DE102016121954A1 - Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle - Google Patents
Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle Download PDFInfo
- Publication number
- DE102016121954A1 DE102016121954A1 DE102016121954.1A DE102016121954A DE102016121954A1 DE 102016121954 A1 DE102016121954 A1 DE 102016121954A1 DE 102016121954 A DE102016121954 A DE 102016121954A DE 102016121954 A1 DE102016121954 A1 DE 102016121954A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- distribution
- bipolar plate
- plate
- structures
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Abstract
Um eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle mit einer Anodenplatte (12) und einer Kathodenplatte (10), jeweils einen aktiven Bereich (AA) sowie zwei inaktive Bereiche (IA) aufweisend, wobei in den inaktiven Bereichen (IA) jeweils ein Versorgungsbereich (SA) mit jeweils zwei Hauptgasports (24, 26) und jeweils ein Kühlmittelhauptport (28) sowie jeweils ein Verteilbereich (DA) zur Anbindung der Hauptgasports (24, 26) und des Kühlmittelhauptports (28) an den aktiven Bereich (AA) angeordnet sind, bereitzustellen, die einen verbesserten Gleichdruck der Betriebsmedien bietet, wird vorgeschlagen, dass die Verteilbereiche (DA) für jedes Betriebsmedium über eine Verteilstruktur (30, 34, 38) verfügen, die eine Längs- und Querströmung des jeweiligen Betriebsmediums erlauben, wobei maximal zwei Verteilstrukturen (30, 34, 38) ganz oder teilweise übereinander angeordnet sind.Weiterhin werden ein Brennstoffzellenstapel und ein Kraftfahrzeug offenbart.A bipolar plate (10) for a fuel cell with an anode plate (12) and a cathode plate (10), each having an active region (AA) and two inactive regions (IA), wherein in the inactive regions (IA) in each case a supply region ( SA), each with two main gas ports (24, 26) and one main coolant port (28) and one distribution area (DA) for connecting the main gas ports (24, 26) and the main coolant port (28) to the active area (AA), It is proposed that the distribution regions (DA) for each operating medium have a distribution structure (30, 34, 38) which permits longitudinal and transverse flow of the respective operating medium, with a maximum of two distribution structures ( 30, 34, 38) are arranged completely or partially above one another. Furthermore, a fuel cell stack and a motor vehicle are disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, jeweils einen aktiven Bereich sowie zwei inaktive Bereiche aufweisend, wobei in den inaktiven Bereichen jeweils ein Versorgungsbereich mit jeweils zwei Hauptgasports zur Zu- und Abführung von Reaktionsgasen und jeweils einen Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel sowie jeweils ein Verteilbereich zur Anbindung der Hauptgasports und des Kühlmittelhauptports an den aktiven Bereich angeordnet sind, wobei die Anodenplatte und die Kathodenplatte derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass auf den voneinander abgewandten Seiten die Reaktionsgase und zwischen den einander zugewandten Seiten das Kühlmittel führbar ist, einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell with an anode plate and a cathode plate, each having an active area and two inactive areas, wherein in the inactive areas each have a supply area with two main gas ports for supply and removal of reaction gases and a respective coolant main port to - And discharge of coolant and each a distribution region for connection of the main gas ports and the coolant main port are arranged on the active region, wherein the anode plate and the cathode plate are formed and arranged one above the other, that on the opposite sides of the reaction gases and between the facing sides the coolant is feasible, a fuel cell stack and a motor vehicle.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2H+ + 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 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 (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + 02- → H2O). Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt unter anderem aufgrund der gegenüber von Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane-electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode disposed on both sides of the membrane (anode and cathode). During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 → 2H + + 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 the protons H + from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen takes place with absorption of the electrons (½ 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 + + 0 2- → H 2 O). The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency. The cathode reaction is, inter alia, due to the lower compared to hydrogen diffusion rate of oxygen, the rate-limiting element of the fuel cell reaction.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen und Kühlkanäle zur Abführung von Wärme aufweist. Bipolarplatten bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane-electrode arrangements whose electrical powers add up. Between two membrane electrode assemblies of a fuel cell stack, a respective bipolar plate is arranged, which has channels for supplying the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and cooling channels for dissipating heat. Bipolar plates are made of an electrically conductive material to make the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply of the membrane-electrode assemblies, the cooling and the electrical connection.
