschiedenen Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, betreffen diese jeweils identische oder gleiche Elemente oder Bauteile, so dass die einmalige Beschreibung der Elemente oder Bauteile einer Ausführungsform auch für die übrigen Ausführungsformen gilt. Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insofar as the same reference numerals are used above in the various embodiments, these relate in each case identical or identical elements or components, so that the unique description of the elements or components of an embodiment also applies to the other embodiments. Corresponding components are provided in all figures with the same reference numerals.

Die vorstehend beschriebene Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Es ist ersichtlich, dass an den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Es gehört dabei zur Erfindung alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und/oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abweichend von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt. Of course, the invention described above is not limited to the described and illustrated embodiments. It will be appreciated that numerous modifications which are obvious to a person skilled in the art according to the intended application can be made to the embodiments shown in the drawing without departing from the scope of the invention. It belongs to the invention, all that which is contained in the description and / or shown in the drawing, including what, in deviation from the concrete embodiments obvious to those skilled.

Claims

Cathode plate ( 1 . 1' ) of a bipolar element, comprising a first plate side ( 2 ), on which a cathode channel structure ( 3 ) is formed for the distribution of an oxidizing agent, and one of the first plate side ( 2 ) facing away, second plate side ( 15 ), on which a cooling channel structure ( 16 ) is formed for distributing a coolant, characterized in that at least one of the first plate side ( 2 ) to the second side of the plate ( 15 ) extending passageway ( 14 ) through the cathode plate ( 1 . 1' ) is formed through which the cathode channel structure ( 3 ) and the cooling channel structure ( 16 ) fluidly connected.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to claim 1, characterized in that the cathode channel structure ( 3 ) on the first plate side ( 2 ) at least one channel end ( 12 ), which over the at least one passage ( 14 ) with the on the second plate side ( 15 ) formed cooling channel structure ( 16 ) is fluidly connected.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling channel structure ( 16 ) an inlet area ( 18 ) and one downstream of the inlet area ( 18 ) outlet area ( 20 ) for the coolant, wherein the at least one passage ( 14 ) extending from the first page ( 2 ) to the second plate side ( 15 ) extends upstream of the outlet area ( 20 ) in the cooling channel structure ( 16 ) opens.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode channel structure ( 3 ) as at least one in the first plate side ( 2 ) formed recess ( 8th ) is formed and / or that the cooling channel structure ( 16 ) as at least one in the second plate side ( 15 ) formed recess ( 17 ) is trained.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to claim 4, characterized in that a respective recess ( 8th ) in the cathode channel structure ( 3 ) a passage ( 14 ) is assigned, via which the respective recess ( 8th ) with the cooling channel structure ( 16 ) is fluidly connected.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to claim 4, characterized in that the cathode channel structure ( 3 ) several recesses ( 8th ) and at least two recesses ( 8th ) of the cathode channel structure ( 3 ) a passage ( 14 ) are assigned, via which the respective recess ( 8th ) with the cooling channel structure ( 16 ) is fluidly connected.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to claim 4, characterized in that the ratio of in the cathode channel structure ( 3 ) formed recesses ( 8th ) to the number of the cathode channel structure ( 3 ) with the cooling channel structure ( 16 ) flow-connecting passages ( 14 ) is at least one and at most six.

Cathode plate ( 1 . 1' ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode channel structure ( 3 ) with on the first plate side ( 2 ) meandering channels ( 9 ) or on the first page ( 2 ) parallel channels ( 9 ' ) is trained.

Method for operating a cathode plate ( 1 . 1' ) of a fuel cell, wherein the cathode plate ( 1 . 1' ) a first plate side ( 2 ), on which a cathode channel structure ( 3 ) is formed for the distribution of an oxidizing agent, and one of the first plate side ( 2 ) facing away, second plate side ( 15 ), on which a cooling channel structure ( 16 ) is designed for distributing a coolant, and wherein the coolant and the oxidizing agent of the cathode plate ( 1 . 1' ) are supplied separately, characterized in that after the electrochemical reaction on the first side of the plate ( 2 ) resulting cathode product through at least one passage ( 14 ), the cathode channel structure ( 3 ) with the cooling channel structure ( 16 ) into the cooling channel structure ( 16 ) on the second plate side ( 15 ) and via the cooling channel structure ( 16 ) together with the coolant from the cathode plate ( 1 . 1' ) is led away.