DE102015201113A1

DE102015201113A1 - Bipolar plate and fuel cell with such a

Info

Publication number: DE102015201113A1
Application number: DE102015201113.5A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schneiter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend eine Anodenseite (21) und eine Kathodenseite (22), wobei die Bipolarplatte (10) bezüglich einer Aufsicht auf die Anoden- oder Kathodenseite (21, 22) aufweist: – einen aktiven Bereich (11), der anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld (21) und kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld (31) ausbildet sowie ein internes Kühlmittelströmungsfeld (41) aufweist, – inaktive Versorgungsbereiche (12a, 12b), umfassend – Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (22, 32, 42), nämlich Anodengasports (22a, 22b, 22c) zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports (32a, 32b, 32c) zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports (42a, 42b, 42c) zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels, – Verteilerfelder (23, 33, 43), nämlich Anodengasverteilerfelder (23), die jeweils mit einem der Anodengasports (22a, 22b, 22c) sowie dem Anodengasströmungsfeld (21) fluidführend verbunden sind; Kathodengasverteilerfelder (33), die jeweils mit einem der Kathodengasports (32a, 32b, 32c) sowie dem Kathodengasströmungsfeld (31) fluidführend verbunden sind; und Kühlmittelverteilerfelder (43), die jeweils mit einem der Kühlmittelports (42a, 42b, 42c) sowie dem Kühlmittelströmungsfeld (41) fluidführend verbunden sind, Es ist vorgesehen, dass das Anodengasströmungsfeld (21) und/oder das Kathodengasströmungsfeld (31) und/oder das Kühlmittelströmungsfeld (41) mit mindestens drei der entsprechenden Ports (22, 32, 42) fluidführend verbunden ist, sodass das entsprechende Strömungsfeld (21, 31, 41) mit zumindest zwei Betriebsmittel zuführenden Ports (22, 32, 42) und zumindest einem Betriebsmittel abführenden Port (22, 32, 42) oder mit zumindest einem Betriebsmittel zuführenden Port (22, 32, 42) und zumindest zwei Betriebsmittel abführenden Ports (22, 32, 42) verbunden ist.The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell (100), comprising an anode side (21) and a cathode side (22), wherein the bipolar plate (10) has a plan view of the anode or cathode side (21, 22): An active region (11) which on the anode side forms an anode gas flow field (21) and a cathode gas flow field (31) on the cathode side and has an internal coolant flow field (41), inactive supply regions (12a, 12b), comprising operating medium passage openings (22, 32, 42 ), namely, anode gas ports (22a, 22b, 22c) for supplying and discharging an anode gas, cathode gas ports (32a, 32b, 32c) for supplying and discharging a cathode gas, and coolant ports (42a, 42b, 42c) for supplying and discharging a Coolant, - distribution fields (23, 33, 43), namely Anodengasverteilerfelder (23), each with one of the anode gas ports (22a, 22b, 22c) and the Anodengasströmungsfeld (21) fluidly connected s ind; Cathode gas distribution panels (33) each fluidly connected to one of the cathode gas ports (32a, 32b, 32c) and the cathode gas flow field (31); and coolant manifold panels (43) respectively fluidly connected to one of the coolant ports (42a, 42b, 42c) and the coolant flow field (41). It is contemplated that the anode gas flow field (21) and / or the cathode gas flow field (31) and / or the coolant flow field (41) is fluid-conductively connected to at least three of the respective ports (22, 32, 42) such that the corresponding flow field (21, 31, 41) has ports (22, 32, 42) supplying at least two resources and at least one resource efferent port (22, 32, 42) or with at least one resource-feeding port (22, 32, 42) and at least two resources laxative ports (22, 32, 42) is connected.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell and a fuel cell with such a bipolar plate

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-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere 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 → 2 H⁺ + 2 e^–). 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 e^– 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 (1/2 O₂ + 2 e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H⁺ + O^2– → H₂O). Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case a membrane disposed on both sides of the electrode (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 emission of electrons (H ₂ → 2 H ⁺ + 2 e ^- ). 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 e ^- provided at the anode are fed 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 taking place of the electrons takes place (1/2 O ₂ + 2 e ^- → O ^2- ). At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported through the membrane to form water (2 H ⁺ + O ^2- > H ₂ O).

In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten dient und andererseits der Zuführung eines Kühlmittels zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane electrode units whose electrical powers add up. A bipolar plate is arranged in each case between two membrane electrode assemblies in a fuel cell stack, which on the one hand serves to supply the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane electrode assemblies and on the other hand to supply a coolant for the removal of heat. Bipolar plates also consist of an electrically conductive material to produce the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply of the membrane-electrode units, the cooling and the electrical connection.

Bipolarplatten für Brennstoffzellen weisen einen, üblicherweise zentral angeordneten aktiven Bereich auf, der an die katalytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit anschließt und an dem die eigentlichen Brennstoffzellenreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist der aktive Bereich anodenseitig ein offenes Anodengasströmungsfeld auf und kathodenseitig ein offenes Kathodengasströmungsfeld. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder sind zumeist in Form diskreter rinnenartiger Kanäle ausgebildet. Bekannt sind jedoch auch Strömungsfelder, die neben einer Hauptströmungsrichtung auch seitliche Strömungsrichtungen erlauben, oder offenporige/poröse Strukturen. Zudem weist der aktive Bereich ein internes Kühlmittelströmungsfeld auf, wobei dieses üblicherweise in Form von eingeschlossenen Kanälen ausgebildet ist. Um den aktiven Bereich mit den entsprechenden Betriebsmitteln zu versorgen, weisen Bipolarplatten zudem inaktive Versorgungsbereiche auf, in denen Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (vorliegend auch Ports genannt) angeordnet sind, nämlich jeweils zwei Anodengasports zur Zu- und Abführung des Anodengases, zwei Kathodengasports zur Zu- und Abführung des Kathodengases und zwei Kühlmittelports zur Zu- und Abführung des Kühlmittels. Im Brennstoffzellenstapel liegen diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich aufeinander, sodass sie durch den gesamten Stapel durchsetzende Hauptversorgungskanäle für die entsprechenden Betriebsmittel ausbilden. In den inaktiven Versorgungsbereichen sind ferner Verteilerfelder angeordnet, die dem Anschluss der Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und den entsprechenden Strömungsfeldern des aktiven Bereichs dienen. Dabei umfassen die Verteilerfelder jeweils Anodengasverteilerfelder, die einen Anodengasport und mit dem Anodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbinden, Kathodengasverteilerfelder, welche einen Kathodengasport mit den Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbinden, sowie Kühlmittelverteilerfelder, die einen Kühlmittelport und mit dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbinden. Die Verteilerfelder sind zumeist in Form diskreter, offener oder geschlossener Strömungskanäle ausgebildet. Bipolar plates for fuel cells have a, usually centrally disposed active region, which connects to the catalytic electrodes of the membrane-electrode assembly and where the actual fuel cell reactions take place. For this purpose, the active region has on the anode side an open anode gas flow field and on the cathode side an open cathode gas flow field. The anode gas and cathode gas flow fields are mostly in the form of discrete channel-like channels. However, flow fields are also known which permit not only a main flow direction but also lateral flow directions, or open-pored / porous structures. In addition, the active region has an internal coolant flow field, which is usually formed in the form of trapped channels. In order to supply the active area with the appropriate resources, bipolar plates also have inactive supply areas in which operating medium through holes (also referred to as ports) are arranged, namely two anode gas ports for supply and discharge of the anode gas, two cathode gas ports for supply and discharge of Cathode gas and two coolant ports for supply and discharge of the coolant. In the fuel cell stack, these resource passages are congruent to each other so that they form through the entire stack passing through main supply channels for the corresponding resources. In the inactive service areas further distribution panels are arranged, which serve the connection of the equipment through-holes and the corresponding flow fields of the active area. The manifold panels each include anode gas manifold panels fluidly connecting an anode gas port and the anode gas flow field of the active area, cathode gas manifold panels fluidly connecting a cathode gas port to the cathode gas flow field of the active area, and coolant manifold panels connecting a coolant port and fluid carrying the coolant flow field. The distribution panels are usually designed in the form of discrete, open or closed flow channels.

Beispiele für eine Bipolarplatte gemäß der vorstehenden Beschreibung sind in US 2006/0127706 A1 und DE 102007 008 214 A1 offenbart. Dabei sind für jedes Betriebsmittel jeweils zwei Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (Zu- und Abfuhr) auf den beiden einander gegenüberliegenden Schmalseiten der Bipolarplatte angeordnet. Examples of a bipolar plate according to the above description are in US 2006/0127706 A1 and DE 102007 008 214 A1 disclosed. In this case, two resources through openings (supply and discharge) are arranged on the two opposite narrow sides of the bipolar plate for each resource.

Grundsätzliche Ziele bei der Entwicklung von Bipolarplatten stellen die Reduzierung des Gewichts, des Bauraums und der Kosten sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen. Fundamental goals in the development of bipolar plates are the reduction of weight, installation space and costs as well as increasing the power density. These criteria are particularly important for the mobile use of fuel cells, for example for the electromotive traction of vehicles.

Nachteilig an den bekannten Bipolarplatten ist, dass innerhalb der Verteilerfelder der inaktiven Bereiche große Druckverluste innerhalb der einzelnen Verteilerkanäle aufgrund großer Kanallängen auftreten. Zudem herrschen zwischen den Verteilerkanälen sehr unterschiedliche Druckverluste vor. Dies führt zwangsläufig zu einer inhomogenen Versorgung und unterschiedlichen Betriebsdrücken innerhalb der Flussfelder des aktiven Bereichs der Bipolarplatte. Insbesondere Eck- und Randbereiche des aktiven Bereichs sind häufig unterversorgt. Dieses Problem der unterschiedlichen Betriebsmittelversorgung, insbesondere der Reaktantengasversorgung der aktiven Fläche kommt besonders stark bei Flussfeldern mit unterbrochenen Kanälen zum Tragen, bei denen die einzelnen Kanäle lateral miteinander verbunden sind. Hier kommt es aufgrund der hohen Druckunterschiede zu signifikanten Querströmungen innerhalb des Flussfelds und zu einer besonders großen Inhomogenität. A disadvantage of the known bipolar plates is that large pressure losses within the individual distribution channels occur within the distributor fields of the inactive regions due to large channel lengths. In addition, there are very different pressure losses between the distribution channels. This inevitably leads to an inhomogeneous supply and different operating pressures within the flow fields of the active region of the bipolar plate. In particular, corner and edge areas of the active area are often undersupplied. This problem of different resource supply, in particular the Reaktantengasversorgung the active surface is particularly strong in flow fields with interrupted channels to bear in which the individual channels are laterally interconnected. Due to the high pressure differences, significant crossflows occur within the flow field and a particularly large inhomogeneity.

