DE102018114006A1 - Bipolar plate and fuel cell having a bipolar plate - Google Patents

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Jan Haußmann
Hanna Östreicher
Jürgen Remmlinger
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10, 10') zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (12), umfassend ein Gasverteilerelement (14), welches eine Mehrzahl von Kanälen (16) zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle (12) aufweist, wobei das Gasverteilerelement (14) eine Mehrzahl von in einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases nebeneinander angeordneten Strömungselementen (20) aufweist, wobei jedes Strömungselement (20) entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases einen eine Wellenform ausbilden Metallstreifen mit jeweils Wellentälern (22) und Wellenbergen (24) aufweist derart, dass die Wellentäler (22) und Wellenberge (24) zweier benachbarter Strömungselemente (20) jeweils in der Hauptströmungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Wellentäler (22) aller Strömungselemente (20) in einer ersten Ebene (E1) liegen und weiterhin die Wellenberge (24) aller Strömungselemente (20) in einer zweiten Ebene (E2) liegen, und wobei die Wellentäler (22) und die Wellenberge (24) jeweils eine planare Anlagefläche (16, 28) für einen Kontakt mit einem Gegenelement ausbilden.The present invention relates to a bipolar plate (10, 10 ') for mounting in a fuel cell (12), comprising a gas distributor element (14) having a plurality of channels (16) for distributing a reaction gas for operating the fuel cell (12) the gas distributor element (14) has a plurality of flow elements (20) juxtaposed in a main flow direction of the reaction gas, each flow element (20) along the main flow direction of the reaction gas forming a wavy metal strip with wave troughs (22) and wave crests (24) in that the wave troughs (22) and wave crests (24) of two adjacent flow elements (20) are offset relative to each other in the main flow direction, the wave troughs (22) of all flow elements (20) lying in a first plane (E1) and furthermore the wave crests (24) all flow elements (20) in a second plane (E2) lie, and wherein the troughs (22) and the wave crests (24) each form a planar abutment surface (16, 28) for contact with a counter-element.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle aufweisend eine derartige Bipolarplatte.The present invention relates to a bipolar plate for a fuel cell. The present invention further relates to a fuel cell comprising such a bipolar plate.

Brennstoffzellen sind als alternativer Energiewandler weitläufig bekannt. Sie umfassen meist eine Bipolarplatte, die beispielsweise als wesentlicher Teil einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle einzelne Zellen zu einem Brennstoffzellenstapel in Reihe verbindet. Dabei umfasst eine Zelle meist eine Bipolarplatte, eine Gasdiffusionslage und eine Katalysatorschicht jeweils auf Kathoden- und Anodenseite, die durch eine Membran elektrisch getrennt sind. Die Bipolarplatte weist sowohl auf der Anodenseite, als auch auf der Kathodenseite ein Gasverteilerfeld auf, welche unterschiedlich geformt sein können. Diese Verteilerfelder haben die Aufgabe, die Gase gleichmäßig zu verteilen, so dass eine homogene Verteilung in der Katalysatorschicht erreicht wird. In der Katalysatorschicht läuft die Reaktion unter Beteiligung der Reaktionsgase ab. In der Katalysatorschicht der Kathode entsteht dabei Wasser, das aufgrund einer Temperatur von unter 100°C auch flüssig auftritt. Die Membran ist wasserdurchlässig, so dass flüssiges Wasser sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite auftreten kann. Die Verteilerfeldplatte hat somit neben der Gaszuführung auch die Aufgabe, das entstehende Wasser aus der Zelle auszutragen.Fuel cells are widely known as alternative energy converters. They usually comprise a bipolar plate which, for example, connects individual cells to a fuel cell stack in series as an essential part of a polymer electrolyte membrane fuel cell. In this case, a cell usually comprises a bipolar plate, a gas diffusion layer and a catalyst layer each on the cathode and anode side, which are electrically separated by a membrane. The bipolar plate has both on the anode side, as well as on the cathode side, a gas distributor field, which can be shaped differently. These distribution fields have the task of distributing the gases evenly, so that a homogeneous distribution in the catalyst layer is achieved. In the catalyst layer, the reaction proceeds with the participation of the reaction gases. In the catalyst layer of the cathode while water is formed, which occurs due to a temperature of less than 100 ° C and liquid. The membrane is permeable to water, so that liquid water can occur on both the cathode and on the anode side. The distribution field plate thus has in addition to the gas supply and the task of discharging the resulting water from the cell.

