DE102016205010A1

DE102016205010A1 - Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle

Info

Publication number: DE102016205010A1
Application number: DE102016205010.9A
Authority: DE
Inventors: Ian Stewart; Sebastian Voigt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (20) für eine Brennstoffzelle (100) mit einer ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung (204, 206, 208) zum Zuführen eines Betriebsmittels, einem in einem aktiven Bereich (AA) angeordneten Betriebsmittelströmungsfeld (203) und mit einem die erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung (204, 206, 208) und das Betriebsmittelströmungsfeld (203) fluidführend verbindenden ersten Verteilerbereich (DA1), in dem erste Verteilerstrukturen (210) angeordnet sind, die als von dem Betriebsmittel umströmbare Erhebungen ausgebildet sind.
Es ist vorgesehen, dass mit zunehmenden Radius (r1, r2) um einen Flächenschwerpunkt (212) der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung (204, 206, 208) in einer innerhalb des Radius (r1, r2) angeordneten Fläche (A1, A2) des ersten Verteilerbereichs (DA1) die Flächenbedeckung erster Verteilerstrukturen (210) abnimmt. The invention relates to a bipolar plate (20) for a fuel cell (100) having a first operating medium opening (204, 206, 208) for supplying a working medium, an operating medium flow field (203) arranged in an active area (AA) and having a first operating medium opening (20). 204, 206, 208) and the resource flow field (203) fluidly connecting the first manifold region (DA1), in which first manifold structures (210) are arranged, which are formed as embossed by the resource surveys.
It is provided that with increasing radius (r1, r2) about a center of area (212) of the first resource passage opening (204, 206, 208) in an area (A1, A2) of the first distributor area (A1, A2) arranged within the radius (r1, r2). DA1) the area coverage of first distributor structures (210) decreases.

Description

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

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierzu weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) aus einer protonenleitenden Membran und beidseitig daran angeordneten Elektroden auf. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode als Brennstoff zugeführt und dort unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch oxidiert (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über die Membran, welche zwei Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, werden die Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum transportiert. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e^– können zum Verrichten einer elektrischen Arbeit genutzt werden, wonach sie an die Kathode geleitet werden. Dieser wird zudem Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass dort eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen erfolgt (½O₂ + 2e^– → O^2–). Die gebildeten Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen zu Wasser (2H⁺ + O² → H₂O). Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells as the core component of a so-called membrane electrode assembly (MEA - membrane electrode assembly) from a proton-conducting membrane and electrodes arranged on both sides. During operation of the fuel cell, hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture is supplied to the anode as fuel and there is electrochemically oxidized with the emission of electrons (H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ). The protons H ^{+ are transported} from the anode space into the cathode space via the membrane, which gas-tightly and electrically isolates two reaction spaces from one another. The electrons e ^- provided at the anode can be used to perform electrical work, after which they are conducted to the cathode. This is also supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that there is a reduction of the oxygen taking up the electrons (½O ₂ + 2e ^- → O ^2- ). The oxygen anions formed in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (2H ⁺ + O ² → H ₂ O).

In der Regel ist die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl in einem Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Dabei ist zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die der Zuführung der Prozessgase zu Anode und Kathode benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen dient. Ferner sind die Bipolarplatten als elektrische und thermische Leiter ausgelegt. Sie werden somit für die Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, deren Kühlung und deren elektrischer Anbindung verwendet. In general, the fuel cell is formed by a plurality of arranged in a stack of stacked membrane-electrode assemblies whose electrical power is added. In this case, a bipolar plate is disposed between two membrane-electrode assemblies, which serves to supply the process gases to the anode and cathode of adjacent membrane-electrode assemblies. Furthermore, the bipolar plates are designed as electrical and thermal conductors. They are thus used for the process gas supply of the membrane-electrode assemblies, their cooling and their electrical connection.

Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle weist auf ihren beiden Hauptoberflächen jeweils zumindest einen aktiven Bereich auf, der im Brennstoffzellenstapel mit den katalytischen Elektroden einer Membran-Elektroden-Anordnung ausgerichtet ist, wobei an letzteren die eigentlichen Brennstoffzellenreaktionen erfolgen. Zum Zuführen der Reaktanten an die Elektroden, weist eine Bipolarplatte in ihren aktiven Bereichen Betriebsmittelströmungsfelder, insbesondere ein anodenseitiges offenes Anodengasströmungsfeld und ein kathodenseitiges offenes Kathodengasströmungsfeld, auf. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder sind zumeist in Form rinnenartiger Kanäle ausgebildet. Zudem weist der aktive Bereich ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld auf, das in der Regel zwischen dem Kathodengasströmungsfeld und dem Anodengasströmungsfeld angeordnet ist. Häufig ist eine Bipolarplatte aus zwei miteinander verbundenen, insbesondere verschweißten, Teilplatten aufgebaut, wobei das Kühlmittelströmungsfeld zwischen zwei teilweise miteinander verbundenen Hauptoberflächen der Teilplatten eingeschlossen ist. Einer dieser Hauptoberflächen liegt die Anodenseite einer Teilplatte und der anderen Hauptoberfläche die Kathodenseite der anderen Teilplatte gegenüber. A bipolar plate for a fuel cell has on its two main surfaces in each case at least one active region, which is aligned in the fuel cell stack with the catalytic electrodes of a membrane electrode assembly, wherein the actual fuel cell reactions take place on the latter. For supplying the reactants to the electrodes, a bipolar plate has resource flow fields in its active regions, in particular an anode-side open anode gas flow field and a cathode-side open cathode gas flow field. The anode gas and cathode gas flow fields are mostly in the form of channel-like channels. In addition, the active region has a closed coolant flow field, which is usually arranged between the cathode gas flow field and the anode gas flow field. Frequently, a bipolar plate is composed of two interconnected, in particular welded, sub-plates, the coolant flow field being enclosed between two partially interconnected main surfaces of the sub-plates. One of these main surfaces is the anode side of a sub-plate and the other major surface opposite to the cathode side of the other sub-plate.

Eine Bipolarplatte weist ferner Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Zuführen der Betriebsmittel zu den entsprechenden Strömungsfeldern auf. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Anodeneinlassöffnung zum Zuführen des Anodengases und eine Anodenauslassöffnung zum Abführen des Anodengases, um eine Kathodeneinlassöffnung zum Zuführen des Kathodengases und eine Kathodenauslassöffnung zum Abführen des Kathodengases und um eine Kühlmitteleinlassöffnung zum Zuführen des Kühlmittels und eine Kühlmittelauslassöffnung zum Abführen des Kühlmittels. In einem Brennstoffzellenstapel sind diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich zueinander ausgerichtet und bilden durch den gesamten Stapel verlaufende Hauptversorgungskanäle der Betriebsmittel. A bipolar plate further includes agent passage openings for supplying the resources to the respective flow fields. Specifically, it is an anode inlet port for supplying the anode gas and an anode outlet port for discharging the anode gas, a cathode inlet port for supplying the cathode gas, and a cathode outlet port for discharging the cathode gas and a coolant inlet port for supplying the coolant and a coolant outlet port for discharging the coolant. In a fuel cell stack, these resource passages are aligned congruent to one another and form main supply channels through the entire stack of the resources.

Bipolarplatten weisen ferner Verteilerbereiche auf, die jeweils zwischen einer Betriebsmitteldurchgangsöffnung und einem entsprechenden Strömungsfeld des aktiven Bereichs angeordnet sind. Dabei verbindet ein erster Anodenverteilerbereich die Anodeneinlassöffnung fluidführend mit dem Anodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs, ein erster Kathodenverteilerbereich die Kathodeneinlassöffnung fluidführend mit dem Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs und ein erster Kühlmittelverteilerbereich die Kühlmitteleinlassöffnung fluidführend mit dem Kühlmittelströmungsfeld. Zum Abführen der Betriebsmittel vom jeweiligen Strömungsfeld zur jeweiligen Auslassöffnung sind entsprechende zweite Verteilerbereiche vorgesehen, die auch als Sammelbereiche bezeichnet werden. Bipolar plates also have manifold areas, each disposed between a working fluid passage and a corresponding flow field of the active area. In this case, a first anode distributor region connects the anode inlet opening in fluid conduction with the anode gas flow field of the active region, a first cathode distributor region carries the cathode inlet opening in fluid conduction with the cathode gas flow field of the active region, and a first coolant distributor region carries the coolant inlet opening in fluid conduction with the coolant flow field. For discharging the operating medium from the respective flow field to the respective outlet opening, corresponding second distributor regions are provided, which are also referred to as collecting regions.

Räumliche und zeitliche Druckvariationen in den Verteilerbereichen und den Strömungsfeldern einer Bipolarplatte sind für einen gleichmäßigen Ablauf der Brennstoffzellenreaktionen nachteilig. Insbesondere die Eck- und Randbereiche der aktiven Bereiche einer Bipolarplatte sind aufgrund solcher Variationen mit Reaktanten häufig dauerhaft unterversorgt. Je nach Konstruktion der Bipolarplatte können aber auch andere Abschnitte des aktiven Bereichs aufgrund von Druckunterschieden unterschiedlich stark von einem Betriebsmittel durchströmt werden. Bei Flussfeldern mit unterbrochenen Kanälen können einzelne Druckunterschiede zudem signifikante Querströme verursachen. Aufgrund all dessen können die Elektroden abschnittsweise unterschiedlich stark altern, was deren Lebensdauer insgesamt verkürzt. Spatial and temporal pressure variations in the manifold regions and flow fields of a bipolar plate are detrimental to smooth fuel cell reaction. In particular, the corner and edge regions of the active regions of a bipolar plate are often permanently undersupplied due to such variations with reactants. Depending on the design of the bipolar plate, however, other sections of the active region can also be flowed through to different degrees by an operating medium due to pressure differences. For flow fields with interrupted Channels can cause individual pressure differences also significant cross currents. Because of all this, the electrodes can age differently in sections, which shortens their lifetime as a whole.

Ferner können derartige Druckunterschiede zu Problemen beim Neustart einer Brennstoffzelle führen. Nach dem Abschalten eines Brennstoffzellenstapels liegt in der Regel noch Produktwasser in den Kathodenräumen und in mit diesen verbundenen Versorgungsbereichen vor. Durch Diffusionsprozesse gelangt das Produktwasser auch in die mit den Anodenräumen verbundenen Bereiche. Bei einer erneuten Inbetriebnahme erschwert lokaler Unterdruck eines Betriebsmittels den Wasseraustrag, insbesondere unter Frostbedingungen. Somit muss die Brennstoffzelle energie- und zeitintensiv aufgeheizt werden, um den gesamten aktiven Bereich nutzbar zu machen. Furthermore, such pressure differences can lead to problems when restarting a fuel cell. After switching off a fuel cell stack, there is generally still product water in the cathode spaces and in supply areas connected thereto. Through diffusion processes, the product water also reaches the areas connected to the anode spaces. When re-commissioning local underpressure of a resource complicates the discharge of water, especially under freezing conditions. Thus, the fuel cell must be heated energy and time consuming to harness the entire active area.