US 2007/0202383 A1 offenbart, dem Problem der ungleichmäßigen Anodengasverteilung dadurch zu begegnen, dass die Anodengaskanäle des aktiven Bereichs der Bipolarplatte sich in einer unterschiedlichen Anzahl von Kanälen verzweigen. US 2007/0202383 A1 discloses to address the problem of non-uniform anode gas distribution by branching the anode gas channels of the active region of the bipolar plate in a different number of channels.

Aus der älteren Anmeldung DE 102013210542.8 ist bekannt, die Längen der Verteilerkanäle im inaktiven Verteilerbereich der Bipolarplatte einander anzugleichen. Insbesondere wird dies dadurch erzielt, dass die Anodengasports mittig in den inaktiven Verteilerbereichen angeordnet sind. From the older application DE 102013210542.8 It is known to match the lengths of the distribution channels in the inactive distribution region of the bipolar plate. In particular, this is achieved in that the anode gas ports are arranged centrally in the inactive distributor regions.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen bereitzustellen, bei welcher der Druckverlust in den Verteilerfeldern und die für die inaktiven Verteilerbereiche der Bipolarplatte benötigte Fläche reduziert ist. The invention is based on the object of providing a bipolar plate for fuel cells in which the pressure loss in the distributor fields and the area required for the inactive distributor regions of the bipolar plate are reduced.

Die Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. The object is achieved by a bipolar plate and a fuel cell having such a having the features of the independent claims.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenseite und eine Kathodenseite. Dabei weist die Bipolarplatte bezüglich einer Aufsicht auf die Anodenseite oder die Kathodenseite Folgendes auf:

– einen aktiven Bereich, der anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld, kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld sowie ein internes Kühlmittelströmungsfeld aufweist,
– Versorgungsbereiche, umfassend:
– Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (Ports), nämlich Anodengasports zur Zu- und Abführung eines Anodengases, Kathodengasports zur Zu- und Abführung eines Kathodengases, sowie Kühlmittelports zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels,
– Verteilerfelder, nämlich Anodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Anodengasports sowie dem Anodengasströmungsfeld fluidführend verbunden sind; Kathodengasverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kathodengasports sowie dem Kathodengasströmungsfeld fluidführend verbunden sind; und Kühlmittelverteilerfelder, die jeweils mit einem der Kühlmittelports sowie dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbunden sind.

The bipolar plate for a fuel cell according to the invention comprises an anode side and a cathode side. In this case, the bipolar plate has the following with respect to a view of the anode side or the cathode side:

An active region having an anode gas flow field on the anode side, a cathode gas flow field on the cathode side, and an internal coolant flow field on the anode side,
- service areas, comprising:
- Equipment through-passages (ports), namely anode gas ports for supply and discharge of an anode gas, cathode gas port for supply and discharge of a cathode gas, and coolant port for supply and discharge of a coolant,
- Distribution fields, namely anode gas distribution fields, which are each fluid-carrying connected to one of the anode gas ports and the anode gas flow field; Cathode gas distributor fields, each fluidly connected to one of the cathode gas ports and the cathode gas flow field; and coolant manifold panels, each fluidly connected to one of the coolant ports and the coolant flow field.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Versorgungsbereiche zumindest einen weiteren Betriebsmitteldurchgangsöffnung aufweisen und das Anodengasströmungsfeld und/oder das Kathodengasströmungsfeld und/oder das Kühlmittelströmungsfeld mit mindestens drei der entsprechenden Ports fluidführend verbunden sind. Auf diese Weise ist das entsprechende Strömungsfeld mit zumindest zwei Betriebsmittel zuführenden Ports und zumindest einem Betriebsmittel abführenden Port verbunden. Alternativ ist das entsprechende Strömungsfeld mit zumindest einem Betriebsmittel zuführenden Port und zumindest zwei Betriebsmittel abführenden Ports verbunden. According to the invention, provision is now made for the supply regions to have at least one further equipment through-opening and for the anode gas flow field and / or the cathode gas flow field and / or the coolant flow field to be connected in a fluid-carrying manner to at least three of the corresponding ports. In this way, the corresponding flow field is connected to at least two resources feeding ports and at least one resource laxative port. Alternatively, the corresponding flow field is connected to at least one resource-feeding port and at least two resources discharging ports.

Mit anderen Worten ist von mindestens einer Sorte der verschiedenen Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, nämlich Anodengasport, Kathodengasport und/oder Kühlmittelport, eine Anzahl von mindestens drei in der erfindungsgemäßen Bipolarplatte vorhanden, nämlich mindestens zwei Betriebsmittel zuführende Ports und mindestens ein abführender Port oder mindestens zwei abführende Ports und mindestens ein zuführender Port. Die Anordnung von mehr als einem Betriebsmittelport in einem Versorgungsbereich ermöglicht einerseits eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche des inaktiven Bereichs beziehungsweise eine Flächenreduzierung desselben, sodass eine Gewichts- und Volumenreduzierung der Bipolarplatte und der Brennstoffzelle erzielt wird. Im Ergebnis führt dies zu einer höheren volumenbezogenen Leistungsdichte der Brennstoffzelle. Darüber hinaus ermöglicht die Erhöhung der Anzahl der Betriebsmittel führenden Ports eine günstigere Anordnung derselben im Verteilerbereich, wodurch die Längen der entsprechenden Verteilerfelder beziehungsweise Verteilerkanäle reduziert werden können. Auf diese Weise kann der Druckverlust innerhalb der Verteilerfelder signifikant reduziert werden, was zur einer weiteren Leistungssteigerung der Brennstoffzelle führt. In other words, at least one sort of the different equipment through-openings, namely anode gas port, cathode gas port and / or coolant port, a number of at least three in the bipolar plate according to the invention, namely at least two resources feeding ports and at least one laxative port or at least two laxative ports and at least a feeding port. The arrangement of more than one resource port in a service area on the one hand allows a better utilization of the available area of the inactive area or a reduction in area thereof, so that a weight and volume reduction of the bipolar plate and the fuel cell is achieved. As a result, this leads to a higher volume-related power density of the fuel cell. In addition, the increase in the number of resources leading ports allows a more favorable arrangement of the same in the distribution area, whereby the lengths of the corresponding distribution panels or distribution channels can be reduced. In this way, the pressure loss within the distributor fields can be significantly reduced, which leads to a further increase in performance of the fuel cell.

Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „aktiver Bereich“ derjenige Bereich der Bipolarplatte verstanden, der in dem montierten Brennstoffzellenstapel den katalytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit zugewandt ist, das heißt derjenige Bereich, an dem im Betrieb der Brennstoffzelle eine elektrochemische Reaktion stattfindet. In Abgrenzung hierzu bezeichnet „inaktiver Bereich“ einen Bereich, an dem keine elektrochemische Reaktion stattfindet. Der „inaktive Bereich“ umfasst somit zumindest die inaktiven Versorgungsbereiche, die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (vorliegend auch als Ports bezeichnet) sowie Randbereiche der Bipolarplatte. Es versteht sich, dass die Bipolarplatte selbst in keinem der Bereiche im engeren Sinn chemisch aktiv ist. In the context of the present invention, the term "active region" is understood to mean the region of the bipolar plate which faces the catalytic electrodes of the membrane-electrode assembly in the assembled fuel cell stack, that is to say that region at which an electrochemical fuel cell operates Reaction takes place. By contrast, "inactive region" refers to an area where no electrochemical reaction occurs. The "inactive area" thus includes at least the inactive ones Supply areas, the resource through openings (also referred to herein as ports) and edge regions of the bipolar plate. It is understood that the bipolar plate itself is not chemically active in any of the areas in the narrower sense.

Unter dem Begriff „Verteilerfelder“ werden diejenigen Abschnitte des inaktiven Bereichs verstanden, welche die Fluidverbindung zwischen den Ports und den entsprechenden Flussfeldern des aktiven Bereichs herstellen. Ein Verteilerfeld kann in Form von diskreten Strömungskanälen realisiert sein; in Form von unterbrochenen Strömungsstrukturen, beispielsweise Noppenstrukturen, die laterale Querströmungen zulassen, oder in Form von offenporigen porösen Materialien. Die gleichen Ausgestaltungen können grundsätzlich auch für die Strömungsfelder des aktiven Bereichs angewandt werden. The term "distribution fields" is understood to mean those sections of the inactive area which establish the fluid connection between the ports and the corresponding flow fields of the active area. A distributor field can be realized in the form of discrete flow channels; in the form of interrupted flow structures, for example knob structures which permit lateral transverse flows, or in the form of open-pore porous materials. The same configurations can in principle also be applied to the flow fields of the active region.

Im vorstehend ausgeführten Sinn sind die Versorgungsbereiche in einem in einer Brennstoffzellenstapel verbauten Zustand elektrochemisch inaktiv. Dies ermöglicht, die Im Versorgungsbereich angeordneten Kanalstrukturen vollständig im Sinne einer gleichmäßigen Verteilung der Betriebsmedien und/oder einer möglichst flächensparenden Anordnung zu optimieren. Alternativ können die Versorgungsbereiche zur Erhöhung der Leistungsdichte der Brennstoffzelle aktiv ausgestaltet sein. In the sense set out above, the supply areas are electrochemically inactive in a state installed in a fuel cell stack. This makes it possible to optimize the channel structures arranged in the supply area completely in the sense of a uniform distribution of the operating media and / or an arrangement which is as space-saving as possible. Alternatively, the service areas may be actively configured to increase the power density of the fuel cell.