Bipolarplatten haben verschiedene Bereiche, die in einer Hauptströmungsrichtung der Prozessgase hintereinander angeordnet sind. Dies sind zunächst die Hauptkanäle oder Fluidports, über welche die Reaktanten und/oder das Kühlmittel zugeführt werden. Dann schließt sich ein Einströmbereich an, der zu einer Verteilstruktur überleitet. Die Verteilstruktur verteilt die Fluide, die dann einem Flussfeld zugeführt werden, wo die oben beschriebenen chemischen Reaktionen stattfinden.Bipolar plates have different regions arranged one behind the other in a main flow direction of the process gases. These are first the main channels or fluid ports through which the reactants and / or the coolant are supplied. This is followed by an inflow region, which leads to a distribution structure. The distribution structure distributes the fluids, which are then fed to a flow field where the chemical reactions described above take place.
Im Bereich der Verteilstruktur werden üblicherweise alle Betriebsmedien übereinander geführt, wobei die sich daraus ergebende Grundform beispielsweise ein Dreieck darstellt. In dieser dreieckigen Form werden die Medien über gerichtete Kanäle geleitet, um das Flussfeld über die gesamte Breite mit den Betriebsmedien zu versorgen.In the area of the distribution structure, usually all operating media are routed one above the other, with the resulting basic form representing, for example, a triangle. In this triangular shape, the media are directed through directional channels to provide the flow field with the operating media across its entire width.
Es sind aber auch andere Verteilstrukturen bekannt, so wird in der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte bereitzustellen, die einen verbesserten Gleichdruck der Betriebsmedien bietet.The invention is based on the object of providing a bipolar plate which offers an improved constant pressure of the operating media.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1, einen Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 9 beziehungsweise ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a bipolar plate according to claim 1, a fuel cell stack according to claim 9 or a motor vehicle according to
Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte bereitgestellt, die jeweils einen aktiven Bereich sowie zwei inaktive Bereiche aufweisen, wobei in den inaktiven Bereichen jeweils ein Versorgungsbereich mit jeweils zwei Hauptgasports zur Zu- und Abführung von Reaktionsgasen und jeweils einen Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel sowie jeweils ein Verteilbereich zur Anbindung der Hauptgasports und des Kühlmittelhauptports an den aktiven Bereich angeordnet sind. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte sind derart ausgebildet und übereinander angeordnet, dass auf den voneinander abgewandten Seiten die Reaktionsgase und zwischen den einander zugewandten Seiten das Kühlmittel führbar ist beziehungsweise jeweils ein entsprechender Strömungsbereich vorgesehen ist. Erfindungsgemäß verfügen die Verteilbereiche für jedes Betriebsmedium über eine Verteilstruktur, wobei maximal zwei Verteilstrukturen ganz oder teilweise übereinander angeordnet sind.There is provided a bipolar plate for a fuel cell having an anode plate and a cathode plate, each having an active region and two inactive regions, wherein in the Inactive areas each have a supply area each with two main gas ports for supply and removal of reaction gases and a main coolant port for supplying and discharging coolant and each a distribution area for connecting the main gas ports and the coolant main port are arranged on the active area. The anode plate and the cathode plate are formed and arranged one above the other so that on the opposite sides of the reaction gases and between the facing sides, the coolant is feasible or in each case a corresponding flow region is provided. According to the invention, the distribution areas for each operating medium have a distribution structure, wherein a maximum of two distribution structures are arranged completely or partially above one another.