Es ist bekannt, in den Verteilerbereichen einer Brennstoffzelle Verteilerkanäle oder offene Felder von Verteilerstrukturen anzuordnen, um ein gleichmäßiges Zuführen eines Betriebsmittels zum jeweiligen Strömungsfeld zu gewährleisten und um Druckunterschiede des Betriebsmittels zu minimieren. It is known to arrange distribution channels or open fields of distribution structures in the distribution areas of a fuel cell in order to ensure a uniform supply of a resource to the respective flow field and to minimize pressure differences of the resource.

Die WO 2008/024400 A1 offenbart eine Bipolarplatte mit regelmäßig in den Verteilerbereichen angeordneten und quer zu einer Betriebsmittelströmung ausgerichteten länglichen Stegen. In der DE 101063 631 A1 ist eine Verteilerstruktur aus parallel zu einer Betriebsmittelströmung in benachbarten Reihen hintereinander angeordneten länglichen Stegen offenbart. The WO 2008/024400 A1 discloses a bipolar plate having elongated lands arranged regularly in the manifold areas and aligned transversely to a resource flow. In the DE 101063 631 A1 a distributor structure of parallel to a flow of operating fluid in adjacent rows of successively arranged elongated webs is disclosed.

Es ist bekannt, dass bereits kleine Druckunterschiede im aktiven Bereich insbesondere dann zum Tragen kommen, wenn der Druckabfall im Verteilerbereich groß und im aktiven Bereich entsprechend klein ist. Mit der DE 10 2014 206 336 A1 wird daher eine Bipolarplatte mit in einem Verteilerbereich gleichmäßig angeordneten Verteilerstrukturen aus Kreuz- oder Rautenstrukturen vorgeschlagen, um den Druckverlust im Verteilerbereich zu minimieren. It is known that even small differences in pressure in the active area come into play in particular when the pressure drop in the distributor area is large and correspondingly small in the active area. With the DE 10 2014 206 336 A1 Therefore, a bipolar plate is proposed with uniformly arranged in a distributor region distribution structures of cross or diamond structures in order to minimize the pressure loss in the manifold area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Bipolarplatte vorzuschlagen, mit der Druckunterschiede im aktiven Bereich einer Brennstoffzelle weiter verringert werden. Die Bipolarplatte soll dabei einen hohen Gestaltungsfreiraum bei geringen Produktionskosten ermöglichen. The invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art and to propose a bipolar plate, are further reduced with the pressure differences in the active region of a fuel cell. The bipolar plate should allow a high degree of creative freedom with low production costs.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte und durch ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzelle. This object is achieved by a bipolar plate according to claim 1 and by a fuel cell with such a bipolar plate and by a vehicle with such a fuel cell.

Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung weist eine erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung zum Zuführen eines Betriebsmittels, ein in einem aktiven Bereich angeordnetes Betriebsmittelströmungsfeld und einen die erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung und das Betriebsmittelströmungsfeld fluidführend verbindenden ersten Verteilerbereich auf. In dem ersten Verteilerbereich sind erste Verteilerstrukturen angeordnet, sodass der erste Verteilerbereich eine von ersten Verteilerstrukturen bedeckte und eine von den ersten Verteilerstrukturen freie Fläche umfasst. Die ersten Verteilerstrukturen sind als von dem Betriebsmittel umströmbare Erhebungen ausgebildet. Erfindungsgemäß ist eine Flächenbedeckung erster Verteilerstrukturen in einer (ersten) Fläche des ersten Verteilerbereichs, die in einem ersten Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist, geringer als eine Flächenbedeckung erster Verteilerstrukturen in einer (zweiten) Fläche des ersten Verteilerbereichs, die in einem zweiten Radius um den Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist, wobei der erste Radius geringer ist als der zweite Radius. Erfindungsgemäß nimmt somit mit zunehmendem Radius von einem Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des ersten Verteilerbereichs die Flächenbedeckung erster Verteilerstrukturen ab. A bipolar plate for a fuel cell according to the invention has a first resource passage opening for supplying a resource, an equipment flow field disposed in an active area, and a first manifold area fluidly connecting the first resource passage opening and the resource flow field. First distributor structures are arranged in the first distributor area such that the first distributor area comprises one area covered by first distributor structures and one area free of the first distributor structures. The first distributor structures are designed as elevations that can be flowed around by the operating medium. According to the invention, an area coverage of first distributor structures in a (first) area of the first distributor area, which is arranged in a first radius about a centroid of the first resource through-opening, is less than an area coverage of first distributor structures in a (second) area of the first distributor area, which in a second Radius is arranged around the center of gravity of the first resource through-opening, wherein the first radius is less than the second radius. Thus, according to the invention, the area coverage of first distributor structures decreases as the radius of a centroid of the first operating medium passage opening in an area of the first distributor area arranged within this radius increases.

Jeder Verteilerbereich der Bipolarplatte weist in einer Draufsicht eine von den Verteilerstrukturen bedeckte Fläche und eine von den Verteilerstrukturen unbedeckte, das heißt freie, Fläche auf. Das Verhältnis der von den Verteilerstrukturen bedeckten Fläche des Verteilerbereichs zur Gesamtfläche des Verteilerbereichs entspricht dabei der Flächenbedeckung erster Verteilerstrukturen für den gesamten Verteilerbereich. Flächenbedeckung ist somit eine spezifische Größe und bezeichnet die Größe einer bedeckten Fläche bezogen auf eine andere Fläche. Die von den Verteilerstrukturen bedeckte Fläche entspricht dabei der Summe der Orthogonalprojektionen aller Verteilerstrukturen auf die Fläche des jeweiligen Verteilerbereichs. Erfindungsgemäß nimmt der Anteil der von den ersten Verteilerstrukturen bedeckten Fläche des ersten Verteilerbereichs mit zunehmendem Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung ab. Der Flächenschwerpunkt ist dabei ein für jede erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung unabhängig von deren Querschnittgeometrie eindeutig bestimmbarer Punkt. Eine innerhalb eines bestimmten Radius um den Flächenschwerpunkt angeordnete Fläche des Verteilerbereichs entspricht der auf den Verteilerbereich entfallenden Fläche eines Kreises dieses Radius um den Flächenschwerpunkt. Die Flächenbedeckung erster Verteilerstrukturen in einer Fläche des ersten Verteilerbereichs, die in einem ersten Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist, beschreibt somit den Anteil der von ersten Verteilerstrukturen bedeckten Fläche an der auf den ersten Verteilerbereich entfallenden Fläche eines Kreises mit dem ersten Radius um den ersten Flächenschwerpunkt. Dabei ist eine Verringerung des Anteils der von den Verteilerstrukturen bedeckten Fläche des Verteilerbereichs mit zunehmendem Abstand von der Betriebsmitteldurchgangsöffnung in jeder Richtung berücksichtigt. Each distributor region of the bipolar plate has, in a plan view, a surface covered by the distributor structures and a surface which is uncovered by the distributor structures, that is to say a free surface. The ratio of the area of the distributor area covered by the distributor structures to the total area of the distributor area corresponds to the area coverage of first distributor structures for the entire distributor area. Area coverage is thus a specific quantity and denotes the size of a covered area in relation to another area. The area covered by the distributor structures corresponds to the sum of the orthogonal projections of all distributor structures on the area of the respective distributor area. According to the invention, the proportion of the area of the first distributor area covered by the first distributor structures decreases as the radius increases by a centroid of the first operating medium opening. The area center of gravity is a point that can be determined unambiguously for each first resource through-hole regardless of its cross-sectional geometry. A surface of the distributor area arranged within a specific radius around the center of area corresponds to the area of a circle of this radius around the distributor area Centroid. The area coverage of first distributor structures in a surface of the first distributor region, which is arranged in a first radius about a centroid of the first agent through-aperture, thus describes the proportion of the area covered by first distributor structures at the area of the circle having the first radius, which area is applied to the first distributor region the first centroid. In this case, a reduction in the proportion of the area of the distributor region covered by the distributor structures with increasing distance from the operating medium through-opening in each direction is taken into account.

Es versteht sich, dass aufgrund der endlichen Ausdehnung der Verteilerstrukturen und den begrenzten konstruktiven Möglichkeiten bei der Fertigung von Bipolarplatten nicht jede inkrementelle Vergrößerung des Radius um die Betriebsmitteldurchgangsöffnung zu einer Abnahme der Flächenbedeckung der Verteilerstrukturen führen kann. Bevorzugt nimmt die Flächenbedeckung der Verteilerstrukturen jedoch bei einer Erhöhung des Radius um die Betriebsmitteldurchgangsöffnung in der Größenordnung einer mittleren lateralen Ausdehnung der Verteilerstrukturen, das heißt dem Mittel von deren maximaler Ausdehnung in einer Richtung parallel zu einem ebenen Bereich der Bipolarplatte, ab. Ebenfalls bevorzugt nimmt die Flächenbedeckung von den Verteilerstrukturen bei einer Erhöhung des Radius um die Betriebsmitteldurchgangsöffnung in der Größenordnung von zwei, bevorzugt drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun und besonders bevorzugt zehn mittleren lateralen Ausdehnungen der Verteilerstrukturen ab. It will be understood that due to the finite extent of the manifold structures and the limited design capabilities in the fabrication of bipolar plates, any incremental increase in the radius about the device via can not result in a decrease in area coverage of the manifold structures. However, the area coverage of the manifold structures preferably decreases as the radius around the device via increases in the order of magnitude of a mean lateral extent of the manifold structures, that is, the average of their maximum extent in a direction parallel to a planar area of the bipolar plate. Also preferably, the area coverage of the manifold structures decreases as the radius around the resource via increases in the order of two, preferably three, four, five, six, seven, eight, nine, and most preferably ten average lateral extents of the manifold structures.