Vorzugsweise ist ein erster Teilabschnitt des Anodengasströmungsfelds und/oder des Kathodengasströmungsfelds und/oder des Kühlmittelströmungsfelds des aktiven Bereichs der Bipolarplatte mit einem anderen Port fluidführend verbunden als ein zweiter Teilabschnitt desselben Strömungsfelds. Somit werden unterschiedliche Teilabschnitte eines Strömungsfelds durch unterschiedliche Ports (zu- oder abführend) mit dem entsprechenden Betriebsmittel versorgt. Mindestens zwei Ports desselben inaktiven Versorgungsbereichs versorgen auf diese Weise ein und dasselbe Strömungsfeld des aktiven Bereichs. Diese Ausgestaltung erlaubt die Anordnung der entsprechenden Ports im inaktiven Bereich so, dass die entsprechenden Verteilerfelder, insbesondere entsprechenden Verteilerkanäle im inaktiven Bereich vergleichsweise kurz gestaltet werden können. Somit wird eine weitere Reduzierung der Fläche und des Druckabfalls in den Verteilerfeldern erzielt. Preferably, a first portion of the anode gas flow field and / or the cathode gas flow field and / or the coolant flow field of the active region of the bipolar plate is fluidly connected to a different port than a second portion of the same flow field. Thus, different sections of a flow field are supplied by different ports (incoming or outgoing) with the appropriate resources. At least two ports of the same inactive service area thus provide one and the same flow field of the active area. This configuration allows the arrangement of the corresponding ports in the inactive region so that the corresponding distributor fields, in particular corresponding distribution channels in the inactive region, can be made comparatively short. Thus, a further reduction in area and pressure drop in the manifold fields is achieved.

Vorzugsweise ist das Anodengasströmungsfeld und/oder das Kathodengasströmungsfeld und/oder das Kühlmittelströmungsfeld mit zumindest zwei Betriebsmittel zuführenden Ports und zumindest einem Betriebsmittel abführenden Port fluidführend verbunden. Die Aufteilung der Betriebsmittelzuführung auf zwei oder mehr zuführende Ports bewirkt in den entsprechenden Verteilerfeldern des inaktiven Versorgungsbereichs einen geringen Druckabfall, sodass das entsprechende Strömungsfeld mit einem hohen Betriebsmitteldruck und besonders homogen versorgt werden kann. Preferably, the anode gas flow field and / or the cathode gas flow field and / or the coolant flow field is fluidly connected to at least two resources feeding ports and at least one resource laxative port. The division of the resource supply to two or more feeding ports causes a small pressure drop in the corresponding manifold fields of the inactive service area, so that the corresponding flow field can be supplied with a high operating medium pressure and particularly homogeneous.

Besonders bevorzugt ist jedes der drei genannten Strömungsfelder unabhängig voneinander mit mindestens drei Ports fluidführend verbunden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedes der drei genannten Strömungsfelder unabhängig voneinander jeweils mit genau drei oder vier Ports verbunden. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die aus dieser Ausführung resultierende Gesamtanzahl an Ports (neun, zehn, elf oder zwölf) in den inaktiven Versorgungsbereichen der Bipolarplatte einen guten Kompromiss zwischen einer optimierten Flächenausnutzung des Versorgungsbereichs bei überschaubarem Mehraufwand für zusätzliche Dichtungsflächen für die einzelnen Ports erzielt. Insbesondere sind für das Kathodenbetriebsgas und das Kühlmittel jeweils drei Ports bevorzugt und für das Anodenbetriebsgas, abhängig von der spezifischen Plattendimensionierung, drei oder vier Ports. Particularly preferably, each of the three flow fields mentioned is independently connected to at least three ports in a fluid-conducting manner. In a preferred embodiment, each of the three flow fields mentioned is independently connected to exactly three or four ports each. Namely, it has been found that the total number of ports (nine, ten, eleven or twelve) resulting from this design in the inoperative bipolar plate supply regions achieves a good compromise between optimized area utilization of the coverage area with manageable overhead for additional sealing areas for the individual ports , In particular, three ports are preferred for the cathode operating gas and the coolant, and three or four ports for the anode operating gas, depending on the specific plate sizing.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Bipolarplatte zwei Versorgungsbereiche auf, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte angeordnet sind, sodass der aktive Bereich zwischen den beiden Versorgungsbereichen angeordnet ist. Vorzugsweise weist in diesem Fall ein erster Versorgungsbereich insgesamt vier oder fünf Ports und ein zweiter Versorgungsbereich insgesamt fünf Ports auf. Auf diese Weise ist bei einer Anzahl von insgesamt drei oder vier Ports pro Betriebsmittel die günstigste Aufteilung der resultierenden neun Ports gewährleistet. According to a particularly preferred embodiment, the bipolar plate has two supply regions, which are arranged on opposite sides of the bipolar plate, so that the active region is arranged between the two supply regions. Preferably, in this case, a first service area has a total of four or five ports and a second service area has a total of five ports. In this way, with a total of three or four ports per resource, the most favorable distribution of the resulting nine ports is ensured.

Mit besonderem Vorteil sind zwei das gleiche Betriebsmittel führende und in demselben Versorgungsbereich angeordnete Ports in Eckbereichen und/oder an Seitenkanten dieses Versorgungsbereichs angeordnet. Diese Anordnung erlaubt eine symmetrische Positionierung der Ports eines Betriebsmittels und damit gleichartige Gestaltungen der entsprechenden Verteilerfelder im Versorgungsbereich mit im Wesentlichen gleichen oder zumindest ähnlich langen Kanallängen, wodurch das entsprechende Strömungsfeld im aktiven Bereich besonders homogen mit Betriebsmitteln versorgt wird. With particular advantage, two ports which lead the same resource and are arranged in the same service area are arranged in corner areas and / or on side edges of this service area. This arrangement allows a symmetrical positioning of the ports of a resource and thus similar designs of the corresponding distribution panels in the supply area with substantially the same or at least similarly long channel lengths, whereby the corresponding flow field in the active area is supplied particularly homogeneous with resources.

Vorzugsweise weist ein in einem zentralen Abschnitt eines Versorgungsbereichs angeordneter Port zumindest zwei dem aktiven Bereich zugewandte Auslasskanten auf, die voneinander unterschiedliche räumliche Ausrichtungen aufweisen. Dabei sind die mit den Auslasskanten verbundenen Verteilerfelder des Versorgungsbereichs mit unterschiedlichen Teilabschnitten des entsprechenden Strömungsfelds verbunden. Diese Ausgestaltung eines zentral angeordneten Ports erlaubt die Versorgung von Teilbereichen eines Strömungsfelds über zwei separate Verteilerfelder bei lediglich einem Port. Diese Ausgestaltung stellt eine weitere Möglichkeit dar, um eine symmetrische Anströmung und damit homogene Betriebsmittelversorgung eines Strömungsfelds im aktiven Bereich zu realisieren. Preferably, a port arranged in a central portion of a service area has at least two outlet edges facing the active area, which have mutually different spatial orientations. In this case, the distribution fields of the supply area connected to the outlet edges are connected to different sections of the corresponding flow field. This embodiment of a centrally arranged port allows the supply of partial areas of a flow field via two separate Distribution fields with only one port. This embodiment represents a further possibility to realize a symmetrical flow and thus homogeneous resource supply of a flow field in the active area.

Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind in zumindest einem Versorgungsbereich der Bipolarplatte zwei in einem zentralen Abschnitt angeordnete Ports, die unterschiedliche Betriebsmittel führen, bezüglich der Hauptströmungsrichtung der Strömungsfelder des aktiven Bereichs hintereinander liegend angeordnet. Diese Anordnung führt zu einer weiteren Erhöhung der Symmetrie der Ports sowie der entsprechenden Verteilerfelder. According to one embodiment of the invention, in at least one supply region of the bipolar plate, two ports arranged in a central section and carrying different operating means are arranged one behind the other with respect to the main flow direction of the flow fields of the active region. This arrangement leads to a further increase in the symmetry of the ports and the corresponding distribution fields.

Vorzugsweise weisen die Ports zumindest eines Versorgungsbereichs, vorzugsweise sämtlicher Versorgungsbereiche, eine spiegelsymmetrische Anordnung und Gestalt auf in Bezug auf eine in Hauptströmungsrichtung der Strömungsfelder verlaufende Spiegelebene. Diese Ausgestaltung erlaubt die größtmögliche Symmetrie nicht nur bezüglich der Ports selber, sondern auch sämtlicher Verteilerfelder der inaktiven Versorgungsbereiche und damit eine besonders homogene Betriebsmittelverteilung im aktiven Bereich. The ports of at least one supply region, preferably of all supply regions, preferably have a mirror-symmetrical arrangement and shape with respect to a mirror plane extending in the main flow direction of the flow fields. This configuration allows the greatest possible symmetry not only with respect to the ports themselves, but also all distribution fields of the inactive service areas and thus a particularly homogeneous resource distribution in the active area.

In bevorzugter Ausführung weist die Bipolarplatte wenigstens zwei aufeinander gefügte, profilierte Platten auf, nämlich eine anodenseitige Platte und eine kathodenseitige Platte. Dabei werden die Versorgungsfelder der inaktiven Versorgungsabschnitte und/oder die Strömungsfelder des aktiven Bereichs durch entsprechende Profile der Platten ausgebildet, insbesondere durch Rinnen und diese begrenzende wallartige Erhebungen. Die geschlossenen Kühlmittelverteilerfelder sowie das Kühlmittelströmungsfeld werden dabei zwischen den beiden Platten ausgebildet. Eine derartige Bauweise der Bipolarplatte ermöglicht praktisch beliebige Profilgestaltungen der Kanalstrukturen in den inaktiven Versorgungsbereichen und dem aktiven Bereich der Bipolarplatte beispielsweise durch Prägen, Tiefziehen oder Stanzen der Platten. In a preferred embodiment, the bipolar plate has at least two superimposed, profiled plates, namely an anode-side plate and a cathode-side plate. In this case, the supply fields of the inactive supply sections and / or the flow fields of the active area are formed by corresponding profiles of the plates, in particular by channels and these bounding wall-like elevations. The closed coolant distributor fields and the coolant flow field are formed between the two plates. Such a design of the bipolar plate allows virtually any profile designs of the channel structures in the inactive supply areas and the active area of the bipolar plate, for example by embossing, deep drawing or punching of the plates.