Die Erfindung betrifft daher im Wesentlichen die Ausgestaltung der Verteilstrukturen, das heißt deren Form und Lage zueinander, sowie davon abhängig gegebenenfalls Zuführkanäle von den Hauptkanälen zur jeweiligen Verteilstruktur und von Brückenkanälen, die die entsprechende Verteilstruktur über zwei andere, übereinander angeordnete Verteilstrukturen hinweg an das Flussfeld anbinden.The invention therefore relates essentially to the configuration of the distribution structures, that is to their shape and position relative to one another, and optionally to feed channels from the main channels to the respective distribution structure and bridge channels, which connect the corresponding distribution structure to the flow field via two other distribution structures arranged one above the other ,
Die Dimensionen der drei Verteilstrukturen und die Lage der Verteilstrukturen zueinander sind dabei vorteilhafterweise nahezu frei wählbar, sodass der üblicherweise gegebene Zielkonflikt aus minimaler Zelllänge oder Bauvolumen und ausreichender Gleichverteilung der Betriebsmedien effizient gelöst werden kann.The dimensions of the three distribution structures and the position of the distribution structures to each other are advantageously almost freely selectable, so that the usually given conflict of objectives of minimum cell length or volume and sufficient uniform distribution of the operating media can be solved efficiently.
In Abhängigkeit der Dimensionen der Verteilstrukturen erfolgt die Dimensionierung der Zuführ- und Brückenkanäle. In den Zuführkanälen kann gegebenenfalls ein Versatz vorgesehen sein, um Höhendifferenzen zur Verteilstruktur auszugleichen. Im Bereich der Brückenkanäle können eine oder beide der darunter beziehungsweise darüber befindlichen Verteilstrukturen eine reduzierte Höhe aufweisen, um eine einheitliche Bauhöhe der Bipolarplatte zu erhalten.Depending on the dimensions of the distribution structures, the dimensioning of the feed and bridge channels takes place. Optionally, an offset may be provided in the feed channels to compensate for differences in height to the distribution structure. In the area of the bridge channels, one or both of the distribution structures located underneath or above can have a reduced height in order to obtain a uniform overall height of the bipolar plate.
Nach einer Ausführungsform können auch die Verteilstrukturen direkt an den Hauptversorgungskanälen (Ports) anliegen.According to one embodiment, the distribution structures can also be applied directly to the main supply channels (ports).
Die Verteilstrukturen können als gerichtete Struktur, beispielsweise in Form von Kanälen oder offenen Strukturen, die eine Längs- und Querströmung, beispielsweise in Form von Noppen oder dergleichen, oder als eine Kombination daraus ausgebildet sein, wobei naturgemäß zu berücksichtigen ist, ob es sich um Verteilstrukturen für die Reaktionsgase oder das Kühlmittel handelt.The distribution structures may be designed as a directed structure, for example in the form of channels or open structures, which may be a longitudinal and transverse flow, for example in the form of knobs or the like, or as a combination thereof, whereby it must of course be taken into account whether they are distribution structures for the reaction gases or the coolant.
Verteilstrukturen, die eine Längs- und Querströmung erlauben und nicht über die vorgenannte Dreiecksstruktur, in der alle Medien übereinander geführt werden, verfügen, sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der
Die Verteilstrukturen aller Betriebsmedien weisen vorzugsweise eine rechteckige Grundform auf, da dies aus fertigungstechnischen Gründen und im Hinblick auf eine besonders einfache Optimierbarkeit besonders vorteilshaft ist.The distribution structures of all operating media preferably have a rectangular basic shape, since this is particularly advantageous for manufacturing reasons and with regard to a particularly simple optimizability.
Rechteckige Grundform der Verteilstrukturen bedeutet, dass dies der zur Verteilung des jeweiligen Betriebsmediums zur Verfügung gestellte Raum ist, der jedoch nicht zwangsweise vollständig ausgenutzt werden muss. So ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass die Verteilstrukturen andere geometrische Formen aufweisen, um bei entsprechenden Brennstoffzellkonzepten die Zuführung der Betriebsmedien bedarfsgerecht steuern zu können.Rectangular basic form of the distribution structures means that this is the space provided for the distribution of the respective operating medium, which, however, does not necessarily have to be fully utilized. Thus, it is also possible according to the invention for the distribution structures to have other geometric shapes in order to be able to control the supply of the operating media as required in the case of corresponding fuel cell concepts.