Die mit zunehmendem Radius um eine Betriebsmitteldurchgangsöffnung abnehmende Flächenbedeckung der Verteilerstrukturen in den Verteilerbereichen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte bewirkt vorteilhaft, dass der Druckabfall des Betriebsmittels in den Verteilerbereichen homogenisiert wird. Insbesondere erfährt das Betriebsmittel aufgrund der Verteilerstrukturen mit zunehmendem Abstand zur Betriebsmitteldurchgangsöffnung einen geringeren Strömungswiderstand. Dies senkt den Druckabfall insbesondere in weiter von der Betriebsmitteldurchgangsöffnung entfernten Abschnitten der Verteilerbereiche, wodurch diese besser durchströmt werden. Besonders bevorzugt nimmt mit zunehmendem Abstand von einem Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in Richtung parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels im Betriebsmittelströmungsfeld die Flächenbedeckung von ersten Verteilerstrukturen ab. Dadurch werden der Strömungsdruck des Betriebsmittels am Übergang von Verteilerbereich zu Betriebsmittelströmungsfeld sowie dort auftretende Turbulenzen reduziert. The area coverage of the distributor structures in the distributor regions of the bipolar plate according to the invention, which decreases with increasing radius around an operating medium passage opening, advantageously has the effect of homogenizing the pressure drop of the operating medium in the distributor regions. In particular, due to the distributor structures, the operating medium experiences a lower flow resistance with increasing distance to the operating medium passage opening. This reduces the pressure drop, in particular in sections of the distributor regions which are further away from the equipment throughflow opening, as a result of which they are better flowed through. Particularly preferably, as the distance from a centroid of the first working medium passage opening in the direction parallel to a main flow direction of the operating medium in the operating medium flow field increases, the area coverage of first distributor structures decreases. As a result, the flow pressure of the operating fluid at the transition from distributor area to operating medium flow field as well as turbulences occurring there are reduced.

Ebenfalls bevorzugt nimmt mit zunehmendem Abstand von einem Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels im Betriebsmittelströmungsfeld die Flächenbedeckung der ersten Verteilerstrukturen ab. Dadurch wird das auf den Verteilerbereich stromabwärts folgende Betriebsmittelströmungsfeld über dessen gesamte Breite gleichmäßig angeströmt. Vorteilhaft werden dadurch die zeitliche und räumliche Homogenität der Brennstoffzellenreaktionen im aktiven Bereich erhöht und die Lebensdauer der katalytischen Elektroden insgesamt verbessert. Unter der Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels in einem Verteilerbereich wird hierin im Wesentlichen eine Strömungsrichtung verstanden, die vom Flächenschwerpunkt der Betriebsmitteldurchgangsöffnung hin zu einem mittig angeordneten Pfad des nachgelagerten Betriebsmittelströmungsfelds orientiert ist. Also preferably decreases with increasing distance from a centroid of the first resource passage opening in the direction perpendicular to a main flow direction of the resource in the resource flow field, the area coverage of the first distributor structures. As a result, the operating medium flow field following downstream of the distributor region is uniformly flowed over its entire width. Advantageously, this increases the temporal and spatial homogeneity of the fuel cell reactions in the active region and improves the overall lifetime of the catalytic electrodes. The main flow direction of the operating medium in a distributor region is understood here essentially to mean a flow direction which is oriented from the centroid of the agent through-flow opening to a centrally arranged path of the downstream resource flow field.

Bei der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung handelt es sich bevorzugt um eine Anodeneinlassöffnung, eine Kathodeneinlassöffnung oder eine Kühlmitteleinlassöffnung. In Abhängigkeit davon handelt es sich bei dem ersten Verteilerbereich um einen Anodenverteilerbereich, einen Kathodenverteilerbereich oder einen Kühlmittelverteilerbereich und bei dem Betriebsmittelströmungsfeld um ein Anodengasströmungsfeld, ein Kathodengasströmungsfeld oder ein Kühlmittelströmungsfeld. In dem ersten Verteilerbereich sind erfindungsgemäß erste Verteilerstrukturen angeordnet, die als umströmbare Erhebungen so von der Bipolarplatte vorstehen, dass sie während der Verwendung der Bipolarplatte von dem Betriebsmittel umströmt aber nicht durchströmt werden können. Mit anderen Worten steht das von einer Verteilerstruktur eingenommene Volumen während der Benutzung der Bipolarplatte dem jeweiligen Betriebsmittel nicht zur Verfügung und wird von diesem zu keiner Zeit eingenommen. Ist eine erfindungsgemäße Bipolarplatte zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnet, bilden die Verteilerstrukturen ein vom Betriebsmittel nicht durchströmtes Teilvolumen an dem vom Betriebsmittel durchströmten Volumen des Verteilerbereichs. The first agent passage opening is preferably an anode inlet opening, a cathode inlet opening or a coolant inlet opening. In response, the first manifold region is an anode manifold region, a cathode manifold region, or a coolant manifold region, and the resource flow field is an anode gas flow field, a cathode gas flow field, or a coolant flow field. In the first distributor region, first distributor structures are arranged according to the invention, which protrude as flow-around elevations from the bipolar plate in such a way that they flow around the operating medium during the use of the bipolar plate but can not be flowed through. In other words, the volume occupied by a distributor structure is not available to the respective operating medium during use of the bipolar plate and is not occupied by it at any time. If a bipolar plate according to the invention is arranged between two membrane-electrode arrangements, the distributor structures form a partial volume, not flowed through by the operating medium, at the volume of the distributor region through which the operating medium flows.

Die Verteilerstrukturen eines Anodenverteilerbereichs und eines Kathodenverteilerbereichs sind vorzugsweise als positive Erhebungen ausgebildet, die von der Anodenseite beziehungsweise Kathodenseite der Bipolarplatte jeweils in die Richtung vorstehen, in der im gefügten Brennstoffzellenstapel die nächste Membran-Elektroden-Anordnung folgt. Besonders bevorzugt stehen die Verteilerstrukturen in Richtung der Flächennormalen einer Kathodenseite oder Anodenseite von dieser Seite vor. Die Verteilerstrukturen eines Kühlmittelverteilerbereichs sind bevorzugt in entsprechender Weise als entgegengesetzt zu den Flächennormalen von Kathodenseite und Anodenseite ausgerichteten Erhebungen ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Verteilerstrukturen im Kühlmittelbereich jedoch allein durch mit den positiven Erhebungen von Anodenseite und Kathodenseite korrespondierenden negativen Vertiefungen gebildet. Ebenfalls bevorzugt weisen die positiven Erhebungen auf Anodenseite und Kathodenseite eine Höhe auf, die im Brennstoffzellenstapel dem Abstand zur angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung entspricht. Somit stützen die Erhebungen die Membran-Elektroden-Anordnungen und tragen zur Strukturfestigkeit des Brennstoffzellenstapels bei. The distributor structures of an anode distributor region and of a cathode distributor region are preferably designed as positive elevations which project from the anode side or cathode side of the bipolar plate respectively in the direction in which the next membrane electrode assembly follows in the joined fuel cell stack. Particularly preferably, the distributor structures project in the direction of the surface normals of a cathode side or anode side from this side. The distributor structures of a coolant distributor region are preferably correspondingly opposite to the surface normals of FIG Formed cathode side and anode side aligned elevations. However, the distribution structures in the coolant area are particularly preferably formed solely by negative depressions corresponding to the positive elevations of the anode side and the cathode side. Also preferably, the positive elevations on the anode side and cathode side have a height that corresponds to the distance to the adjacent membrane electrode assembly in the fuel cell stack. Thus, the bumps support the membrane-electrode assemblies and contribute to the structural strength of the fuel cell stack.

Die Verteilerstrukturen sind bevorzugt aus der, besonders bevorzugten metallischen, Bipolarplatte oder aus einer Teilplatte derselben durch Umformen, vorzugsweise Stanzen, Biegen, Aufprägen oder Tiefziehen, erzeugt. In diesem Fall liegt einer positiven Erhebung im Anodenverteilerbereich oder Kathodenverteilerbereich eine negative Vertiefung im Kühlmittelverteilerbereich gegenüber. Besonders bevorzugt sind nur im Anodenverteilerbereich und im Kathodenverteilerbereich als positive Erhebungen ausgebildete Verteilerstrukturen vorgesehen. Die Verteilerstrukturen des Kühlmittelverteilerbereichs sind dann ausschließlich durch zu diesen Erhebungen korrespondierende negative Vertiefungen gebildet. Dies erhöht die Gestaltungsfreiheit bei der Anordnung der Verteilerstrukturen im Anoden- und Kathodenverteilerbereich, insbesondere die maximal mögliche Dichte der dort angeordneten Verteilerstrukturen. Zudem kann werden Turbulenzen und ein erhöhter Druckverlust im Anoden- und Kathodenverteilerbereich vermieden, wenn dort keine negativen Vertiefungen angeordnet sind. Im Kühlmittelverteilerbereich können die durch negative Vertiefungen gebildeten Turbulenzen hingegen zur Homogenisierung der Kühlmittelströmung, insbesondere zum Erzeugen von Querströmungen, genutzt werden. Ein erhöhter Druckverlust im Kühlmittelverteilerbereich ist dabei ohne Einfluss auf die Standzeit der katalytischen Elektroden. Ebenfalls bevorzugt sind die Verteilerstrukturen durch Formpressen aus der, besonders bevorzugt graphitischen, Bipolarplatte oder aus einer Teilplatte derselben, erzeugt. In diesem Fall stehen die Verteilerstrukturen ebenfalls als integrale positive Erhebungen von dem jeweiligen Verteilerbereich vor, jedoch ohne dass eine negative Vertiefung in dem auf der gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte angeordneten Verteilerbereich resultiert. Ein ähnliches Ergebnis kann alternativ erzielt werden, indem die Verteilerstrukturen auf der Bipolarplatte befestigt, vorzugsweise verschweißt, verlötet, verschraubt oder vernietet sind. Beide Ausführungsformen haben den Vorteil, dass die Anordnung der Verteilerstrukturen auf Anodenseite oder Kathodenseite keinen Einfluss auf den Kühlmittelverteilerbereich hat. The distributor structures are preferably produced from the, particularly preferred metallic, bipolar plate or from a partial plate thereof by forming, preferably stamping, bending, stamping or deep-drawing. In this case, a positive elevation in the anode manifold region or cathode manifold region faces a negative depression in the coolant manifold region. Particularly preferably, distributor structures designed as positive elevations are provided only in the anode distributor area and in the cathode distributor area. The distributor structures of the coolant distributor area are then formed exclusively by negative depressions corresponding to these elevations. This increases the design freedom in the arrangement of the distributor structures in the anode and cathode distributor region, in particular the maximum possible density of the distributor structures arranged there. In addition, turbulence and an increased pressure loss in the anode and cathode distributor area can be avoided if there are no negative wells arranged there. In the coolant distributor area, however, the turbulences formed by negative depressions can be used for homogenizing the coolant flow, in particular for generating transverse flows. An increased pressure loss in the coolant distributor area is without influence on the service life of the catalytic electrodes. Likewise preferably, the distributor structures are produced by molding from the, particularly preferably graphitic, bipolar plate or from a partial plate thereof. In this case, the manifold structures also exist as integral positive protrusions from the respective manifold region, but without resulting in a negative depression in the manifold region located on the opposite side of the bipolar plate. A similar result may alternatively be achieved by attaching, preferably welding, brazing, bolting or riveting the manifold structures to the bipolar plate. Both embodiments have the advantage that the arrangement of the distributor structures on the anode side or cathode side has no influence on the coolant distributor region.