Vorzugsweise sind das Anodengasströmungsfeld und das Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs der Bipolarplatte in Form von geradlinig oder mäandernd verlaufenden Strömungskanälen ausgebildet, die als eingeprägte Rinnen in die jeweilige Platte realisiert sind. Dabei können mit besonderem Vorteil die Strömungskanäle als unterbrochene Kanäle ausgebildet sein, die somit einen Übertritt zwischen zwei benachbarten Strömungskanälen erlauben. Hierdurch wird eine besonders homogene Verteilung des Anodengases beziehungsweise Kathodengases über die aktive Fläche erzielt. Preferably, the anode gas flow field and the cathode gas flow field of the active region of the bipolar plate are in the form of straight or meandering flow channels, which are realized as embossed grooves in the respective plate. In this case, the flow channels can be formed as interrupted channels with particular advantage, thus allowing a transition between two adjacent flow channels. As a result, a particularly homogeneous distribution of the anode gas or cathode gas over the active area is achieved.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine lichte Gesamtfläche der Anodengasports kleiner als eine lichte Gesamtfläche der Kathodengasports. Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass ein Anodengasmassenstrom in Brennstoffzellen zumeist geringer gewählt wird als ein Kathodengasmassenstrom. According to a further embodiment of the invention, a clear total area of the anode gas ports is smaller than a clear total area of the cathode gas ports. This embodiment takes into account the fact that an anode gas mass flow in fuel cells is usually chosen to be lower than a cathode gas mass flow.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche zumindest zwei erfindungsgemäße Bipolarplatten aufweist, üblicherweise eine Vielzahl solcher Bipolarplatten, und jeweils eine zwischen zwei Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Einheit. Another aspect of the present invention relates to a fuel cell which has at least two bipolar plates according to the invention, usually a plurality of such bipolar plates, and in each case a membrane-electrode unit arranged between two bipolar plates.

Ferner betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Brennstoffzelle aufweist, insbesondere als Energieversorgungsquelle für einen elektromotorischen Antrieb. Furthermore, an aspect of the invention relates to a motor vehicle having such a fuel cell, in particular as a power source for an electric motor drive.

Sämtliche Ausgestaltungen der Erfindung sind mit Vorteil miteinander kombinierbar, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. All embodiments of the invention can be combined with each other with advantage, unless this is expressly excluded.

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

1 eine schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle (Einzelzelle) innerhalb des aktiven Bereichs; 1 a schematic sectional view of a fuel cell (single cell) within the active area;

2 Draufsicht auf eine Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß Stand der Technik, (A: Gesamtansicht, B: Teilansicht); 2 Top view of an anode side of a bipolar plate according to the prior art, (A: overall view, B: partial view);

3 Draufsicht auf eine Kathodenseite einer Bipolarplatte gemäß vorliegender Erfindung; 3 Top view of a cathode side of a bipolar plate according to the present invention;

4 Teilansicht auf die Kathodenseite einer Bipolarplatte gemäß Stand der Technik und 4 Partial view of the cathode side of a bipolar plate according to the prior art and

5 Teilansicht auf die Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß Stand der Technik. 5 Partial view of the anode side of a bipolar plate according to the prior art.

Zunächst soll der grundsätzliche Aufbau eines Brennstoffzellenstapels anhand von 1 erläutert werden. First, the basic structure of a fuel cell stack based on 1 be explained.

1 zeigt eine stark schematisierte Schnittansicht durch einen hier insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel, von dem hier lediglich eine Einzelzelle dargestellt ist. Die Figur stellt einen Schnitt durch den aktiven Bereich des Stapels dar. 1 shows a highly schematic sectional view through a total here with 100 designated fuel cell stack, of which only a single cell is shown here. The figure represents a section through the active area of the stack.

Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 50. Die MEA 50 weist eine ionisch leitfähige, insbesondere Protonen leitende Polymerelektrolytmembran (PEM) 51 auf. Die PEM 51 wird von zwei katalytischen Elektroden, nämlich einer Anode 52 und einer Kathode 53 flächig kontaktiert. Bei den Elektroden 52, 53 handelt es sich üblicherweise um ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial, beispielsweise auf Basis von Kohlenstoff, auf welchem ein katalytisches Material in feiner Verteilung geträgert vorliegt. Der Bereich, an dem die Elektroden 52, 53 vorhanden sind und an dem folglich die Brennstoffzellenreaktionen stattfinden, wird als aktiver Bereich bezeichnet. Im seitlichen Bereich sind üblicherweise keine Elektroden vorhanden, stattdessen wird die Membran 51 dort durch Stützschichten 54 mechanisch abgestützt. An die äußeren Flächen der Elektroden 52, 53 schließt jeweils eine Gasdiffusionslage (GDL) 55 an. Die GDL 55 bestehen aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Material und dienen der gleichmäßigen Verteilung der Anoden- und Kathodenbetriebsgase über die Elektrodenflächen. Die Elektroden 52, 53 können entweder als Beschichtung auf der PEM 51 oder den GDL 55 vorliegen. Eine seitliche Abdichtung der Zelle erfolgt über umlaufende Dichtungen 60, die auf den Stützschichten 54 angeordnet sind. The fuel cell stack 100 includes a membrane-electrode assembly (MEA) 50 , The MEA 50 has an ionically conductive, in particular proton-conducting polymer electrolyte membrane (PEM) 51 on. The PEM 51 becomes of two catalytic Electrodes, namely an anode 52 and a cathode 53 contacted flatly. At the electrodes 52 . 53 it is usually an electrically conductive carrier material, for example based on carbon, on which a catalytic material is present in finely distributed form. The area where the electrodes 52 . 53 are present and consequently the fuel cell reactions take place, is referred to as the active region. In the lateral area usually no electrodes are present, instead, the membrane 51 there by supporting layers 54 mechanically supported. To the outer surfaces of the electrodes 52 . 53 each closes a gas diffusion layer (GDL) 55 at. The GDL 55 consist of a porous, electrically conductive material and serve the uniform distribution of the anode and cathode operating gases over the electrode surfaces. The electrodes 52 . 53 can either be used as a coating on the PEM 51 or the GDL 55 available. A lateral sealing of the cell via circumferential seals 60 on the backing layers 54 are arranged.

Die Membran-Elektroden-Einheit 50 ist zwischen zwei Bipolarplatten 10 angeordnet. Jede Bipolarplatte 10 weist eine Anodenseite 20 und eine Kathodenseite 30 auf. Auf der Anodenseite 20 ist im aktiven Bereich der Bipolarplatte 10 ein offenes Anodengasflussfeld, beispielsweise in Form von Kanälen angeordnet (in dieser Darstellung nicht gezeigt). In gleicher Weise ist auf der Kathodenseite 30 der Bipolarplatten 10 ein Kathodengasflussfeld vorhanden, das wiederum in Form offener Kanäle ausgebildet sein kann (nicht dargestellt). Ferner weisen die Bipolarplatten 10 ein ebenfalls nicht dargestelltes geschlossenes Kühlmittelflussfeld auf, welches der Kühlung der Brennstoffzelle dient. Die einzelnen Kanalstrukturen der Bipolarplatten 10 sind in 1 nicht dargestellt, werden jedoch anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. The membrane-electrode unit 50 is between two bipolar plates 10 arranged. Each bipolar plate 10 has an anode side 20 and a cathode side 30 on. On the anode side 20 is in the active area of the bipolar plate 10 an open anode gas flow field, for example arranged in the form of channels (not shown in this illustration). In the same way is on the cathode side 30 the bipolar plates 10 a cathode gas flow field present, which in turn may be in the form of open channels (not shown). Furthermore, the bipolar plates 10 a likewise not shown closed coolant flow field, which serves to cool the fuel cell. The individual channel structures of the bipolar plates 10 are in 1 not shown, however, are explained in more detail with reference to the following figures.

Üblicherweise weist ein Brennstoffzellenstapel einer Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten 50 und Bipolarplatten 10 auf, die abwechselnd aufeinander angeordnet sind und deren elektrische Leistungen sich addieren. Typically, a fuel cell stack has a plurality of membrane-electrode assemblies 50 and bipolar plates 10 on, which are alternately arranged on each other and their electrical services add up.

Die Brennstoffzelle 100 der 1 weist folgende Funktion auf:
Über das Anodengasflussfeld der Anodenseiten 20 der Bipolarplatten 10 wird ein Anodengas – zumeist Wasserstoff H₂ – zugeleitet und über die Gasdiffusionslage 55 der Anode 52 zugeführt. An dem katalytischen Material der Anode 52 reagiert der Wasserstoff zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen, die über einen äußeren Stromkreis über einen elektrischen Verbraucher der Kathode 53 zugeführt werden. Die an der Anode 52 entstandenen Protonen diffundieren über die Protonen leitende Polymerelektrolytmembran 51 und gelangen an die Kathode 53. Gleichzeitig wird über das Kathodengasflussfeld der Kathodenseiten 30 der Bipolarplatten 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodengas – zumeist Luft – eingespeist, welches über die Gasdiffusionslage 55 der Kathode 53 zugeführt wird. An der Kathode 53 wird der Luftsauerstoff O₂ zu Sauerstoffanionen O^2– reduziert, welche mit den über die PEM 51 bereitgestellten Protonen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasser H₂O reagieren. Auf diese Weise wird in dem Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt. The fuel cell 100 of the 1 has the following function:
About the anode gas flow field of the anode sides 20 the bipolar plates 10 is an anode gas - usually hydrogen H ₂ - fed and the gas diffusion layer 55 the anode 52 fed. On the catalytic material of the anode 52 The hydrogen reacts to form protons H ⁺ with the release of electrons, which pass through an external circuit via an electrical consumer of the cathode 53 be supplied. The at the anode 52 resulting protons diffuse across the proton-conducting polymer electrolyte membrane 51 and get to the cathode 53 , At the same time, the cathode sides of the cathode gas flow field 30 the bipolar plates 10 an oxygen-containing cathode gas - usually air - fed, which on the gas diffusion layer 55 the cathode 53 is supplied. At the cathode 53 the atmospheric oxygen O ₂ is reduced to oxygen anions ^O2-, which with the across the PEM 51 provided protons react by taking up electrons to water H ₂ O. In this way, an electric current is generated in the circuit.