Stand der Technik ist, dass die Form einer Bipolarplatte so ausgeformt ist, dass jeweils Kanäle gebildet werden, durch die die Reaktionsgase strömen und Stege, die die Gasdiffusionslage und damit die Katalysatorschicht elektrisch und thermisch kontaktieren. Üblicherweise stellen sich unter den Stegen kältere und schlecht durchströmte Bereiche ein, die unter feuchten Betriebsbedingungen zu Wasseransammlungen in diesen Bereichen führen. Dies führt in der Regel zu einer schlechteren Leistung der Brennstoffzelle.State of the art is that the shape of a bipolar plate is formed so that in each case channels are formed, through which the reaction gases flow and webs, which contact the gas diffusion layer and thus the catalyst layer electrically and thermally. Typically, under the webs colder and poorly traversed areas, which lead to water accumulation in these areas under humid operating conditions. This usually leads to a poorer performance of the fuel cell.

DE10 2007 009 905 A1 beschreibt beispielsweise eine Brennstoffzelle, bei welcher ein Brenngasströmungsfeld an einer Oberfläche eines rechteckigen ersten Metallseparators ausgebildet ist. Das Brenngasströmungsfeld enthält Strömungsnuten, die sich in der Schwerkraftrichtung erstrecken. Ein Auslasspuffer ist am Unterende des Brenngasströmungsfelds vorgesehen. Der Auslasspuffer enthält eine geneigte Oberfläche, die zu dem Brenngasabführkanal hin geneigt ist. Der Brenngasabführkanal ist unter dem Auslasspuffer angeordnet. Auslasskanalnuten sind durch Rippen gebildet, die zwischen dem Brenngasabführkanal und dem Auslasspuffer vorgesehen sind. Unterenden der Rippen sind in einem Zick-Zack-Muster angeordnet. DE10 2007 009 905 A1 describes, for example, a fuel cell in which a fuel gas flow field is formed on a surface of a rectangular first metal separator. The fuel gas flow field includes flow grooves extending in the direction of gravity. An exhaust buffer is provided at the lower end of the fuel gas flow field. The outlet buffer includes a sloped surface that slopes toward the fuel gas discharge passage. The fuel gas discharge passage is located below the discharge buffer. Outlet channel grooves are formed by fins provided between the fuel gas discharge passage and the discharge buffer. Bottoms of the ribs are arranged in a zigzag pattern.

US 9,306,228 B2 beschreibt eine Brennstoffzelle, die einen Gaskanal zum Leiten von Sauerstoffgas aufweist. Dieser Gaskanal weist wellenförmige Bereiche auf, die in Flussrichtung des Gases übereinander angeordnet sind. US 9,306,228 B2 describes a fuel cell having a gas passage for conducting oxygen gas. This gas channel has wave-shaped regions, which are arranged one above the other in the direction of flow of the gas.

DE 11 2009 001 377 T5 beschreibt ein Gasströmungsweg-bildendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei das Gasströmungsweg-bildende Element aus einer Metallgitterstruktur besteht, die aus einer dünnen Metallplatte gebildet ist, wobei eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen in der Metallgitterstruktur nach Art eines Gitters ausgebildet sind, wobei das Gasströmungsweg-bildende Element eine Vielzahl von ringförmigen Abschnitten aufweist, welche die durchgehenden Öffnungen bilden, wobei die ringförmigen Abschnitte jeweils einen flachen Oberflächenabschnitt in einem Kontaktabschnitt zwischen dem ringförmigen Abschnitt und der Gasdiffusionsschicht aufweisen. DE 11 2009 001 377 T5 describes a gas flow path forming member for use in a fuel cell, wherein the gas flow path forming member is made of a metal grid structure formed of a thin metal plate, wherein a plurality of through holes in the metal grid structure are formed like a grid, the gas flow path forming member having a plurality of annular portions forming the through-holes, the annular portions each having a flat surface portion in a contact portion between the annular portion and the gas diffusion layer.