Die Verteilerstrukturen können in einer Vielzahl von Formen ausgebildet werden, um im verbauten Zustand der Bipolarplatte jeweils einen geeigneten Strömungswiderstand für das Betriebsmittel aufzuweisen. Die Verteilerstrukturen weisen in Bezug auf einen ebenen Bereich der Bipolarplatte bevorzugt eine Standfläche mit rundem oder elliptischem Querschnitt auf. Besonders bevorzugt weisen die Verteilerstrukturen in Bezug auf einen ebenen Bereich der Bipolarplatte eine Standfläche in Form abgerundeter Kreuz- oder Rautenstrukturen auf, wodurch sich beispielsweise Querströmungen des Betriebsmittels gezielt einstellen lassen. The manifold structures may be formed in a variety of shapes to have a suitable flow resistance for the resource in the assembled state of the bipolar plate. The distributor structures preferably have a base surface with a round or elliptical cross section with respect to a planar region of the bipolar plate. Particularly preferably, the distributor structures with respect to a planar region of the bipolar plate on a footprint in the form of rounded cross or diamond structures, which can be adjusted, for example, cross flows of the equipment targeted.

In einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich mit zunehmendem Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des ersten Verteilerbereichs eine Form der ersten Verteilerstrukturen. Dabei kann die Gesamtform der Verteilerstrukturen oder die der Strömung zugewandte Form der Verteilerstrukturen variieren. Insbesondere ist es ausreichend, wenn eine Anordnung der Verteilerstrukturen variiert, um den Strömungswiderstand der Verteilerstrukturen zu variieren. Beispielsweise können längserstreckte Verteilerstrukturen mit zunehmendem Radius um die Betriebsmitteldurchgangsöffnung mit einem kleiner werdenden Winkel zwischen ihrer Längserstreckung und einer im jeweiligen Bereich gewünschten Strömungsrichtung des Betriebsmittels angeordnet werden. Besonders bevorzugt nimmt mit zunehmendem Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des ersten Verteilerbereichs der Strömungswiderstandskoeffizient der ersten Verteilerstrukturen ab. In a preferred embodiment, a shape of the first distributor structures changes as the radius around a centroid of the first resource passage opening increases in a surface of the first distributor region arranged within this radius. In this case, the overall shape of the distributor structures or the flow-facing form of the distributor structures can vary. In particular, it is sufficient if an arrangement of the distributor structures varies in order to vary the flow resistance of the distributor structures. For example, elongated distribution structures with increasing radius can be arranged around the working medium passage opening with a decreasing angle between their longitudinal extent and a flow direction of the operating medium desired in the respective area. With particular preference, the flow resistance coefficient of the first distributor structures decreases as the radius around a center of area of the first operating medium passage opening increases in a surface of the first distributor region arranged within this radius.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform nimmt mit zunehmendem Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des ersten Verteilerbereichs ein mittleres Volumen der ersten Verteilerstrukturen ab. Das mittlere Volumen entspricht dabei bevorzugt dem arithmetischen Mittel der Volumina aller innerhalb des Radius in dem ersten Verteilerbereich angeordneten ersten Verteilerstrukturen. Das Volumen der ersten Verteilerstrukturen bezeichnet hierbei das Materialvolumen oder, bei als Hohlkörpern ausgebildeten ersten Verteilerstrukturen, das von einer Mantelaußenfläche begrenzte Volumen der ersten Verteilerstrukturen. Es sind Ausführungsformen denkbar, bei denen das Volumen der ersten Verteilerstrukturen mit zunehmendem Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des ersten Verteilerbereichs abnimmt, die Querschnittsfläche der ersten Verteilerstrukturen in einer Draufsicht des ersten Verteilerbereichs jedoch im gesamten Verteilerbereich konstant ist. Alternativ oder zusätzlich dazu nimmt mit zunehmendem Radius um einen Flächenschwerpunkt der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des ersten Verteilerbereichs ein Abstand zwischen benachbarten ersten Verteilerstrukturen zu. Dieser Abstand kann sich dabei auf einen Flächenschwerpunkt der Standfläche einer Verteilerstruktur beziehen. Mit anderen Worten nimmt die Dichte der Verteilerstrukturen mit zunehmendem Radius um eine Betriebsmitteldurchgangsöffnung ab. Die beiden vorgenannten bevorzugten Ausführungsformen ermöglichen die erfindungsgemäße Absenkung der Flächenbelegung der Verteilerstrukturen in den Verteilerbereiche sowie die damit verbundenen Vorteile. In a likewise preferred embodiment, as the radius around a center of area of the first equipment through-opening increases, an average volume of the first distributor structures decreases in a surface of the first distributor area arranged within this radius. The average volume preferably corresponds to the arithmetic mean of the volumes of all first distributor structures arranged within the radius in the first distributor region. The volume of the first distributor structures here denotes the material volume or, in the case of first distributor structures designed as hollow bodies, the volume of the first distributor structures delimited by a shell outer surface. Embodiments are conceivable in which the volume of the first distributor structures decreases with increasing radius around a centroid of the first agent passage opening in a surface of the first distributor region arranged within this radius, but the cross-sectional area of the first distributor structures in a plan view of the first distributor region constant throughout the distribution area. Alternatively or additionally, with increasing radius around a centroid of the first resource passage opening in a space disposed within this radius surface of the first manifold region, a distance between adjacent first distributor structures increases. This distance may refer to a centroid of the footprint of a distribution structure. In other words, as the radius increases, the density of the manifold structures decreases around a resource via. The two above-mentioned preferred embodiments make it possible to reduce the area occupation of the distributor structures in the distributor areas as well as the associated advantages.

Das Betriebsmittelströmungsfeld der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist bevorzugt durch eine bestimmte Anzahl von Kanälen, jeweils mit einem Kanaleinlass und einem stromabwärts davon gelegenen Kanalauslass, gebildet. Somit weist das Betriebsmittelströmungsfeld eine Vielzahl von Kanaleinlässen und eine Vielzahl stromabwärts davon gelegener Kanalauslässe auf. Eine bestimmte Anzahl erster Verteilerstrukturen ist in einem bestimmten Abstand zu einer die Vielzahl von Kanaleinlässen verbindenden Linie angeordnet. Mit anderen Worten ist jede der bestimmten Anzahl erster Verteilerstrukturen in einer bestimmten Höhe stromaufwärts einer gedachten Linie entlang der Kanaleinlässe angeordnet. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung steht die bestimmte Anzahl erster Verteilerstrukturen dabei in einem ganzzahligen Verhältnis zur bestimmten Anzahl der Kanäle oder der dazwischen liegenden Wandungen. Durch diese harmonische Anordnung einer stromaufwärts der Kanaleinlässe des Betriebsmittelströmungsfelds angeordneten letzten Reihe von Verteilerstrukturen werden Inhomogenitäten beim Übergang des Betriebsmittels vom Verteilerbereich in das Betriebsmittelströmungsfeld vermieden. Das Betriebsmittelströmungsfeld wird somit gleichmäßiger vom Betriebsmittel durchströmt. The resource flow field of the bipolar plate according to the invention is preferably formed by a certain number of channels, each with a channel inlet and a channel outlet located downstream thereof. Thus, the resource flow field has a plurality of channel inlets and a plurality of channel outlets located downstream therefrom. A certain number of first distributor structures are arranged at a certain distance from a line connecting the plurality of channel inlets. In other words, each of the predetermined number of first distributor structures is located at a certain height upstream of an imaginary line along the channel inlets. In accordance with a further aspect of the present invention, the specific number of first distributor structures is in an integer ratio to the specific number of channels or the walls between them. This harmonic arrangement of a last row of manifold structures located upstream of the port inlets of the resource flow field avoids inhomogeneities in the transfer of the resource from the manifold to the resource flow field. The resource flow field is thus more uniformly flowed through by the operating medium.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Bipolarplatte, die ferner eine zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung zum Abführen des Betriebsmittels und einen die zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung und das Betriebsmittelströmungsfeld fluidführend verbindenden zweiten Verteilerbereich aufweist. In dem zweiten Verteilerbereich sind zweite Verteilerstrukturen angeordnet, sodass der zweite Verteilerbereich eine von zweiten Verteilerstrukturen bedeckte und eine von den zweiten Verteilerstrukturen freie Fläche umfasst. Die zweiten Verteilerstrukturen sind als von dem Betriebsmittel umströmbare Erhebungen ausgebildet. Erfindungsgemäß ist eine Flächenbedeckung zweiter Verteilerstrukturen in einer (ersten) Fläche des zweiten Verteilerbereichs, die in einem ersten Radius um einen Flächenschwerpunkt der zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist, geringer als eine Flächenbedeckung zweiter Verteilerstrukturen in einer (zweiten) Fläche des zweiten Verteilerbereichs, die in einem zweiten Radius um den Flächenschwerpunkt der zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist, wobei der erste Radius geringer ist als der zweite Radius. Erfindungsgemäß nimmt somit mit zunehmendem Radius von einem Flächenschwerpunkt der zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer innerhalb dieses Radius angeordneten Fläche des zweiten Verteilerbereichs die Flächenbedeckung zweiter Verteilerstrukturen ab. Likewise provided by the invention is a bipolar plate, which furthermore has a second operating medium through-opening for discharging the operating medium and a second distributing region connecting the second operating medium throughflow opening and the operating medium flow field in a fluid-conducting manner. Second distributor structures are arranged in the second distributor area such that the second distributor area comprises an area covered by second distributor structures and an area free of the second distributor structures. The second distributor structures are designed as elevations that can be flowed around by the operating medium. According to the invention, an area coverage of second distribution structures in a (first) area of the second distribution area, which is arranged in a first radius about a centroid of the second resource throughput opening, is less than an area coverage of second distribution structures in a (second) area of the second distribution area, which in a second Radius is disposed about the centroid of the second resource through-opening, wherein the first radius is less than the second radius. Thus, according to the invention, the area coverage of second distributor structures decreases with increasing radius from a center of gravity of the second operating medium passage opening in a surface of the second distributor area arranged within this radius.