2 zeigt eine Bipolarplatte 20‘ gemäß Stand der Technik nach US 2006/0127706 A1 . Die Bipolarplatte 10‘ ist hier in Draufsicht auf ihre Anodenseite 20 dargestellt. Die Bipolarplatte 10‘ weist einen zentralen aktiven Bereich 11 auf, in welchem ein anodenseitig offenes Anodengasströmungsfeld 21 ausgebildet ist, hier in Form offener mäandernd verlaufender Kanäle. Desgleichen ist auf der hier nicht sichtbaren Kathodenseite 30 ein offenes Kathodengasflussfeld mit entsprechenden Kanälen ausgebildet. Zudem ist im aktiven Bereich 11 ein geschlossenes Kühlmittelflussfeld in Form von innen liegenden, also geschlossenen Kühlmittelkanälen vorhanden, welche vorliegend ebenfalls nicht sichtbar sind. 2 shows a bipolar plate 20 ' according to the prior art US 2006/0127706 A1 , The bipolar plate 10 ' Here is a top view of her anode side 20 shown. The bipolar plate 10 ' has a central active area 11 in which an anode-side open anode gas flow field 21 is formed, here in the form of open meandering running channels. The same is on the not visible here cathode side 30 an open cathode gas flow field is formed with corresponding channels. In addition, is in the active area 11 a closed coolant flow field in the form of internal, ie closed coolant channels present, which are also not visible in the present case.

Die Bipolarplatte 10‘ weist ferner zwei inaktive Versorgungsbereiche 26a und 26b auf, in denen jeweils drei (insgesamt sechs) Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 22, 32, 42 angeordnet sind. Diese umfassen zwei Anodengasports 22a, 22b, zwei Kathodengasports 32a, 32b und zwei Kühlmittelports 42a und 42b. Von diesen dienen jeweils ein Port der Zuführung des jeweiligen Betriebsmittels und der andere Port der Abführung desselben. Im zusammengebauten Brennstoffzellenstapel 100 sind die jeweiligen Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 22, 32, 42 fluchtend aufeinander gestapelt, sodass sie insgesamt sechs, den Stapel 100 durchsetzende Hauptkanäle ausbilden. The bipolar plate 10 ' also has two inactive coverage areas 26a and 26b on, in each of which three (six in total) equipment through-openings 22 . 32 . 42 are arranged. These include two anode gasports 22a . 22b , two cathode gas ports 32a . 32b and two coolant ports 42a and 42b , Of these, each serve a port of the supply of the respective resource and the other port of the discharge of the same. In the assembled fuel cell stack 100 are the respective resource passages 22 . 32 . 42 stacked in alignment, giving them a total of six, the stack 100 train passing main channels.

Die Versorgungsbereiche 26a und 26b weisen jeweils ein Anodenverteilerfeld 23a, 23b, jeweils ein hier nicht sichtbares Kathodenverteilerfeld 33a, 33b sowie jeweils ein hier nur teilweise sichtbares Kühlmittelverteilerfeld 43a, 43b auf. Das Anodenverteilerfeld 23a verbindet den Anodenport 22a mit dem Anodengasströmungsfeld 21 des aktiven Bereichs 11 fluidführend und das Anodenverteilerfeld 23b verbindet den Anodenport 22b mit dem Anodengasströmungsfeld 21. Die offenen Strömungskanäle der Anodenverteilerfelder 23a, 23b verlaufen direkt und geradlinig in einer zur Hauptströmungsrichtung des aktiven Bereichs 23 schrägen Richtung. In gleicher Weise verbindet auf der rückwärtigen Kathodenseite 30 der Bipolarplatte 10‘ das Kathodenverteilerfeld 33a den Kathodenport 32a mit dem Kathodengasströmungsfeld 31 des aktiven Bereichs 11 fluidführend und das Kathodenverteilerfeld 33b verbindet den Kathodenport 32b mit der anderen Seite des Kathodengasströmungsfelds 31. Schließlich verbindet das geschlossene Kühlmittelverteilerfeld 43a des Versorgungsbereichs 12a den Kühlmittelport 42a mit dem internen, geschlossenen Kühlmittelströmungsfeld (nicht sichtbar) des aktiven Bereichs 1 und das geschlossene Kühlmittelverteilerfeld 43b des Versorgungsbereichs 12b den Kühlmittelport 42b mit dem Kühlmittelströmungsfeld. The service areas 26a and 26b each have an anode distributor field 23a . 23b , one each not visible here cathode distributor field 33a . 33b as well as one here only partially visible coolant distributor field 43a . 43b on. The anode distributor field 23a connects the anode port 22a with the anode gas flow field 21 of the active area 11 fluid carrying and the anode distributor field 23b connects the anode port 22b with the anode gas flow field 21 , The open flow channels of the anode distributor fields 23a . 23b are straight and straight in a direction to the main flow direction of the active area 23 oblique direction. In the same way connects on the rear side of the cathode 30 the bipolar plate 10 ' the cathode distributor field 33a the cathode sport 32a with the cathode gas flow field 31 of the active area 11 fluid carrying and the cathode distributor field 33b connects the cathode port 32b with the other side of the Cathode gas flow field 31 , Finally, the closed coolant distributor field connects 43a of the supply area 12a the coolant port 42a with the internal, closed coolant flow field (not visible) of the active area 1 and the closed coolant distributor field 43b of the supply area 12b the coolant port 42b with the coolant flow field.

Die Strömungskanäle der Anoden- und Kathodenverteilerfelder 23, 33 der Versorgungsbereiche 12a und 12b sind hier jeweils als (nach außen) offene Rinnen ausgebildet. Sie werden im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels üblicherweise durch die Stützschicht 54 der Membran-Elektroden-Einheit 50 verdeckt und geschlossen (siehe 1). Alternativ können diese Strömungskanäle der Versorgungsbereiche 12a und 12b jedoch auch bereits in der nicht montierten Bipolarplatte geschlossen ausgebildet sein. The flow channels of the anode and cathode distributor fields 23 . 33 the service areas 12a and 12b are each formed here as (outwardly) open channels. They are usually in the assembled state of the fuel cell stack through the support layer 54 the membrane-electrode unit 50 covered and closed (see 1 ). Alternatively, these flow channels of the service areas 12a and 12b However, also be formed closed already in the unassembled bipolar plate.

3 zeigt eine Bipolarplatte 10 in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Dabei sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 2 bezeichnet und weisen – sofern nicht anders beschrieben – die gleichen Eigenschaften und Funktionen auf. 3 shows a bipolar plate 10 in a preferred embodiment of the present invention. Here are matching elements with the same reference numerals as in 2 unless otherwise stated, they denote and have the same properties and functions.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 gemäß dargestellter Ausführungsform weist eine in der Darstellung oben liegende Kathodenseite 30 und eine rückwärtige Anodenseite 20 auf und unterteilt sich in einen aktiven Bereich 11 und zwei inaktive Verteilerbereiche 12a und 12b. Der aktive Bereich 11 umfasst anodenseitig ein Anodengasströmungsfeld 21 und kathodenseitig ein Kathodengasströmungsfeld 31. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder 21, 31 sind nach außen offen ausgebildet. Der aktive Bereich 11 umfasst ferner ein internes zwischen der Anoden- und Kathodenseite 20, 30 eingeschlossenes Kühlmittelströmungsfeld 41 (hier nicht sichtbar). Sämtliche Strömungsfelder 21, 31, 41 des aktiven Bereichs 11 können unabhängig voneinander beispielsweise rinnenförmige diskrete Strömungskanäle aufweisen oder Strömungsstrukturen, die neben der Hauptströmungsrichtung laterale Querströmungen zulassen. Alternativ können die Strömungsfelder 21, 31, 41 auch über ein offenporöses Material ausgebildet werden. The bipolar plate according to the invention 10 according to the illustrated embodiment has a cathode side in the illustration above 30 and a rear anode side 20 up and divided into an active area 11 and two inactive manifold areas 12a and 12b , The active area 11 on the anode side comprises an anode gas flow field 21 and on the cathode side, a cathode gas flow field 31 , The anode gas and cathode gas flow fields 21 . 31 are designed to be open to the outside. The active area 11 further includes an internal between the anode and cathode sides 20 . 30 enclosed coolant flow field 41 (not visible here). All flow fields 21 . 31 . 41 of the active area 11 For example, independently of one another, they may have channel-shaped discrete flow channels or flow structures which permit lateral crossflows in addition to the main flow direction. Alternatively, the flow fields 21 . 31 . 41 also be formed over an open porous material.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 umfasst ferner zwei inaktive Versorgungsbereiche 12a und 12b. In diesen sind insgesamt neun Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 22, 32, 42 angeordnet, nämlich drei Anodengasports 22a, 22b und 22c, wobei die Anodengasports 22a und 22b beispielsweise der Zuführung eines Anodengases und der Anodengasport 22c der Abführung des Anodengases dient (oder umgekehrt). Desgleichen sind drei Kathodengasports 32a, 32b und 32c vorhanden, von denen die Kathodengasports 32a und 32b beispielsweise der Zuführung eines Kathodengases dienen und der Kathodengasport 32c der Abführung des Kathodengases (oder umgekehrt). Schließlich umfasst die Bipolarplatte 10 drei Kühlmittelports 42a, 42b und 42c, von denen die Kathodengasports 42a und 42b beispielsweise der Zuführung eines Kühlmittels dienen und der Kühlmittelport 42c der Abführung des Kühlmittels (oder umgekehrt). The bipolar plate according to the invention 10 also includes two inactive coverage areas 12a and 12b , In these are a total of nine resources through openings 22 . 32 . 42 arranged, namely three anode gas ports 22a . 22b and 22c , wherein the anode gasports 22a and 22b for example, the supply of an anode gas and the anode gas port 22c the removal of the anode gas is used (or vice versa). Likewise, there are three cathode gas ports 32a . 32b and 32c present, of which the cathode gasports 32a and 32b For example, the supply of a cathode gas and the cathode gas port 32c the discharge of the cathode gas (or vice versa). Finally, the bipolar plate includes 10 three coolant ports 42a . 42b and 42c of which the cathode gasports 42a and 42b For example, the supply of a coolant serve and the coolant port 42c the discharge of the coolant (or vice versa).