Zur bedarfsgerechten Steuerung der Zuführung der Betriebsmedien gehört es auch, dass die Verteilstrukturen unterschiedliche Strömungsquerschnitte und/oder Höhen aufweisen.For demand-controlled control of the supply of the operating media, it is also important that the distribution structures have different flow cross sections and / or heights.
Dies gilt im Vergleich der Verteilstrukturen untereinander und auch für die einzelne Verteilstruktur, die in Abhängigkeit der Anordnung in Relation zu den anderen Verteilstrukturen, unterschiedliche Strömungsquerschnitte und/oder Höhen aufweisen kann. Eine entsprechende Höhenanpassung im Bereich der Brückenkanäle wurde voranstehend bereits beschrieben.This applies in comparison of the distribution structures with each other and also for the individual distribution structure, which may have different flow cross sections and / or heights depending on the arrangement in relation to the other distribution structures. A corresponding height adjustment in the area of the bridge channels has already been described above.
Bevorzugter Weise erstrecken sich die Verteilstrukturen aller Betriebsmedien jeweils über die gesamte Breite des aktiven Bereichs, um eine gleichmäßige Versorgung ohne Druckdifferenzen des aktiven Bereichs zu gewährleisten.Preferably, the distribution structures of all operating media each extend over the entire width of the active area in order to ensure a uniform supply without pressure differences of the active area.
Die Anordnung der jeweiligen Verteilstrukturen kann vorzugsweise einen unterschiedlichen Abstand zum Versorgungsbereich und zum Verteilungsbereich aufweisen, um vorteilhafterweise die Verteilstrukturen bedarfsgerecht auszugestalten. So liegt nach einer bevorzugten Ausführungsform die Verteilstruktur für das Anodengas näher an dem aktiven Bereich als die Verteilstrukturen für das Kathodengas und das Kühlmittel, weil die Anode den geringsten Massenstrom erfordert. Daraus ergeben sich die geringste Breite der entsprechenden Zuführkanäle und die geringste Breite der Höheneinschränkung der Kühlmittel-Verteilstruktur im Vergleich zu den Ausgestaltungen für die anderen Betriebsmedien.The arrangement of the respective distribution structures may preferably have a different distance to the supply area and to the distribution area in order to advantageously design the distribution structures as needed. Thus, in a preferred embodiment, the anode gas distribution structure is closer to the active region than the cathode gas and coolant distribution structures because the anode requires the lowest mass flow. This results in the smallest width of the corresponding feed channels and the smallest width of the height restriction of the coolant distribution structure compared to the configurations for the other operating media.
So wird die konstante Bauraumhöhe in einem ersten Abschnitt zur Gleichverteilung von Luft und Kühlmittel genutzt. In einem zweiten Abschnitt wird die Höhe zur Gleichverteilung von Anodengas sowie Zuführung von Luft/Kühlmittel zum aktiven Bereich genutzt. Thus, the constant space height is used in a first section for uniform distribution of air and coolant. In a second section, the height is used for equal distribution of anode gas and supply of air / coolant to the active area.