Durch diese Ausführungsform werden Inhomogenitäten beim Übertritt des Betriebsmittels in den zweiten Verteilerbereich oder Sammelbereich vermieden, was die Homogenität der Betriebsmittelströmung im Betriebsmittelströmungsfeld verbessert. Der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich können dabei symmetrisch oder asymmetrisch zueinander aufgebaut sein. Die zweiten Verteilerstrukturen können dabei hinsichtlich ihrer Anordnung, Form und Ausrichtung entsprechend den ersten Verteilerstrukturen ausgebildet sein. This embodiment avoids inhomogeneities in passing the resource into the second manifold region or collection region, which improves the homogeneity of the resource flow in the resource flow field. The first distributor region and the second distributor region can be constructed symmetrically or asymmetrically relative to one another. The second distributor structures can be designed with regard to their arrangement, shape and orientation corresponding to the first distributor structures.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sind die erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung und die zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung auf gegenüberliegenden Seiten des Betriebsmittelströmungsfelds und entlang einer Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels im Betriebsmittelströmungsfeld angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels im Betriebsmittelströmungsfeld dabei parallel zu einer Seitenkante, bevorzugt der längeren Seitenkante, der Bipolarplatte. Im Gegensatz zu bekannten Gestaltungen von Bipolarplatten, wobei die Betriebsmitteleinlassöffnung und die Betriebsmittelauslassöffnung auf gegenüberliegenden Seiten des Betriebsmittelströmungsfelds und diagonal versetzt zueinander angeordnet sind, kann somit auf einen Versatz der Betriebsmitteldurchgangsöffnung in einer Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung des Betriebsmittels im Betriebsmittelströmungsfeld verzichtet werden. Ein homogenes Durchströmen des gesamten Betriebsmittelströmungsfelds wird dabei allein durch die erfindungsgemäße Anordnung der ersten und zweiten Verteilerstrukturen in dem ersten und zweiten Verteilerbereich sichergestellt. Somit müssen die verschiedenen Betriebsmittelströme in den Versorgungsbereichen und/oder den Verteilerbereichen der Bipolarplatte nicht mehr gekreuzt werden, wodurch vorteilhaft die Bauhöhe der Bipolarplatte reduziert werden kann. In a particularly preferred embodiment of the bipolar plate according to the invention, the first agent passage opening and the second agent passage opening are arranged on opposite sides of the resource flow field and along a main flow direction of the resource in the resource flow field. Particularly preferably, the main flow direction of the operating medium in the operating medium flow field is parallel to a side edge, preferably the longer side edge, of the bipolar plate. Thus, unlike known designs of bipolar plates wherein the resource inlet port and the resource port are disposed on opposite sides of the resource flow field and diagonally offset from each other, an offset of the resource port in a direction transverse to the main flow direction of the resource in the resource flow field may be eliminated. A homogeneous flow through the entire resource flow field is ensured solely by the inventive arrangement of the first and second distribution structures in the first and second distribution area. Thus, the various resource streams in the coverage areas and / or the manifold areas of the bipolar plate no longer have to be crossed, whereby advantageously the height of the bipolar plate can be reduced.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte wie vorstehend beschrieben. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Bipolarplatte, wie vorstehend beschrieben, oder mit einer Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte. Likewise provided by the invention is a fuel cell with a bipolar plate as described above. Likewise provided by the invention is a vehicle with a bipolar plate, as above described, or with a fuel cell with such a bipolar plate.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

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: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik in einer bevorzugten Ausgestaltung, 1 1 a schematic sectional view of a fuel cell according to the prior art in a preferred embodiment,

2 eine schematische Draufsicht einer Membran-Elektroden-Anordnung, 2 a schematic plan view of a membrane electrode assembly,

3 eine schematische Draufsicht einer Bipolarplatte, 3 a schematic plan view of a bipolar plate,

4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausführungsform, 4 1 is a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a first embodiment,

5 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform, 5 a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a second embodiment,

6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer dritten Ausführungsform, 6 a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a third embodiment,

7 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer vierten Ausführungsform, 7 a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a fourth embodiment,

8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer fünften Ausführungsform, 8th a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a fifth embodiment,

9 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer sechsten Ausführungsform, und 9 a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention according to a sixth embodiment, and

10 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß (A) einer siebenten und (B) einer achten Ausführungsform. 10 a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention according to (A) of a seventh and (B) of an eighth embodiment.

1 zeigt eine stark schematisierte Schnittansicht durch eine hier insgesamt mit 100 bezeichnete Brennstoffzelle, das heißt einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels. 1 shows a highly schematic sectional view through a total here with 100 designated fuel cell, that is, a single cell of a fuel cell stack.

Die Brennstoffzelle 100 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10. Die MEA 10 weist eine ionisch leitfähige, insbesondere Protonen leitende Polymerelektrolytmembran (PEM) 11 auf. Die PEM 11 wird von zwei katalytischen Elektroden, nämlich einer Anode 13 und einer Kathode 12 flächig kontaktiert. Bei den Elektroden 12, 13 handelt es sich üblicherweise um ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial, beispielsweise auf Basis von Kohlenstoff, auf welches ein katalytisches Material in feiner Verteilung geträgert vorliegt. Der Bereich, an dem die Elektroden 12, 13 vorhanden sind und an dem folglich die Brennstoffzellenreaktionen stattfinden, wird als aktiver Bereich bezeichnet. In einem inaktiven, seitlichen Bereich sind üblicherweise keine Elektroden vorhanden, stattdessen wird die Membran 11 dort durch Stützschichten 14 mechanisch abgestützt. An die äußeren Flächen der Elektroden 12, 13 schließt jeweils eine Gasdiffusionslage (GDL) 15 an. Die GDL 15 bestehen aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Material und dienen der gleichmäßigen Verteilung der Anoden- und Kathodenbetriebsgase. Die Elektroden 12, 13 können als Beschichtung auf der PEM 11 oder den GDL 15 vorliegen. Eine seitliche Abdichtung der Zelle erfolgt über umlaufende Dichtungen 16, die auf den Stützschichten 14 angeordnet sind. The fuel cell 100 includes a membrane-electrode assembly (MEA) 10 , The MEA 10 has an ionically conductive, in particular proton-conducting polymer electrolyte membrane (PEM) 11 on. The PEM 11 is made of two catalytic electrodes, namely an anode 13 and a cathode 12 contacted flatly. At the electrodes 12 . 13 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 12 . 13 are present and consequently the fuel cell reactions take place, is referred to as the active region. In an inactive, lateral area usually no electrodes are present, instead the membrane 11 there by supporting layers 14 mechanically supported. To the outer surfaces of the electrodes 12 . 13 each closes a gas diffusion layer (GDL) 15 at. The GDL 15 consist of a porous, electrically conductive material and serve the uniform distribution of the anode and cathode operating gases. The electrodes 12 . 13 Can be used as a coating on the PEM 11 or the GDL 15 available. A lateral sealing of the cell via circumferential seals 16 on the backing layers 14 are arranged.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist zwischen zwei Bipolarplatten 20 angeordnet. Jede Bipolarplatte 20 weist eine Anodenseite 201 und eine Kathodenseite 202 auf. Auf der Anodenseite 201 ist im aktiven Bereich der Bipolarplatte 20 ein offenes Anodengasflussfeld, beispielsweise in Form offener Kanäle angeordnet (in dieser Darstellung nicht gezeigt). In gleicher Weise ist auf der Kathodenseite 202 der Bipolarplatten 20 ein Kathodengasflussfeld vorhanden, das wiederum in Form offener Kanäle ausgebildet sein kann (nicht dargestellt). Ferner weisen die Bipolarplatten 20 ein ebenfalls nicht dargestelltes geschlossenes Kühlmittelflussfeld auf, welches der Kühlung der Brennstoffzelle dient. Die einzelnen Kanalstrukturen der Bipolarplatten 20 sind in 1 nicht dargestellt, werden jedoch anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. The membrane electrode assembly 10 is between two bipolar plates 20 arranged. Each bipolar plate 20 has an anode side 201 and a cathode side 202 on. On the anode side 201 is in the active area of the bipolar plate 20 an open anode gas flow field, for example arranged in the form of open channels (not shown in this illustration). In the same way is on the cathode side 202 the bipolar plates 20 a cathode gas flow field present, which in turn may be in the form of open channels (not shown). Furthermore, the bipolar plates 20 a likewise not shown closed coolant flow field, which serves to cool the fuel cell. The individual channel structures of the bipolar plates 20 are in 1 not shown, however, are explained in more detail with reference to the following figures.

Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 10 und Bipolarplatte 20 gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht. The 2 and 3 each show an exemplary membrane electrode assembly 10 and bipolar plate 20 according to the prior art in a plan view.

Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 10 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 13 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 104 bis 109 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 10 beziehungsweise 204 bis 209 seitens der Bipolarplatte 20 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb der Brennstoffzelle 100 ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 104 beziehungsweise 204 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 105 beziehungsweise 205 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 106 beziehungsweise 206 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 107 beziehungsweise 207 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 108 beziehungsweise 208 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 109 beziehungsweise 209 der Ableitung des Kühlmittels. Both components are subdivided into an active area AA and inactive areas IA. The active area AA is characterized by the fact that the fuel cell reactions take place in this area. For this purpose, the membrane electrode assembly 10 in the active region AA on both sides of the polymer electrolyte membrane, a catalytic electrode 13 on. The inactive areas IA can be subdivided into supply areas SA and distribution areas DA. Within the Supply areas SA are supply openings 104 to 109 from the membrane electrode assembly 10 respectively 204 to 209 from the bipolar plate 20 arranged in the stacked state substantially aligned with each other and main supply channels within the fuel cell 100 form. The anode inlet openings 104 respectively 204 serve to supply the anode operating gas, so the fuel, for example hydrogen. The anode outlet openings 105 respectively 205 serve the discharge of the anode exhaust after overflow of the active area AA. The cathode inlet openings 106 respectively 206 serve to supply the cathode operating gas, which is in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air. The cathode outlet openings 107 respectively 207 serve the discharge of the cathode exhaust gas after overflow of the active area AA. The coolant inlet openings 108 respectively 208 serve the supply and the coolant outlet 109 respectively 209 the discharge of the coolant.

Die MEA 10 weist eine Anodenseite 101 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 13 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 102 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode, auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 10 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst. The MEA 10 has an anode side 101 on that in 2 is visible. Thus, the illustrated catalytic electrode is 13 formed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane. In the 2 invisible cathode side 102 has a corresponding catalytic electrode, here the cathode. The polymer electrolyte membrane can spread over the entire spread of the membrane-electrode assembly 10 extend, but at least over the active area AA. In the inactive regions IA, a reinforcing carrier foil can be arranged, which encloses the membrane.

Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 20 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 202 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 201. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 20 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 202 ist im aktiven Bereich AA ein Betriebsmittelströmungsfeld 203 mit einer Vielzahl offener rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche über einen ersten Verteilerbereich DA1 mit der Kathodeneinlassöffnung 206 und über einen zweiten Verteilerbereich DA2 mit der Kathodenauslassöffnung 207 verbunden sind. Der Verteilerbereich DA2 kann auch Sammelbereich DA2 genannt werden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle des Betriebsmittelströmungsfelds 203, wobei dieses üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl von Betriebsmittelkanälen aufweist. Das Betriebsmittelströmungsfeld 203 weist hier eine Vielzahl zueinander paralleler Kanalstrukturen auf, die sich geradlinig und parallel zu einer Außenkante der Bipolarplatte 20 erstrecken. In the 3 illustrated bipolar plate 20 also has a visible cathode side in the illustration 202 on and an invisible anode side 201 , In typical embodiments, the bipolar plate is 20 composed of two joined plate halves, the anode plate and the cathode plate. On the illustrated cathode side 202 is a resource flow field in active area AA 203 formed with a plurality of open channel-like channel structures, which via a first distributor region DA1 with the cathode inlet opening 206 and via a second manifold region DA2 with the cathode outlet opening 207 are connected. The distribution area DA2 can also be called collection area DA2. Only five exemplary resource channels of the resource flow field are shown 203 This usually has a much larger number of resource channels. The resource flow field 203 Here, a plurality of mutually parallel channel structures, which are rectilinear and parallel to an outer edge of the bipolar plate 20 extend.

Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 201 ein Betriebsmittelströmungsfeld mit entsprechenden Betriebsmittelkanälen auf, welche über einen ersten Verteilerbereich mit der Anodeneinlassöffnung 204 und über einen zweiten Verteilerbereich mit der Anodenauslassöffnung 205 verbunden sind. Auch diese Betriebsmittelkanäle des Betriebsmittelströmungsfelds für das Anodenbetriebsmittel sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 20, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle eines weiteren Betriebsmittelströmungsfelds, welche über einen ersten Verteilerbereich mit der Kühlmitteleinlassöffnung 208 und über einen zweiten Verteilerbereich mit der Kühlmittelauslassöffnung 209 verbunden sind. Mit den umlaufenden gestrichelten Linien sind in 3 Dichtungen angedeutet. Likewise, the not visible here anode side 201 a resource flow field having respective resource channels communicating with the anode inlet port via a first manifold region 204 and a second manifold region with the anode outlet port 205 are connected. Also, these resource channels of the resource flow field for the anode resource are formed as open, channel-like channel structures. Inside the bipolar plate 20 , in particular between the two plate halves, extend enclosed coolant channels of another resource flow field, which via a first distributor region with the coolant inlet opening 208 and a second manifold portion with the coolant outlet port 209 are connected. With the circumferential dashed lines are in 3 Seals indicated.

Die in 3 gezeigte Bipolarplatte 20 weist auf ihrer Kathodenseite 202 zwei Verteilerbereiche DA1 und DA2 auf, wobei in dem ersten Verteilerbereich DA1 erste Verteilerstrukturen 210 und in dem zweiten Verteilerbereich DA2 zweite Verteilerstrukturen 211 angeordnet sind. Die Verteilerstrukturen 210, 211 sind dafür eingerichtet, von dem Kathodenbetriebsmittel in dem jeweiligen Verteilerbereich umströmt zu werden, und sind dafür erhaben ausgebildet. Die Verteilerstrukturen 210, 211 bilden von der Kathodenseite 202 der Bipolarplatte 20 positiv vorstehende Erhebungen/Noppen eines bestimmten Querschnitts. Die Summe der Querschnittflächen der Noppen in einer Draufsicht auf die Kathodenseite 202 der Bipolarplatte 20 definiert dabei für jeden Verteilerbereich DA1, DA2 eine von den Verteilerstrukturen 210, 211 bedeckte Fläche der Verteilerbereiche DA1, DA2. Die Gesamtfläche der Verteilerbereiche DA1, DA2 abzüglich der Gesamtfläche der ersten Verteilerstrukturen 210 beziehungsweise der zweiten Verteilerstrukturen 211 definiert dabei eine von den Verteilerstrukturen 210, 211 freie Fläche des jeweiligen Verteilerbereichs DA1, DA2. Die ersten und zweiten Verteilerstrukturen 210, 211 sind im jeweiligen Verteilerbereich DA1, DA2 regelmäßig, das heißt mit gleichmäßiger Dichte und gleichbleibendem Abstand benachbarter Verteilerstrukturen 210, 211 ausgebildet. In the 3 shown bipolar plate 20 indicates on its cathode side 202 two distribution areas DA1 and DA2, wherein in the first distribution area DA1 first distribution structures 210 and second distributor structures in the second distributor region DA2 211 are arranged. The distribution structures 210 . 211 are adapted to be flowed around by the cathode operating medium in the respective manifold region, and are designed for sublime. The distribution structures 210 . 211 form from the cathode side 202 the bipolar plate 20 positively protruding elevations / pimples of a certain cross-section. The sum of the cross-sectional areas of the knobs in a plan view of the cathode side 202 the bipolar plate 20 defines for each distributor area DA1, DA2 one of the distributor structures 210 . 211 covered area of the distributor areas DA1, DA2. The total area of the distributor areas DA1, DA2 minus the total area of the first distributor structures 210 or the second distribution structures 211 defines one of the distributor structures 210 . 211 free area of the respective distributor area DA1, DA2. The first and second distribution structures 210 . 211 are regular in the respective distributor area DA1, DA2, that is to say with uniform density and constant spacing of adjacent distributor structures 210 . 211 educated.

Die in 3 gezeigte Bipolarplatte 20 weist auch auf ihrer nicht gezeigten Anodenseite zwei Verteilerbereiche auf, wobei in dem ersten Verteilerbereich erste Verteilerstrukturen und in dem zweiten Verteilerbereich zweite Verteilerstrukturen angeordnet sind, die als positiv vorstehende Erhebungen ausgebildet sind. Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 20 weist auch in ihrem nicht gezeigten Kühlmittelflussfeld zwei Verteilerbereiche auf, wobei in dem ersten Verteilerbereich erste Verteilerstrukturen und in dem zweiten Verteilerbereich zweite Verteilerstrukturen angeordnet sind, die als positive Erhebungen in das Kühlmittelflussfeld vorstehen. Sind die Verteilerstrukturen des Kühlmittelverteilerbereichs dabei durch Umformen der Teilplatten der Bipolarplatte selbst ausgebildet, weist diese in den Anodenverteilerbereichen und Kathodenverteilerbereichen der beiden Teilplatten mit den positiven Erhebungen der Kühlmittelverteilerbereich korrespondierende negative Vertiefungen auf. Diese negativen Vertiefungen können dabei nachteilig zu Turbulenzen und einem erhöhten Druckabfall in den Anoden- und Kathodenverteilerbereichen führen. In the 3 shown bipolar plate 20 also has two distribution areas on its anode side, not shown, in which first distributor region first distributor structures and in the second distributor region second distributor structures are arranged, which are formed as a positive protruding elevations. In the 3 illustrated bipolar plate 20 also has two distributor regions in its coolant flow field, not shown, wherein first distributor structures are arranged in the first distributor region and second distributor structures are arranged in the second distributor region, which protrude as positive elevations into the coolant flow field. If the distributor structures of the coolant distributor region are formed by forming the partial plates of the bipolar plate itself, this has negative recesses corresponding to the positive elevations of the coolant distributor region in the anode distributor regions and cathode distributor regions of the two partial plates. These negative depressions can disadvantageously lead to turbulence and an increased pressure drop in the anode and cathode distributor areas.

In 4 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Ausschnitt zeigt dabei den ersten Versorgungsbereich SA1 und den ersten Verteilerbereich DA1 der Kathodenseite einer Bipolarplatte sowie einen Ausschnitt des Kathodenbetriebsmittelflussfelds 203. Der erste Verteilerbereich DA1 verbindet dabei die Kathodeneinlassöffnung 206 fluidführend mit dem Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203. Die Anodeneinlassöffnung 204 und die Kühlmitteleinlassöffnung 208 sind nicht mit der Kathodenseite der Bipolarplatte fluidführend verbunden und daher schraffiert dargestellt. In dem ersten Verteilerbereich DA1 sind erste Verteilerstrukturen 210 angeordnet, wobei alle ersten Verteilerstrukturen 210 dieselbe Größe und insbesondere denselben Querschnitt aufweisen. In einem ersten Radius r1 um einen Flächenschwerpunkt 212 der ersten Kathodeneinlassöffnung 206 ist eine Fläche A1 des Verteilerbereichs DA1 angeordnet. In einem zweiten Radius r2 um einen Flächenschwerpunkt 212 der Kathodeneinlassöffnung 206 ist eine zweite Fläche A2 des ersten Verteilerbereichs DA2 angeordnet. Der Anteil der von ersten Verteilerstrukturen 210 bedeckten Fläche an der Fläche A1 ist größer als der Anteil der von ersten Verteilerstrukturen 210 bedeckten Fläche an der Fläche A2. Insbesondere nimmt die Dichte der ersten Verteilerstrukturen 210 und somit deren Strömungswiderstand in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203 ab, wobei der Abstand benachbarter erster Verteilerstrukturen 210 zunimmt. Dadurch wird die Anströmung des Betriebsmittelströmungsfelds 203 über dessen gesamte Breite homogenisiert. In 4 is a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a first embodiment of the invention shown. The section shows the first supply area SA1 and the first distributor area DA1 of the cathode side of a bipolar plate and a section of the cathode operating medium flow field 203 , The first distributor region DA1 thereby connects the cathode inlet opening 206 fluid carrying the cathode resource flow field 203 , The anode inlet opening 204 and the coolant inlet port 208 are not fluidly connected to the cathode side of the bipolar plate and therefore shown hatched. In the first distributor area DA1 are first distributor structures 210 arranged, with all first distribution structures 210 have the same size and in particular the same cross-section. In a first radius r1 around a centroid 212 the first cathode inlet opening 206 an area A1 of the distributor area DA1 is arranged. In a second radius r2 around a centroid 212 the cathode inlet opening 206 a second surface A2 of the first distributor region DA2 is arranged. The proportion of first distribution structures 210 covered area at the area A1 is greater than the proportion of the first distribution structures 210 covered area at the area A2. In particular, the density of the first distributor structures decreases 210 and thus, its flow resistance in a direction perpendicular to a main flow direction of the cathode operation gas in the cathode resource flow field 203 where the distance between adjacent first distributor structures 210 increases. This will cause the flow of the resource flow field 203 homogenized over its entire width.