Im dargestellten Beispiel sind in dem ersten Versorgungsbereich 12a der Bipolarplatte 10 insgesamt fünf Betriebsmitteldurchgangsöffnungen angeordnet und in dem zweiten Versorgungsbereich 12b insgesamt vier Betriebsmitteldurchgangsöffnungen. Jede Durchgangsöffnung weist dabei zumindest ein eigenes Verteilerfeld 23, 33, 43 auf, welches den jeweiligen Port mit dem entsprechenden Strömungsfeld 21, 31 oder 41 fluidführend verbindet. Die Konturen der Verteilerfelder sind in 3 durch unterbrochene Linien dargestellt. Somit ist im dargestellten Ausführungsbeispiel jedes der Strömungsfelder, das Anodengasströmungsfeld 21, das Kathodengasströmungsfeld 31 und das Kühlmittelströmungsfeld 41 mit jeweils drei entsprechenden Ports fluidführend verbunden. So ist das Anodengasströmungsfeld 21 einerseits mit den beiden im ersten Versorgungsbereich 12a angeordneten Anodengasports 22a und 22b verbunden und andererseits mit dem in dem zweiten Versorgungsbereich 12b angeordneten Anodengasport 22c. In gleicher Weise ist das Kathodengasströmungsfeld 31 einerseits mit den beiden Kathodengasports 32a und 32b verbunden und andererseits mit dem Kathodengasport 32c. Schließlich ist das Kühlmittelströmungsfeld 41 einerseits mit dem Kühlmittelport 42c und andererseits mit dem Kühlmittelport 42a und 42b verbunden. In the example shown are in the first supply area 12a the bipolar plate 10 a total of five resource passages arranged and in the second service area 12b a total of four equipment through openings. Each passage opening has at least one own distribution panel 23 . 33 . 43 on which the respective port with the corresponding flow field 21 . 31 or 41 fluid carrying connects. The contours of the distribution fields are in 3 represented by broken lines. Thus, in the illustrated embodiment, each of the flow fields is the anode gas flow field 21 , the cathode gas flow field 31 and the coolant flow field 41 connected in a fluid-carrying manner with in each case three corresponding ports. Such is the anode gas flow field 21 on the one hand with the two in the first supply area 12a arranged anode gasports 22a and 22b and on the other hand with the one in the second service area 12b arranged anode gas sports 22c , In the same way, the cathode gas flow field 31 on the one hand with the two cathode gas ports 32a and 32b connected and on the other hand with the cathode gas port 32c , Finally, the coolant flow field 41 on the one hand with the coolant port 42c and on the other hand with the coolant port 42a and 42b connected.

Dort, wo zwei gleichartige Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (Ports) paarweise in einem Versorgungsbereich 12a, 12b vorhanden sind, weisen diese Öffnungen jeweils eine dem aktiven Bereich 11 zugewandte Auslasskante auf (in 3 jeweils mit einem Pfeil gekennzeichnet), über welche diese Ports mit jeweils einem Verteilerfeld 23, 33, 43 verbunden sind. Beispielsweise sind die Anodengasports 22a und 22b über jeweils eine Auslasskante mit dem Anodenverteilerfeld 23a beziehungsweise 23b verbunden. Die Kathodengasports 32a und 32b sind ebenfalls über jeweils eine Auslasskante mit den Kathodengasverteilerfeldern 33a beziehungsweise 33b verbunden. Kühlmittelseitig sind die Kühlmittelports 42a und 42b mit jeweils einer Auslasskante jeweils mit dem Kühlmittelverteilerfeld 43a beziehungsweise 43b verbunden. Where two identical resource ports (ports) in pairs in a service area 12a . 12b are present, these openings each have a the active area 11 facing outlet edge on (in 3 each marked with an arrow), over which these ports, each with a distribution panel 23 . 33 . 43 are connected. For example, the anode gasports 22a and 22b via in each case one outlet edge with the anode distributor field 23a respectively 23b connected. The cathode gasports 32a and 32b are also each via an outlet edge with the cathode gas distributor fields 33a respectively 33b connected. Coolant side are the coolant ports 42a and 42b each with an outlet edge in each case with the coolant distributor field 43a respectively 43b connected.

Dabei sind die das gleiche Betriebsmittel führende und in demselben inaktiven Versorgungsbereich 12a oder 12b angeordneten Ports in einer spiegelsymmetrischen Anordnung entweder in Eckbereichen oder Seitenkanten des Versorgungsbereichs angeordnet. So sind die Kühlmittelports 42a und 42b jeweils in einem Eckbereich des zweiten Versorgungsbereichs 12b angeordnet und die Anodengasports 22a und 22b sowie die Kathodengasports 32a und 32b an Seitenkanten des Versorgungsbereichs 12a. Demgegenüber sind die einzeln in einem inaktiven Versorgungsbereich angeordneten Ports 22c, 32c und 42c jeweils in einem zentralen Abschnitt des Versorgungsbereichs angeordnet. So ist der Kühlmittelport 42c in einem zentralen Abschnitt des Versorgungsbereichs 12a angeordnet und der Kathodengasport 32c und der Anodengasport 22c in einem zentralen Abschnitt des zweiten Versorgungsbereichs 12b. Dabei sind die zentral angeordneten Ports 32c und 22c bezüglich der Hauptströmungsrichtung der Strömungsfelder 21, 31 und 41 des aktiven Bereichs 11 hintereinanderliegend angeordnet, wobei vorzugsweise der Anodengasport 22c bezüglich des aktiven Bereichs 11 hinter dem Kathodengasport 32c liegt. These are the same resource leading and in the same inactive supply area 12a or 12b arranged ports in a mirror-symmetrical arrangement either in Corner regions or side edges of the supply area arranged. So are the coolant ports 42a and 42b each in a corner region of the second supply area 12b arranged and the anode gasports 22a and 22b as well as the cathode gasports 32a and 32b at side edges of the service area 12a , In contrast, the ports arranged individually in an inactive service area 22c . 32c and 42c each arranged in a central portion of the supply area. So is the coolant port 42c in a central section of the service area 12a arranged and the cathode gas port 32c and the anode gas sport 22c in a central portion of the second service area 12b , Here are the centrally located ports 32c and 22c with respect to the main flow direction of the flow fields 21 . 31 and 41 of the active area 11 arranged one behind the other, preferably the anode gas port 22c with respect to the active area 11 behind the cathode gas sports 32c lies.

Die jeweils im zentralen Abschnitt der Versorgungsbereiche 12a und 12b angeordneten Ports 22c, 32c, 42c weisen eine Querschnittsgestalt auf, welche diese Ports mit jeweils zwei Auslasskanten ausstattet, welche dem aktiven Bereich 11 zugewandt sind und voneinander unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Auf diese Weise sind mit den jeweiligen Auslasskanten verschiedene Verteilerfelder und damit unterschiedliche Teilabschnitte des entsprechenden Strömungsfeldes verbunden. So ist der einzelne Kathodengasport 32c über eine erste Auslasskante mit dem Kathodengasverteilerfeld 33c und mit einer zweiten Auslasskante mit dem Kathodengasverteilerfeld 33d verbunden. Dabei versorgen die beiden Kathodengasverteilerfelder 33c und 33d jeweils unterschiedliche Teilabschnitte des Kathodengasströmungsfeldes 31 des aktiven Bereichs 11, insbesondere jeweils etwa 50 % des Strömungsfeldes 31, beispielsweise 50 % der entsprechenden Strömungskanäle in diesem Teilabschnitt. Entsprechendes gilt für den Anodengasport 22c, der über seine beiden Auslasskanten mit den Anodengasverteilerfeldern 23c und 23d des Versorgungsbereichs 12b verbunden ist und über diese Verteilerfelder 23c, 23d unterschiedliche Teilabschnitte des Anodengasströmungsfeldes 21 versorgt. Entsprechendes gilt für den Kühlmittelport 42c und seine beiden Kühlmittelverteilerfelder 43c und 43d im Versorgungsbereich 12a der Bipolarplatte 10. Durch diese Ausgestaltung wird beispielsweise die Hälfte des Kathodengasströmungsfeldes 31 durch den Kathodenport 32a, den Kathodengasverteilerfeld 33a, den Kathodengasverteilerfeld 33c und den Kathodengasport 32c versorgt. Die andere Hälfte des Kathodengasströmungsfeldes 31 wird über den Kathodengasport 32b, das Kathodengasverteilerfeld 33b, das Kathodengasverteilerfeld 33d und den Kathodengasport 32c mit dem Kathodengas versorgt. Each in the central section of the service areas 12a and 12b arranged ports 22c . 32c . 42c have a cross-sectional shape, which equips these ports with two outlet edges, which the active area 11 facing each other and have different orientations from each other. In this way, different distributor fields and thus different subsections of the corresponding flow field are connected to the respective outlet edges. Such is the single cathode gas sport 32c via a first outlet edge with the cathode gas distributor field 33c and a second outlet edge with the cathode gas distributor field 33d connected. The two cathode gas distributor fields supply this 33c and 33d each different sections of the cathode gas flow field 31 of the active area 11 , in particular each about 50% of the flow field 31 For example, 50% of the corresponding flow channels in this section. The same applies to the anode gas sports 22c , which has its two outlet edges with the anode gas distributor fields 23c and 23d of the supply area 12b is connected and via these distribution fields 23c . 23d different sections of the anode gas flow field 21 provided. The same applies to the coolant port 42c and its two coolant manifold fields 43c and 43d in the supply area 12a the bipolar plate 10 , By this configuration, for example, half of the cathode gas flow field 31 through the cathode port 32a , the cathode gas distributor field 33a , the cathode gas distributor field 33c and the cathode gas sport 32c provided. The other half of the cathode gas flow field 31 is about the cathode gas sport 32b , the cathode gas distributor field 33b , the cathode gas distributor field 33d and the cathode gas sport 32c supplied with the cathode gas.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform weist eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer Symmetrieebene auf, die in Längsrichtung der Bipolarplatte 10 beziehungsweise in der Hauptströmungsrichtung der Strömungsfelder 21, 31 und 41 des aktiven Bereichs 11 verläuft. Insbesondere weisen sämtliche Betriebsmittdurchgangsöffnungen 22, 32 und 42 eine bezüglich dieser Spiegelebene symmetrische Gestalt und Anordnung in den entsprechenden Versorgungsbereichen 12a und 12b auf. Dies führt dazu, dass auch die Verteilerfelder 23, 33 und 43 jeweils eine spiegelsymmetrische Form und Anordnung aufweisen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass die Strömungsfelder 21, 31 und 41 mit einem sehr homogenen Betriebsdruck mit dem jeweiligen Betriebsmittel versorgt werden. Die Siegelsymmetrie der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 führt zudem dazu, dass die Anodenseite 20 und Kathodenseite 30 der Bipolarplatte 10 bezüglich der Durchgangsöffnungen gleichartig ausgebildet sind. Diesbezüglich weist somit die in 3 verdeckte Anodenseite 20 die gleiche Ausgestaltung wie die dargestellte Kathodenseite 30 auf. The bipolar plate according to the invention 10 according to the in 3 illustrated embodiment has a mirror symmetry with respect to a plane of symmetry, in the longitudinal direction of the bipolar plate 10 or in the main flow direction of the flow fields 21 . 31 and 41 of the active area 11 runs. In particular, all operating medium openings have 22 . 32 and 42 a with respect to this mirror plane symmetrical shape and arrangement in the corresponding supply areas 12a and 12b on. This leads to the fact that also the distribution fields 23 . 33 and 43 each have a mirror-symmetrical shape and arrangement. As a result, this causes the flow fields 21 . 31 and 41 be supplied with the respective equipment with a very homogeneous operating pressure. The seal symmetry of the bipolar plate according to the invention 10 also causes the anode side 20 and cathode side 30 the bipolar plate 10 are formed similar with respect to the passage openings. In this regard, therefore, the in 3 concealed anode side 20 the same configuration as the illustrated cathode side 30 on.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bipolarplatte 10 führt zudem dazu, dass die Kanallängen in den Verteilerfeldern 23, 33, 43 der Versorgungsbereiche 12a und 12b gegenüber bekannten Bipolarplatten mit jeweils zwei Ports für jedes Betriebsmittel deutlich reduziert sind. Aufgrund der kürzeren Kanallängen in den Verteilerfeldern 23, 33 und 43 wird zudem ein geringerer Druckverlust der Betriebsmittel erzielt. Schließlich wird die erforderliche Fläche für die Verteilerfelder 23, 33, 43 und somit für die inaktiven Versorgungsbereiche 12a und 12b reduziert. Dies wird anhand der nachfolgenden 4 und 5, die jeweils einen inaktiven Versorgungsbereich einer herkömmlichen Bipolarplatte gemäß Stand der Technik zeigen, verdeutlicht.The inventive design of the bipolar plate 10 also causes the channel lengths in the patch panels 23 . 33 . 43 the service areas 12a and 12b compared to known bipolar plates with two ports for each resource are significantly reduced. Due to the shorter channel lengths in the distribution fields 23 . 33 and 43 In addition, a lower pressure loss of the equipment is achieved. Finally, the required area for the distributor fields 23 . 33 . 43 and thus for the inactive service areas 12a and 12b reduced. This will be explained by the following 4 and 5 , each showing an inactive supply region of a conventional bipolar plate according to the prior art, illustrates.