Die Verbindung von den Hauptports von einem oder zwei Medien zur jeweiligen Verteilstruktur ist durch relativ lange Zuführkanäle gebildet. Dadurch kann, wie bereits beschrieben, eine Höheneinschränkung der Verteilstruktur eines anderen Mediums erforderlich werden. Diese Verengung führt zu geringer Durchströmung des aktiven Bereiches auf der entsprechenden Breite. Handelt es sich bei dem eingeschränkten Medium um das Kühlmedium, so kann dieser Effekt vorteilhaft sein, da er eine zweite Temperaturzone im Randbereich des aktiven Bereichs ermöglicht oder der Auskühlung dieses an die Umgebung angrenzenden Bereiches entgegenwirkt. Dies kann auch auf beiden Seiten des aktiven Bereichs vorgesehen sein.The connection from the main ports of one or two media to the respective distribution structure is formed by relatively long feed channels. As a result, as already described, a height restriction of the distribution structure of another medium may become necessary. This constriction leads to low flow through the active area on the corresponding width. If the restricted medium is the cooling medium, this effect can be advantageous since it allows a second temperature zone in the edge region of the active region or counteracts the cooling of this region adjacent to the environment. This can also be provided on both sides of the active area.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte bietet eine Vielzahl von Vorteilen:An inventive embodiment of a bipolar plate offers a number of advantages:
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Bipolarplatte besteht in der Eignung zur computergestützten Optimierung (virtual engineering) der einzelnen Strukturen und zwar unabhängig von der Ausgestaltung der Strukturen der anderen Betriebsmedien. So werden möglichst große Optimierungspotenziale bereits in früheren Phasen des Entwicklungsprozesses einer Bipolarplatte, die erfindungsgemäß konzipiert ist, gehoben (front loading).A significant advantage of the bipolar plate according to the invention is the suitability for computer-aided optimization (virtual engineering) of the individual structures, regardless of the configuration of the structures of the other operating media. Thus, the greatest possible optimization potentials are already raised in earlier phases of the development process of a bipolar plate which is designed according to the invention (front loading).
Die Entwicklung einer Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel erfordert die Berücksichtigung von sehr vielen Anforderungen gleichzeitig. Insbesondere steht eine ideale Medienversorgung des aktiven Bereichs den Package-, Material- und Fertigungsrestriktionen gegenüber. Daher ist ein geeignetes Zellenkonzept immer ein Kompromiss aus den verschiedenen Entwicklungszielen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte kann der Entwicklungsprozess vorteilhafterweise stärker als bisher nach dem Stand der Technik in Sequenzen unterteilt werden, um so einzelne Anforderungen nacheinander optimieren zu können.The development of a fuel cell for a fuel cell stack requires the consideration of many requirements simultaneously. In particular, an ideal media supply of the active area faces the package, material and manufacturing restrictions. Therefore, a suitable cell concept is always a compromise of the various development goals. Due to the configuration of a bipolar plate according to the invention, the development process can advantageously be subdivided into sequences more intensively than hitherto according to the prior art in order to be able to optimize individual requirements one after the other.
Durch den parametrischen Aufbau und den Einsatz rechteckiger Grundformen: für die Verteilstrukturen kann vorteilhafterweise eine Variantenerzeugung innerhalb kurzer Zeitspannen erfolgen, die problemlos weiter optimierbar sind.Due to the parametric structure and the use of rectangular basic shapes: for the distribution structures can advantageously be a variant generation within short periods of time, which can be easily further optimized.
Der Prozess für das Design der Brennstoffzelle geht dabei zuerst von der Auslegung des aktiven Bereichs aus und nachfolgend von den erforderlichen Verteilstrukturen und letztendlich von der Dimensionierung der Hauptversorgungskanäle (Ports) aus.The process for the design of the fuel cell starts first from the design of the active area and then from the required distribution structures and ultimately from the dimensioning of the main supply channels (ports).
Zur Optimierung werden fünf Domains für die Berechnung von den drei Fluidräumen von Anoden- und Kathodenplatte erzeugt und mittels CFD (computational fluid dynamics, numerische Strömungsdynamik) und FEM (Finite-Elemente-Methode) untersucht.For optimization, five domains for the computation of the three fluid spaces of anode and cathode plates are generated and investigated by CFD (Computational Fluid Dynamics) and FEM (Finite Element Method).