In 5 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Ausschnitt zeigt dabei den zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite angeordneten Kühlmittelbereich der Bipolarplatte. Dieser wird nur von der Kühlmitteleinlassöffnung 208 angeströmt, weswegen die Anodeneinlassöffnung 204 und die Kathodeneinlassöffnung 206 schraffiert dargestellt sind. Zwischen der mittig angeordneten Kühlmitteleinlassöffnung 208 und dem Kühlmittelströmungsfeld 203 ist ein erster Verteilerbereich DA1 mit darin ausgebildeten ersten Verteilerstrukturen 210 angeordnet, wobei alle ersten Verteilerstrukturen 210 in einer Draufsicht denselben Querschnitt, bevorzugt auch dasselbe Volumen, aufweisen. Dabei nimmt die Dichte der ersten Verteilerstrukturen 210 und somit deren Strömungswiderstand in zwei Richtungen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203, nämlich jeweils in Richtung der Peripheriebereiche der Bipolarplatte, ab. Dabei nimmt Abstand benachbarter erster Verteilerstrukturen 210 in diese beiden Richtungen zu. Dadurch wird die Anströmung des Betriebsmittelströmungsfelds 203 über dessen gesamte Breite homogenisiert. In 5 is a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention 20 according to a second embodiment of the invention. The section shows the coolant area of the bipolar plate arranged between the anode side and the cathode side. This is only from the coolant inlet 208 flowed, so the anode inlet opening 204 and the cathode inlet opening 206 hatched are shown. Between the centrally located coolant inlet opening 208 and the coolant flow field 203 is a first distributor region DA1 with first distributor structures formed therein 210 arranged, with all first distribution structures 210 in a plan view the same cross-section, preferably also the same volume. At the same time, the density of the first distributor structures decreases 210 and thus, its flow resistance in two directions perpendicular to a main flow direction of the cathode working gas in the cathode-medium flow field 203 , namely in each case in the direction of the peripheral regions of the bipolar plate, from. It takes distance of adjacent first distribution structures 210 in both directions too. This will cause the flow of the resource flow field 203 homogenized over its entire width.

In 6 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der gezeigte Ausschnitt der Bipolarplatte entspricht dabei dem in 5 gezeigten. Die Dichte der ersten Verteilerstrukturen 210 und somit deren Strömungswiderstand nimmt in zwei Richtungen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203, nämlich jeweils in Richtung der Peripheriebereiche der Bipolarplatte, und in einer Richtung parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Betriebsmittelströmungsfeld 203 ab. In einer Draufsicht sind die Querschnittsflächen der ersten Verteilerstrukturen 210, bevorzugt auch deren Volumina, dabei im gesamten ersten Verteilerbereich DA1 konstant. Dadurch wird zum einen die Anströmung des Betriebsmittelströmungsfelds 203 über dessen gesamte Breite homogenisiert und zum anderen der Strömungsdruck des Betriebsmittels nahe des Übergangs von dem ersten Verteilerbereich DA1 zu dem Betriebsmittelströmungsfeld 203 reduziert. Letzteres reduziert an diesem Übergang im Betriebsmittel auftretende Turbulenzen und verbessert die Homogenität der Durchströmung des Betriebsmittelströmungsfelds 203 weiter. In 6 is a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a third embodiment of the invention shown. The section of the bipolar plate shown corresponds to the in 5 shown. The density of the first distributor structures 210 and thus, its flow resistance increases in two directions perpendicular to a main flow direction of the cathode working gas in the cathode-medium flow field 203 namely, toward the peripheral areas of the bipolar plate, respectively, and in a direction parallel to a main flow direction of the cathode operation gas in the resource flow field 203 from. In a plan view, the cross-sectional areas of the first distributor structures 210 , Also preferred their volumes, while in the entire first distribution area DA1 constant. As a result, on the one hand the flow of the resource flow field 203 homogenized over its entire width and on the other hand, the flow pressure of the resource near the transition from the first manifold region DA1 to the resource flow field 203 reduced. The latter reduces turbulence occurring at this transition in the operating medium and improves the homogeneity of the flow through the operating medium flow field 203 further.

In 7 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der gezeigte Ausschnitt der Bipolarplatte entspricht dabei den in den 5 und 6 gezeigten. Dabei nimmt die Dichte der ersten Verteilerstrukturen 210 und somit deren Strömungswiderstand in zwei Richtungen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203, nämlich jeweils in Richtung der Peripheriebereiche der Bipolarplatte, ab. Dabei bleibt der Abstand benachbarter erster Verteilerstrukturen 210 in diese beiden Richtungen, insbesondere der Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten der Querschnittflächen benachbarter erster Verteilerstrukturen 210, jedoch konstant. Stattdessen verringert sich in einer Draufsicht die Querschnittsfläche der ersten Verteilerstrukturen 210 und bevorzugt auch deren Volumen. Dies hat denselben Einfluss auf die Flächenbelegung der ersten Verteilerstrukturen 210 und bewirkt dieselben vorteilhaften Effekte, wie mit Bezug auf 5 bereits beschrieben. In 7 is a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a fourth embodiment of the invention shown. The section of the bipolar plate shown corresponds to the in the 5 and 6 shown. At the same time, the density of the first distributor structures decreases 210 and thus, its flow resistance in two directions perpendicular to a main flow direction of the cathode working gas in the cathode-medium flow field 203 , namely in each case in the direction of the peripheral regions of the bipolar plate, from. The distance remains adjacent first distributor structures 210 in these two directions, in particular the distance between the centroids of the cross-sectional areas of adjacent first distributor structures 210 but constant. Instead, the cross-sectional area of the first distributor structures decreases in a plan view 210 and preferably also their volume. This has the same influence on the area occupancy of the first distributor structures 210 and effects the same advantageous effects as with reference to FIG 5 already described.

In 8 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Ausschnitt der Bipolarplatte entspricht dabei dem in 4 gezeigten Ausschnitt. In dem ersten Verteilerbereich DA1 sind erste Verteilerstrukturen 210 angeordnet, deren Draufsicht-Querschnittsfläche, bevorzugt auch deren Volumen, in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203 abnimmt. Somit ist auch hier der Anteil der von ersten Verteilerstrukturen 210 bedeckten Fläche in der Fläche A1 größer als in der Fläche A2. Dadurch wird die Anströmung des Betriebsmittelströmungsfelds 203 über dessen gesamte Breite homogenisiert. In 8th is a schematic representation of a section of a bipolar plate according to the invention according to a fifth embodiment of the invention shown. The section of the bipolar plate corresponds to the in 4 shown section. In the first distributor area DA1 are first distributor structures 210 arranged, whose plan view cross-sectional area, preferably also their volume, in a direction perpendicular to a main flow direction of the cathode operating gas in the cathode medium flow field 203 decreases. Thus, here is the proportion of the first distribution structures 210 covered area in area A1 greater than in area A2. This will cause the flow of the resource flow field 203 homogenized over its entire width.

In 9 ist eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer sechsten Ausführungsform dargestellt. Die in 9 gezeigte Bipolarplatte 20 weist eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 202 sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 201 auf. Auf der dargestellten Kathodenseite 202 ist im aktiven Bereich AA ein Betriebsmittelströmungsfeld 203 mit einer Vielzahl offener rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche über einen ersten Verteilerbereich DA1 mit der Kathodeneinlassöffnung 206 und über einen zweiten Verteilerbereich DA2 mit der Kathodenauslassöffnung 207 verbunden sind. Der Verteilerbereich DA2 kann auch Sammelbereich DA2 genannt werden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle des Betriebsmittelströmungsfelds 203, wobei dieses üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl von Betriebsmittelkanälen aufweist. Das Betriebsmittelströmungsfeld 203 weist hier eine Vielzahl zueinander paralleler Kanalstrukturen auf, die sich geradlinig und parallel zu einer Außenkante der Bipolarplatte 20 erstrecken. In 9 is a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention according to a sixth embodiment. In the 9 shown bipolar plate 20 has a cathode side visible in the illustration 202 and an invisible anode side 201 on. On the illustrated cathode side 202 is a resource flow field in active area AA 203 formed with a plurality of open channel-like channel structures, which via a first distributor region DA1 with the cathode inlet opening 206 and via a second manifold region DA2 with the cathode outlet opening 207 are connected. The distribution area DA2 can also be called collection area DA2. Only five exemplary resource channels of the resource flow field are shown 203 This usually has a much larger number of resource channels. The resource flow field 203 Here, a plurality of mutually parallel channel structures, which are rectilinear and parallel to an outer edge of the bipolar plate 20 extend.

Die in 9 gezeigte Bipolarplatte 20 weist auf ihrer Kathodenseite 202 zwei Verteilerbereiche DA1 und DA2 auf, wobei in dem ersten Verteilerbereich DA1 erste Verteilerstrukturen 210 und in dem zweiten Verteilerbereich DA2 zweite Verteilerstrukturen 211 angeordnet sind. Die Verteilerstrukturen 210, 211 sind dafür eingerichtet von dem Kathodenbetriebsmittel in dem jeweiligen Verteilerbereich umströmt zu werden und sind dafür erhaben ausgebildet. Die ersten und die zweiten Verteilerstrukturen 210, 211 sind dabei in dem ersten beziehungsweise zweiten Verteilerbereich DA1, DA2 entsprechend der in 4 gezeigten Ausführungsform angeordnet. Somit weisen die ersten und die zweiten Verteilerstrukturen im ersten und im zweiten Verteilerbereich DA1, DA2 jeweils eine in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsmittels im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203 abnehmende Dichte auf. Somit wird im ersten Verteilerbereich DA1 eine homogene Anströmung des Betriebsmittelströmungsfelds 203 entlang dessen gesamter Breite erzielt. Im zweiten Verteilerbereich wird das entlang der gesamten Breite des Betriebsmittelströmungsfelds 203 aus diesem austretende Betriebsmittel gleichmäßig der Kathodenauslassöffnung zugeführt. Im Gegensatz zu einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik, wie beispielsweise in 3 dargestellt, kann somit auf eine versetzte (diagonale) Anordnung von Kathodeneinlassöffnung 206 und Kathodenauslassöffnung 205 verzichtet und dennoch ein gleichmäßiges Durchströmen des gesamten Betriebsmittelströmungsfelds 203 sichergestellt werden. Die in 9 nicht dargestellte Anodenseite ist entsprechend aufgebaut, wie anhand der schraffiert dargestellten und gegenüberliegend angeordneten Anodeneinlassöffnung 204 und Anodenauslassöffnung 205 sichtbar ist. Somit kann vorteilhaft auf ein Kreuzen von Betriebsmittelströmen in den Verteilerbereichen DA1 und DA2 verzichtet und die Bauhöhe der Bipolarplatte reduziert werden. In the 9 shown bipolar plate 20 indicates on its cathode side 202 two distribution areas DA1 and DA2, wherein in the first distribution area DA1 first distribution structures 210 and second distributor structures in the second distributor region DA2 211 are arranged. The distribution structures 210 . 211 are adapted to be flowed around by the cathode operating medium in the respective distributor area and are designed for this sublime. The first and second distribution structures 210 . 211 are in the first and second distribution area DA1, DA2 according to the in 4 shown embodiment arranged. Thus, the first and second manifold structures in the first and second manifold regions DA1, DA2 each have a direction perpendicular to a main flow direction of the cathode operating medium in the cathode fluid flow field 203 decreasing density. Thus, in the first manifold region DA1 a homogeneous flow of the resource flow field 203 achieved along the entire width. In the second manifold region this becomes along the entire width of the resource flow field 203 from this escaping equipment evenly supplied to the cathode outlet. In contrast to a bipolar plate according to the prior art, such as in 3 thus, can be placed on an offset (diagonal) array of cathode inlet opening 206 and cathode outlet 205 omitted and still a uniform flow through the entire resource flow field 203 be ensured. In the 9 not shown anode side is constructed accordingly, as shown by the hatched and oppositely arranged anode inlet opening 204 and anode outlet 205 is visible. Thus can advantageously be omitted on a crosses of resource streams in the manifold areas DA1 and DA2 and the overall height of the bipolar plate can be reduced.