In 4 ist der Versorgungsbereich 12 der bekannten Bipolarplatte 10‘ mit Draufsicht auf die Kathodenseite 30 dargestellt. Die in dieser Ansicht erkennbaren 54 Kanäle des Kathodenverteilerfelds 33 verlaufen geradlinig von dem Kathodengasport 32 zu dem Kathodenströmungsfeld 31. Sie weisen eine mittlere Kanallänge von 45 mm bei einem hydraulischen Querschnitt von 0,339 mm auf. Der gesamte Druckabfall ∆p für das Kathodenbetriebsgas vom Einlass der Bipolarplatte bis zum Auslass beträgt 372 mbar, wovon der Hauptteil von 202 mbar auf das Kathodenströmungsfeld 31 im aktiven Bereich fällt und 56 mbar auf das zuführende Verteilerfeld 33 und 63 mbar auf das abführende Verteilerfeld der inaktiven Versorgungsbereiche 12 (und der Rest auf die Ports 32 etc.). In 4 is the supply area 12 the known bipolar plate 10 ' with a plan view of the cathode side 30 shown. The recognizable in this view 54 Channels of the cathode distributor field 33 run straight from the cathode gas port 32 to the cathode flow field 31 , They have a mean channel length of 45 mm with a hydraulic cross section of 0.339 mm. The total pressure drop Δp for the cathode operating gas from the inlet of the bipolar plate to the outlet is 372 mbar, the majority of which is 202 mbar to the cathode flow field 31 in the active area falls and 56 mbar on the supplying distribution panel 33 and 63 mbar to the discharging distribution field of the inactive service areas 12 (and the rest on the ports 32 Etc.).

Demgegenüber weist die Bipolarplatte 10 gemäß 3 eine mittlere Kanallänge in den Kathodenverteilerfeldern 33a und 33b von 25 mm (gegenüber 45 mm in 4) und einen Druckabfall von 25 mbar auf (gegenüber 56 mbar in 4). Zudem nehmen die erfindungsgemäßen Kathodenverteilerfelder 33a und 33b im Versorgungsbereich 12a sowie das Kathodenverteilerfeld 33c im Versorgungsbereich 12a eine Fläche ein, die jeweils um etwa 47 % gegenüber dem Kathodenverteilerfeld 33 aus 4 reduziert ist. In contrast, the bipolar plate 10 according to 3 a mean channel length in the Cathode patch panels 33a and 33b of 25 mm (as opposed to 45 mm in 4 ) and a pressure drop of 25 mbar (compared to 56 mbar in 4 ). In addition, the cathode distributor fields according to the invention take 33a and 33b in the supply area 12a and the cathode distributor field 33c in the supply area 12a one area, each about 47% from the cathode distributor field 33 out 4 is reduced.

In 5 ist der Versorgungsbereich 12 der bekannten Bipolarplatte 10‘ mit Draufsicht auf die Anodenseite 20 dargestellt. Ausgehend von dem Anodengasport 22 entspringen zunächst 27 Verteilerkanäle mit einem hydraulischen Durchmesser von 0,389 mm und einer mittleren Kanallänge von 40 mm. Ab einem Überschneidungsbereich mit den rückwärtig angeordneten Verteilerkanälen des Anodenverteilerfelds zweigen sich die Kanäle auf und ändern ihre Strömungsrichtung um 90°, um mit einer Anzahl von 54 Kanälen und einem hydraulischen Durchmesser von 0,243 mm und einer mittleren Kanallänge von 31 mm in das Anodenströmungsfeld 21 des aktiven Bereichs zu münden. Der gesamte Druckabfall ∆p für das Anodenbetriebsgas vom Einlass der Bipolarplatte bis zum Auslass beträgt 233 mbar, wovon der Hauptteil von 162 mbar auf das Anodenströmungsfeld 21 im aktiven Bereich fällt und 41 mbar auf das zuführende Verteilerfeld 23 und 21 mbar auf das abführende Verteilerfeld der inaktiven Versorgungsbereiche 12 (und der Rest auf die Ports 22 etc.). In 5 is the supply area 12 the known bipolar plate 10 ' with plan view of the anode side 20 shown. Starting from the anode gas sports 22 spring first 27 Manifolds with a hydraulic diameter of 0.389 mm and a mean channel length of 40 mm. From an overlap region with the rearwardly arranged distribution channels of the anode distributor field, the channels branch off and change their flow direction by 90 ° to a number of 54 Channels and a hydraulic diameter of 0.243 mm and a mean channel length of 31 mm into the anode flow field 21 of the active area. The total pressure drop Δp for the anode operating gas from the inlet of the bipolar plate to the outlet is 233 mbar, of which the majority is 162 mbar to the anode flow field 21 in the active area falls and 41 mbar on the feeding distribution panel 23 and 21 mbar to the discharging distribution panel of the inactive service areas 12 (and the rest on the ports 22 Etc.).

Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 gemäß 3 eine mittlere Kanallänge in den Anodenverteilerfeldern 23a und 23b und einen Druckabfall auf, die beide um ca. 50 % gegenüber der in 4 dargestellten Bipolarplatte reduziert sind. Zudem nehmen die erfindungsgemäßen Kathodenverteilerfelder 23a, 23b und 23c in den Versorgungsbereichen 12a, 12a eine Fläche ein, die deutlich gegenüber dem Anodenverteilerfeld 23 aus 5 reduziert ist. In contrast, the bipolar plate according to the invention 10 according to 3 a mean channel length in the anode distribution fields 23a and 23b and a pressure drop, both about 50% compared to in 4 shown bipolar plate are reduced. In addition, the cathode distributor fields according to the invention take 23a . 23b and 23c in the service areas 12a . 12a an area that is clearly opposite the anode distribution panel 23 out 5 is reduced.

Die in den 4 und 5 nicht sichtbaren Kühlmittelverteilerfelder 43 weisen 53 interne Kanäle auf, welche die Kühlmittelports 42 mit dem internen Kühlmittelflussfeld des aktiven Bereichs verbinden. Diese Kühlmittelkanäle weisen im ersten Verteilerbereich 12 einen hydraulischen Durchmesser von 0,370 mm und eine mittlere Kanallänge von 20 mm und im zweiten Verteilerbereich 12 einen hydraulischen Durchmesser von 0,395 mm und eine mittlere Kanallänge von 30 mm auf. Bei einer Zellspannung von 660 mV (Flussrate 0.485 l/min/Zelle) beträgt der gesamte Druckabfall ∆p für das Kühlmittel (50/50 Wasser/Ethylenglykol) vom Einlass der Bipolarplatte bis zum Auslass 582 mbar, wovon der Hauptteil von 309 mbar auf das Kühlmittelströmungsfeld 41 im aktiven Bereich fällt und jeweils 80 mbar auf das zuführende und abführende Verteilerfeld der inaktiven Versorgungsbereiche 12 (und der Rest auf die Ports 42 etc.). The in the 4 and 5 invisible coolant distributor fields 43 point 53 internal channels on which the coolant ports 42 to the internal coolant flow field of the active area. These coolant channels point in the first distributor area 12 a hydraulic diameter of 0.370 mm and a mean channel length of 20 mm and in the second distribution area 12 a hydraulic diameter of 0.395 mm and a mean channel length of 30 mm. At a cell voltage of 660 mV (flow rate 0.485 l / min / cell), the total pressure drop Δp for the coolant (50/50 water / ethylene glycol) from the inlet of the bipolar plate to the outlet is 582 mbar, of which the main part is 309 mbar coolant flow field 41 in the active area falls and in each case 80 mbar on the supplying and removing distribution field of the inactive supply areas 12 (and the rest on the ports 42 Etc.).

Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 gemäß 3 eine mittlere Kanallänge in den Kühlmittelverteilerfeldern 43a, 43b, 43c, 43d von 15 mm und einen Druckabfall von lediglich 24 mbar in jedem Versorgungsbereich 12a und 12b auf. Zudem nehmen die erfindungsgemäßen Kathodenverteilerfelder 33a und 33b im Versorgungsbereich 12a sowie das Kathodenverteilerfeld 33c im Versorgungsbereich 12a eine Fläche ein, die jeweils um etwa 47 % gegenüber dem Kathodenverteilerfeld 33 aus 4 reduziert ist. In contrast, the bipolar plate according to the invention 10 according to 3 a mean channel length in the coolant manifold fields 43a . 43b . 43c . 43d of 15 mm and a pressure drop of only 24 mbar in each supply area 12a and 12b on. In addition, the cathode distributor fields according to the invention take 33a and 33b in the supply area 12a and the cathode distributor field 33c in the supply area 12a one area, each about 47% from the cathode distributor field 33 out 4 is reduced.

Zusammenfassend ist festzustellen, das die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 eine um etwa 50 % reduzierte Kanallänge innerhalb der Verteilerfelder für die Betriebsmittel (Kathodengas, Anodengas und Kühlmittel) sowie einen in diesen Bereichen ebenfalls um etwa 50 % reduzierten Druckabfall aufweist. Dies ermöglicht höhere Flussraten im aktiven Bereich und damit höhere Leistungen der Brennstoffzelle beziehungsweise eine Verringerung der erforderlichen Förderenergie. In summary, it should be noted that the bipolar plate according to the invention 10 a reduced by about 50% channel length within the distribution panels for the resources (cathode gas, anode gas and coolant) and also in these areas has reduced by about 50% pressure drop. This allows higher flow rates in the active area and thus higher performance of the fuel cell or a reduction in the required delivery energy.

Zudem ist die für die Verteilerfelder 23, 33 und 43 erforderliche Fläche innerhalb der inaktiven Verteilerbereiche 12a, 12b ebenfalls um etwa 50 % gegenüber herkömmlichen Bipolarplatten reduziert. Diese Flächenreduzierung wird zwar zu einem gewissen Anteil von einem erhöhten Platzbedarf für Dichtungen für die höhere Anzahl von Betriebsmittelports 22, 32, 42 kompensiert. Jedoch verbleibt noch immer eine große Flächenreduzierung, die zu einem reduzierten Bauraum, Gewicht und Material für die Bipolarplatte sowie auch für die mit dieser flächenmäßig korrespondierenden Membran-Elektroden-Einheit führt. In addition, that is for the distribution fields 23 . 33 and 43 required area within the inactive distribution areas 12a . 12b also reduced by about 50% compared to conventional bipolar plates. Although this area reduction is to a certain extent increased space requirements for seals for the higher number of resource ports 22 . 32 . 42 compensated. However, there still remains a large reduction in area, which leads to a reduced space, weight and material for the bipolar plate as well as for the area corresponding to this membrane-electrode unit.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Brennstoffzelle fuel cell
10 10: Bipolarplatte bipolar
10‘ 10 ': Bipolarplatte gemäß Stand der Technik Bipolar plate according to the prior art
50 50: Membran-Elektroden-Einheit Membrane-electrode assembly
51 51: Polymerelektrolytmembran Polymer electrolyte membrane
52 52: Elektrode / Anode Electrode / anode
53 53: Elektrode / Kathode Electrode / cathode
54 54: Stützschicht backing
55 55: Gasdiffusionslage Gas diffusion layer
60 60: Dichtung poetry
11 11: aktiver Bereich active area
12a, 12b 12a, 12b: inaktiver Versorgungsbereich inactive supply area
20 20: Anodenseite anode side
21 21: Anodengasströmungsfeld Anode gas flow field
22a, 22b, 22c 22a, 22b, 22c: Anodengasports Anode gas ports
23a, 23b, 23c, 23d 23a, 23b, 23c, 23d: Anodengasverteilerfelder Anode gas distribution panels
30 30: Kathodenseite cathode side
31 31: Kathodengasströmungsfeld Cathode gas flow field
32a, 32b, 32c 32a, 32b, 32c: Kathodengasports Cathode gas ports
33a, 33b, 33c, 33d 33a, 33b, 33c, 33d: Kathodengasverteilerfelder Cathode gas distribution panels
41 41: Kühlmittelströmungsfeld Coolant flow field
42a, 42b, 42c 42a, 42b, 42c: Kühlmittelports Coolant ports
43a, 43b, 43c, 43d 43a, 43b, 43c, 43d: Kühlmittelverteilerfelder Coolant distribution panels

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2006/0127706 A1 [0005, 0044]
DE 102007008214 A1 [0005]
US 2007/0202383 A1 [0008]
DE 102013210542 [0009]

Claims

Bipolar plate ( 10 ) for a fuel cell ( 100 ) comprising an anode side ( 20 ) and a cathode side ( 30 ), wherein the bipolar plate ( 10 ) with respect to a view of the anode or cathode side ( 20 . 30 ): - an active area ( 11 ), the anode side an anode gas flow field ( 21 ) and on the cathode side, a cathode gas flow field ( 31 ) and an internal coolant flow field ( 41 ), - supply areas ( 12a . 12b ), comprising - resource passages ( 22 . 32 . 42 ), namely anode gasports ( 22a . 22b ) for the supply and discharge of an anode gas, cathode gas port ( 32a . 32b ) for the supply and discharge of a cathode gas, and coolant port ( 42a . 42b ) for the supply and discharge of a coolant, - distribution fields ( 23 . 33 . 43 ), namely anode gas distribution fields ( 23 ), each with one of the anode gas ports ( 22a . 22b ) and the anode gas flow field ( 21 ) are fluidly connected; Cathode gas distributor fields ( 33 ), each with one of the cathode gas ports ( 32a . 32b ) and the cathode gas flow field ( 31 ) are fluidly connected; and coolant distribution fields ( 43 ), each with one of the coolant ports ( 42a . 42b ) as well as the coolant flow field ( 41 ) are fluidically connected, characterized in that the supply areas ( 12a . 12b ) at least one further equipment through-opening ( 22c . 32c . 42c ) and the anode gas flow field ( 21 ) and / or the cathode gas flow field ( 31 ) and / or the coolant flow field ( 41 ) with at least three of the corresponding ports ( 22 . 32 . 42 ) is fluidly connected, so that the corresponding flow field ( 21 . 31 . 41 ) with at least two resources feeding ports ( 22 . 32 . 42 ) and at least one resource laxative port ( 22 . 32 . 42 ) or with at least one resource supplying port ( 22 . 32 . 42 ) and at least two resources laxative ports ( 22 . 32 . 42 ) connected is.

Bipolar plate ( 10 ) according to claim 1, characterized in that a first subsection ( 31a ) of the anode gas flow field ( 21 ) and / or the cathode gas flow field ( 31 ) and / or the coolant flow field ( 41 ) with another port ( 22 . 32 . 42 ) fluidly connected as a second subsection ( 31b ) of the same flow field ( 21 . 31 . 41 ).

Bipolar plate ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the anode gas flow field ( 21 ) and / or the cathode gas flow field ( 31 ) and / or the coolant flow field ( 41 ) with at least two resources feeding ports ( 22 . 32 . 42 ) and at least one resource laxative port ( 22 . 32 . 42 ) connected is.

Bipolar plate ( 10 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that each of the flow fields ( 21 . 31 . 41 ) independently of each other, each with at least three ports ( 22 . 32 . 42 ), in particular each of the flow fields ( 21 . 31 . 41 ) independently with three or four ports ( 22 . 32 . 42 ) connected is.

Bipolar plate ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate ( 10 ) two service areas ( 12a . 12b ), which on opposite sides of the bipolar plate ( 10 ) and a first service area ( 12a ) four or five ports ( 22 . 32 . 42 ) and a second service area ( 12b ) five ports ( 22 . 32 . 42 ) having.

Bipolar plate ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that two of the same resources and in the same supply area ( 12a . 12b ) ( 22a . 22b . 32a . 32b . 42a . 42b ) in corner areas and / or on side edges of this coverage area ( 12a . 12b ) and a port communicating with these ports ( 22 . 32 . 42 ) in a central portion of an opposing service area ( 12a . 12b ) is arranged.

Bipolar plate ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a in a central portion of a supply area ( 12a . 12b ) port ( 22 . 32 . 42 ) at least two of the active area ( 11 ) having mutually different orientations, so that the distribution fields ( 23 . 33 . 43 ) of the supply area ( 12a . 12b ) with different sections of the corresponding flow field ( 21 . 31 . 41 ) are connected.

Bipolar plate ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supply areas ( 12a . 12b ) in a fuel cell stack ( 100 ) installed state are electrochemically inactive.

Bipolar plate ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ports ( 22 . 32 . 42 ) at least one service area ( 12a . 12b ) one with respect to a main flow direction of flow fields ( 21 . 31 . 41 ) of the active area ( 11 ) mirror plane mirror-symmetrical arrangement and shape.

Fuel cell stack ( 100 ) comprising at least two bipolar plates ( 10 ) after one of the Claims 1 to 9 and a membrane electrode assembly (between them 50 ).