Die rechteckige Grundform der Brennstoffzelle bleibt vorteilhafterweise bei Einsatz der Erfindung erhalten. Zusätzlich wird erreicht, dass der Zuschnitt der kostenintensiven Halbzeuge CCM (catalyst coated membrane) und GDL (gas diffusion layer) ebenfalls rechteckig erfolgen kann, was vorteilhafterweise den Verschnitt und damit die Herstellkosten deutlich reduziert.The rectangular basic shape of the fuel cell is advantageously retained when using the invention. In addition, it is achieved that the blank of the cost-intensive semi-finished products CCM (catalyst coated membrane) and GDL (gas diffusion layer) can also be made rectangular, which advantageously significantly reduces the waste and thus the production costs.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte bietet eine hohe Bauraum-Effizienz, da die Verteilstrukturen hintereinander zwischen dem Versorgungsbereich und dem aktiven Bereich angeordnet sind, sodass die einzelne Verteilstruktur jeweils eine größere Höhe bei Gleichdruck über die Breite der Bipolarplatte aufweist als Verteilstrukturen nach dem Stand der Technik.The bipolar plate according to the invention offers a high space efficiency, since the distribution structures are arranged one behind the other between the supply area and the active area, so that the individual distribution structure each has a greater height at constant pressure across the width of the bipolar plate than distribution structures according to the prior art.
Durch die Variation der Höhe der Verteilstrukturen für das Kühlmittel lässt sich vorteilhafterweise ein zweiter Temperaturbereich (geringere Durchströmung) am Rand (auch beidseitig) des aktiven Bereichs darstellen, der einer zu starken Auskühlung des Randes vorbeugt und zudem in diesem Bereich eine Kondensationsneigung von Wasser reduziert.By varying the height of the distribution structures for the coolant can advantageously be a second temperature range (lower flow) at the edge (also on both sides) of the active area, which prevents excessive cooling of the edge and also reduces in this area a tendency to condensation of water.
Es erfolgt eine besonders effektive Verteilung des Kathodengases durch eine große Überdeckung der Verteilstruktur.There is a particularly effective distribution of the cathode gas by a large coverage of the distribution structure.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bipolarplatte eignet sich vorteilhafterweise für verschiedene Grundformen einer Bipolarplatte und einer darauf basierenden Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels. So ist es nicht relevant, ob diese eher „lang und schmal“ für eine Anordnung im Unterflurbereich eines Fahrzeuges oder für einen Doppelstapel oder eher „kurz und breit“ für eine Anordnung im Vorderwagenbereich eines Fahrzeuges sein sollen.The embodiment of a bipolar plate according to the invention is advantageously suitable for various basic forms of a bipolar plate and a fuel cell or a fuel cell stack based thereon. So it is not relevant, whether they are rather "long and narrow" for an arrangement in the underfloor area of a vehicle or for a double stack or rather "short and wide" for an arrangement in the front area of a vehicle.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 in vier Draufsichten beide Seiten einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, -
2 in zwei schematischen Ansichten von entgegengesetzten Seiten die Fluidräume der Betriebsmedien der erfindungsgemäßen Bipolarplatte -
3 in drei schematischen Ansichten jeweils ein Fluidraum für ein Betriebsmedium, -
4 in zwei schematischen, perspektivischen Detailansichten die Fluidräume für die drei Betriebsmedien der erfindungsgemäßen Bipolarplatte, und -
5 in zwei schematischen, perspektivischen Detailansichten die Fluidräume für drei Betriebsmedien der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nach4 , wobei diese für das Anodengas nur teilweise wiedergegeben sind.
-
1 in both plan views both sides of a cathode plate and an anode plate of a bipolar plate according to the invention, -
2 in two schematic views from opposite sides of the fluid spaces of the operating media of the bipolar plate according to the invention -
3 in three schematic views in each case a fluid space for a working medium, -
4 in two schematic, perspective detailed views of the fluid spaces for the three operating media of the bipolar plate according to the invention, and -
5 in two schematic, perspective detailed views of the fluid spaces for three operating media of the bipolar plate according to the invention4 , which are only partially reproduced for the anode gas.
In
Hingegen zeigt
Die Fluidräume für das Kathodengas sind auf der der Anodenplatte
Die Fluidräume sind entsprechend den Anforderungen in den unterschiedlichen Bereichen verschieden ausgestaltet, wie nachstehend beschrieben.The fluid spaces are configured differently according to the requirements in the different areas, as described below.