In 10(A) ist eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer siebenten Ausführungsform und in 10(B) ist eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß einer achten Ausführungsform dargestellt. In 10 (A) is a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention according to a seventh embodiment and in 10 (B) is a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention according to an eighth embodiment shown.

Der gezeigte Ausschnitt der Bipolarplatte entspricht dabei denen in den 5 bis 7 gezeigten. Wie in der 10 dargestellt ist das Betriebsmittelströmungsfeld 203 der Bipolarplatte 20 bevorzugt durch eine bestimmte Anzahl von Kanälen, jeweils mit einem Kanaleinlass und einem stromabwärts davon gelegenen Kanalauslass, gebildet. Exemplarisch sind in den 10(A) acht und in 10(B) sieben Betriebsmittelkanäle dargestellt, wobei es bei realen Bipolarplatten weitaus mehr sind. Die Kanaleinlässe der Kanäle grenzen jeweils an den ersten Verteilerbereich DA1. Wie in den 10(A) und (B) gezeigt, sind sieben erste Verteilerstrukturen in gleichem Abstand zu einer gedachten, die Kanaleinlässe verbindenden Linie stromaufwärts der Kanaleinlässe angeordnet. Die bestimmte Anzahl der letzten Reihe erster Verteilerstrukturen steht somit in einem ganzzahligen Verhältnis, nämlich 1:1, zu der Anzahl der Kanäle, 10(A), oder der zwischen den Kanälen liegenden Wandungen, 10(B). Dabei sind die ersten Verteilerstrukturen jeweils mittig zu einem Kanaleinlass angeordnet, wie in 10(A) gezeigt, oder in Verlängerung einer Wandung zwischen den Kanälen ausgerichtet, wie in 10(B) gezeigt Durch diese harmonische Anordnung einer stromaufwärts der Kanaleinlässe des Betriebsmittelströmungsfelds 203 angeordneten letzten Reihe erster Verteilerstrukturen 210 werden Inhomogenitäten beim Übergang des Betriebsmittels vom ersten Verteilerbereich DA1 in das Betriebsmittelströmungsfeld 203 vermieden und das Betriebsmittelströmungsfeld 203 wird gleichmäßiger vom Betriebsmittel durchströmt. Die in den 10(A), (B) gezeigten letzten Reihen erster Verteilerstrukturen 210 sind zudem aus weniger ersten Verteilerstrukturen 210 gebildet als die stromaufwärts davon angeordneten Reihen erster Verteilerstrukturen 210. Somit nimmt die Dichte der ersten Verteilerstrukturen 210 und somit deren Strömungswiderstand in einer Richtung parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Kathodenbetriebsgases im Kathodenbetriebsmittelströmungsfeld 203 ab. Dies hat die vorteilhaften Effekte wie obenstehend beschrieben. The section of the bipolar plate shown corresponds to those in the 5 to 7 shown. Like in the 10 shown is the resource flow field 203 the bipolar plate 20 preferably formed by a certain number of channels, each with a channel inlet and a channel outlet located downstream thereof. Exemplary are in the 10 (A) eight and in 10 (B) represented seven resource channels, which are much more in real bipolar plates. The channel inlets of the channels each adjoin the first manifold region DA1. As in the 10 (A) and (B), seven first manifold structures are equidistant from an imaginary line connecting the channel inlets located upstream of the channel inlets. The particular number of the last row of first distributor structures is thus in an integer ratio, namely 1: 1, to the number of channels, 10 (A) , or the walls lying between the channels, 10 (B) , Here are the first distributor structures are each arranged centrally to a channel inlet, as in 10 (A) shown, or aligned in extension of a wall between the channels, as in 10 (B) Shown by this harmonic arrangement of one upstream of the channel inlets of the resource flow field 203 arranged last row of first distribution structures 210 become inhomogeneities in the transition of the resource from the first manifold area DA1 in the resource flow field 203 avoided and the resource flow field 203 is more evenly flowed through by the equipment. The in the 10 (A) , (B) shown last rows of first distributor structures 210 are also from fewer first distribution structures 210 formed as the rows arranged upstream thereof first distributor structures 210 , Thus, the density of the first distributor structures decreases 210 and thus, its flow resistance in a direction parallel to a main flow direction of the cathode working gas in the cathode-medium flow field 203 from. This has the advantageous effects as described above.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Brennstoffzelle fuel cell
10 10: Membran-Elektroden-Anordnung Membrane electrode assembly
101 101: Anodenseite anode side
102 102: Kathodenseite cathode side
104 104: Anodeneinlassöffnung Anode inlet opening
105 105: Anodenauslassöffnung Anodenauslassöffnung
106 106: Kathodeneinlassöffnung Cathode inlet opening
107 107: Kathodenauslassöffnung Kathodenauslassöffnung
108 108: Kühlmitteleinlassöffnung Coolant inlet port
109 109: Kühlmittelauslassöffnung coolant outlet
11 11: Polymerelektrolytmembran Polymer electrolyte membrane
12 12: Kathode cathode
13 13: Anode anode
14 14: Stützschicht backing
15 15: Gasdiffusionslage Gas diffusion layer
16 16: Dichtung poetry
20 20: Bipolarplatte bipolar
201 201: Anodenseite anode side
202 202: Kathodenseite cathode side
203 203: Betriebsmittelströmungsfeld Resources flow field
204 204: Anodeneinlassöffnung Anode inlet opening
205 205: Anodenauslassöffnung Anodenauslassöffnung
206 206: Kathodeneinlassöffnung Cathode inlet opening
207 207: Kathodenauslassöffnung Kathodenauslassöffnung
208 208: Kühlmitteleinlassöffnung Coolant inlet port
209 209: Kühlmittelauslassöffnung coolant outlet
210 210: erste Verteilerstrukturen first distribution structures
211 211: zweite Verteilerstrukturen second distribution structures
212 212: Flächenschwerpunkt einer Betriebsmitteldurchgangsöffnung Centroid of a resource passage opening

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/024400 A1 [0010]
DE 101063631 A1 [0010]
DE 102014206336 A1 [0011]

Claims

Bipolar plate ( 20 ) for a fuel cell ( 100 ), comprising: a first resource port ( 204 . 206 . 208 ) for supplying a resource; an operating medium flow field (A) arranged in an active area (AA) 203 ); one the first resource port ( 204 . 206 . 208 ) and the resource flow field ( 203 ) fluid leading connecting first manifold region (DA1); and first distributor structures arranged in the first distributor region (DA1) and in the form of elevations which can be flown around by the operating medium ( 210 ), characterized in that an area coverage of first distributor structures ( 210 ) in a first radius (r1) around a centroid ( 212 ) of the first resource port ( 204 . 206 . 208 ) arranged surface (A1) of the first distributor region (DA1) is less than an area coverage of first distributor structures ( 210 ) in one in a second radius (r2) around the centroid ( 212 ) of the first resource port ( 204 . 206 . 208 ) arranged surface (A2) of the first distributor region (DA1), wherein the first radius (r1) is less than the second radius (r2).

Bipolar plate ( 20 ) according to claim 1, characterized in that with increasing radius (r1, r2) around the centroid ( 212 ) of the first resource port ( 204 . 206 . 208 ) in an area (A1, A2) of the first distributor region (DA1) arranged within this radius (r1, r2), an average volume of the first distributor structures ( 210 ) decreases.

Bipolar plate ( 20 ) according to claim 1 or 2, characterized in that with increasing radius (r1, r2) about the centroid ( 212 ) of the first resource port ( 204 . 206 . 208 in a surface (A1, A2) of the first distributor region (DA1) arranged within this radius (r1, r2), a distance between adjacent first distributor structures ( 210 ) increases.

Bipolar plate ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that with increasing radius (r1, r2) of a centroid ( 212 ) of the first resource port ( 204 . 206 . 208 ) in a within this radius (r1, r2) arranged surface (A1, A2) of the first distributor region (DA1) a shape of the first distributor structures ( 210 ) changes.

Bipolar plate ( 20 ) according to claim 4, characterized in that with increasing radius (r1, r2) around the centroid ( 212 ) of the first resource port ( 204 . 206 . 208 in a surface (A1, A2) of the first distributor region (DA1) arranged within this radius (r1, r2), the flow resistance coefficient of the first distributor structures ( 210 ) decreases.

Bipolar plate ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the resource flow field ( 203 ) is formed by a certain number of channels, having a plurality of channel inlets and a plurality of channel outlets located downstream thereof; a certain number of first distribution structures ( 210 ) has a certain distance to a line connecting the plurality of channel inlets; and the specific number of first distribution structures ( 210 ) is in an integer ratio to the particular number of channels or walls lying between them.

Bipolar plate ( 20 ) according to one of the preceding claims, further comprising: a second resource through-hole (16); 205 . 207 . 209 ) for discharging the resource; one the second resource through port ( 205 . 207 . 209 ) and the resource flow field ( 203 ) fluid leading connecting second manifold region; and second distributor structures arranged in the second distributor region (DA2) and formed as bumps that can be flowed around by the operating medium ( 211 ), characterized in that an area coverage of second distribution structures ( 211 ) in one of a first radius about a centroid of the second resource through-hole (FIG. 205 . 207 . 209 ) surface area of the second distributor region (DA2) is less than an area coverage of second distributor structures ( 211 ) in a second radius around the centroid of the second resource port ( 205 . 207 . 209 ) arranged surface of the second distributor region (DA2), wherein the first radius (r1) is less than the second radius (r2).

Bipolar plate ( 20 ) according to claim 7, characterized in that the first resource passage opening ( 204 . 206 . 208 ) and the second resource port ( 205 . 207 . 209 ) on opposite sides of the resource flow field (FIG. 203 ) and along a main flow direction of the resource in the resource flow field (FIG. 203 ) are arranged.

Fuel cell ( 100 ) with a bipolar plate ( 20 ) according to one of claims 1 to 8.

Vehicle with a bipolar plate ( 20 ) according to one of claims 1 to 8 or a fuel cell ( 100 ) according to claim 9.