Die Kathodenplatte
Innerhalb der Versorgungsbereiche
Nachstehende Ausführungen beziehen sich immer auf beide inaktiven Bereiche
Jedes Betriebsmedium weist eine spezifische Verteilstruktur
In
Wie ersichtlich, werden die Dimensionierung der Verteilstrukturen
In den
Die Verteilstruktur
Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform, können die Betriebsmedien auch vertauscht werden, sodass beispielsweise die Dimensionierung und Anordnung der Strukturen für das Kathodengas der Dimensionierung und Anordnung der Strukturen für das Anodengas entspricht und umgekehrt.In the embodiment shown in the figures, the operating media can also be reversed, so that, for example, the dimensioning and arrangement of the structures for the cathode gas of the dimensioning and arrangement of the structures for the anode gas corresponds and vice versa.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Kathodenplattecathode plate
- 1212
- Anodenplatteanode plate
- 14a14a
- von der Anodenplatte abgewandte Seite der Kathodenplattefrom the anode plate side facing away from the cathode plate
- 14b14b
- von der Kathodenplatte abgewandte Seite der Anodenplattefrom the cathode plate side facing away from the anode plate
- 16a16a
- der Anodenplatte zugewandte Seite der Kathodenplattethe anode plate facing side of the cathode plate
- 16b16b
- der Kathodenplatte zugewandte Seite der Anodenplattethe cathode plate facing side of the anode plate
- 18, 11818, 118
- Flussfeldflow field
- 20, 20a, 20b20, 20a, 20b
- gestrichelte Liniedashed line
- 22, 22a, 22b22, 22a, 22b
- gestrichelte Liniedashed line
- 24, 12424, 124
- AnodengashauptportAnode gas main port
- 26, 12626, 126
- KathodengashauptportCathode gas main port
- 28, 12828, 128
- KühlmittelhauptportCoolant main port
- 30, 13030, 130
- Verteilstruktur für KathodengasDistribution structure for cathode gas
- 32, 13232, 132
- Zuführkanälesupply channels
- 34, 13434, 134
- Verteilstruktur für AnodeDistribution structure for anode
- 36, 13636, 136
- Verbindungskanäleconnecting channels
- 38, 138 38, 138
- Verteilstruktur für KühlmittelDistribution structure for coolant
- 40, 14040, 140
- Verbindungskanäleconnecting channels
- 142142
- Absatzparagraph
- 144144
- Versatzoffset
- 146146
- Versatzoffset
- 148148
- Versatz offset
- X, YX, Y
- Raumrichtungspatial direction
- AAAA
- Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)Active area (reaction area, active area)
- IAIA
- Inaktiver Bereich (inactive area)Inactive area
- SASA
- Versorgungsbereich (supply area)Supply area
- DATHERE
- Verteilbereich (distribution area)Distribution area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2015150524 A1 [0006, 0015]WO 2015150524 A1 [0006, 0015]
Claims (10)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016121954.1A DE102016121954A1 (en) | 2016-11-15 | 2016-11-15 | Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle |
CN201711128987.5A CN108075151B (en) | 2016-11-15 | 2017-11-15 | Bipolar plate, fuel cell stack and motor vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016121954.1A DE102016121954A1 (en) | 2016-11-15 | 2016-11-15 | Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102016121954A1 true DE102016121954A1 (en) | 2018-05-17 |
Family
ID=62026579
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102016121954.1A Pending DE102016121954A1 (en) | 2016-11-15 | 2016-11-15 | Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108075151B (en) |
DE (1) | DE102016121954A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020101289A1 (en) | 2020-01-21 | 2021-07-22 | Audi Aktiengesellschaft | Fuel cell plate |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007051817A1 (en) * | 2006-11-03 | 2008-05-21 | GM Global Technology Operations, Inc., Detroit | Seal with folded edge for lower-cost fuel cell |
DE102014009814A1 (en) * | 2013-07-05 | 2015-04-02 | Daimler Ag | Porous inserts for improved coolant distribution in fuel cell bipolar plate assemblies |
WO2015150524A1 (en) | 2014-04-02 | 2015-10-08 | Volkswagen Ag | Bipolar plate, fuel cell, and motor vehicle |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2437767B (en) * | 2006-05-05 | 2010-11-17 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid distribution plates |
WO2013042283A1 (en) * | 2011-09-21 | 2013-03-28 | パナソニック株式会社 | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system provided with same |
FR2997562B1 (en) * | 2012-10-30 | 2017-01-13 | Michelin & Cie | BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL |
GB2509317A (en) * | 2012-12-27 | 2014-07-02 | Intelligent Energy Ltd | Fluid flow plate for a fuel cell |
DE102014205081A1 (en) * | 2014-03-19 | 2015-09-24 | Volkswagen Aktiengesellschaft | fuel cell |
-
2016
- 2016-11-15 DE DE102016121954.1A patent/DE102016121954A1/en active Pending
-
2017
- 2017-11-15 CN CN201711128987.5A patent/CN108075151B/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007051817A1 (en) * | 2006-11-03 | 2008-05-21 | GM Global Technology Operations, Inc., Detroit | Seal with folded edge for lower-cost fuel cell |
DE102014009814A1 (en) * | 2013-07-05 | 2015-04-02 | Daimler Ag | Porous inserts for improved coolant distribution in fuel cell bipolar plate assemblies |
WO2015150524A1 (en) | 2014-04-02 | 2015-10-08 | Volkswagen Ag | Bipolar plate, fuel cell, and motor vehicle |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020101289A1 (en) | 2020-01-21 | 2021-07-22 | Audi Aktiengesellschaft | Fuel cell plate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108075151B (en) | 2020-12-18 |
CN108075151A (en) | 2018-05-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102015224994A1 (en) | Bipolar plate structure for fuel cells | |
EP1830426B1 (en) | Bipolar plate, in particular for the fuel cell pack of a vehicle | |
DE10041532A1 (en) | Fuel cell stack has burner gas feed/outlet line and feed/outlet line carrying gas containing oxygen feeding gas containing combustible gas or oxygen to each fuel cell unit in stack | |
DE102016213057A1 (en) | Method for producing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell | |
EP3740992B1 (en) | Bipolar plate, fuel cell, and motor vehicle | |
DE10066454B4 (en) | Fuel cell stack built into an automobile | |
DE102013216587B4 (en) | Geometry of a highly efficient media distributor for an electrolysis cell and an electrolysis stack | |
DE102008056900A1 (en) | Bipolar plate for a fuel cell assembly, in particular for the arrangement between two adjacent membrane-electrode assemblies in a fuel cell stack | |
DE102014210358A1 (en) | FUEL CELL STACK WITH A DUMMY CELL | |
DE102015214517A1 (en) | A bipolar plate and membrane electrode assembly for a fuel cell, fuel cell and fuel cell stack disposed in a fuel cell stack | |
DE102014006749A1 (en) | Flow field plate for improved coolant flow | |
DE102015215231A1 (en) | Bipolar plate and fuel cell system with such | |
DE102006056468A1 (en) | Bipolar plate for fuel cell stack, has shaped parts provided with lining grooves that lie opposite to each other, where lining grooves exhibit floor spaces that are arranged together under formation of gap that serve as flow channel | |
DE102014206336A1 (en) | Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle | |
DE102014202215A1 (en) | Fuel cell stack and method for its assembly | |
WO2015155125A1 (en) | Bipolar plate and fuel cell | |
DE102007007704A1 (en) | Fuel cell stack in lightweight construction | |
DE102018106949A1 (en) | fuel cell stack | |
DE102016121954A1 (en) | Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle | |
DE102013208450A1 (en) | Bipolar plate, fuel cell layer, fuel cell stack and motor vehicle | |
DE102015200573B4 (en) | Bipolar plate and fuel cell with such | |
DE102017218029B4 (en) | Fuel cell | |
DE102016205010A1 (en) | Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle | |
DE102018211078B3 (en) | Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates | |
DE102015222245A1 (en) | Polar plate for a fuel cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R082 | Change of representative | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
|
R012 | Request for examination validly filed |