DE 11 2009 004 658 B4 beschreibt ein Gaskanal-Ausbildungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei das Gaskanal-Ausbildungselement aus einem Streckmetall ausgeführt ist, das von einer dünnen Metallplatte gebildet wird, wobei eine Mehrzahl von Ringabschnitten, die jeweils eine Durchgangsöffnung aufweisen, im Gaskanal-Ausbildungselement ausgebildet und gitterförmig im Gaskanal-Ausbildungselement angeordnet ist, die Ringabschnitte durch Verbindungsstegabschnitte untereinander verbunden sind, wobei jeder der Verbindungsstegabschnitte in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Gases geneigt ist, jeder Verbindungsstegabschnitt einen ersten geneigten Plattenabschnitt aufweist, der gegen eine Rückseite des Separators anliegend gehalten ist, und einen zweiten geneigten Plattenabschnitt aufweist, der gegen eine Oberfläche der Gasdiffusionsschicht anliegend gehalten ist. Dabei wird lediglich ein linienförmiger Kontakt zwischen einem Gaskanal-Ausbildungselement und einem Separator einerseits beziehungsweise einer Gasdiffusionsschicht andererseits ausgebildet. In Blickrichtung einer Gasströmungsrichtung Pg weist das Gaskanal-Ausbildungselement im Schnittbild entlang eines solchen linienförmigen Kontakts einen wellenförmigen Verlauf auf. DE 11 2009 004 658 B4 describes a gas passage forming member for use in a fuel cell, wherein the gas passage forming member is made of an expanded metal, which is formed of a thin metal plate, wherein a plurality of ring portions, each having a through hole formed in the gas channel forming member and lattice-shaped Gas channel forming member is arranged, the ring portions are interconnected by connecting web portions, wherein each of the connecting web portions is inclined with respect to a flow direction of the gas, each connecting web portion has a first inclined plate portion, which is held against a rear side of the separator and a second inclined Plate portion which is held against a surface of the gas diffusion layer adjacent. In this case, only a linear contact between a gas channel forming element and a separator on the one hand or a gas diffusion layer on the other hand is formed. In the direction of a gas flow direction Pg, the gas channel formation element has a wave-shaped profile in the sectional view along such a linear contact.

DE 10 2015 207 397 A1 beschreibt eine poröse Kanalstruktur für eine Brennstoffzelle enthaltend eine Kanalplatte mit einer Mehrzahl Stegteile, die eine Gasdiffusionsschicht (GDL) berühren, um einen wellenförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung des Gases zu bilden, und eine Mehrzahl Kanalteile, die eine ebene Platte berühren, um Wasserdichtheit herzustellen, und die eine Kanalöffnung haben, durch die Reaktionsgas strömt. Die Kanalöffnung ist so gestanzt, dass sie einen Abschnitt mindestens entweder eines Stegteils der Mehrzahl Stegteile oder eines Kanalteils der Mehrzahl Kanalteile enthält. DE 10 2015 207 397 A1 describes a porous channel structure for a fuel cell including a channel plate having a plurality of land portions contacting a gas diffusion layer (GDL) to form a wave-shaped cross-section in the flow direction of the gas, and a plurality of channel portions contacting a flat plate to provide watertightness; having a channel opening through which reaction gas flows. The channel opening is stamped to include a portion of at least one of a web portion of the plurality Includes web portions or a channel portion of the plurality of channel parts.

DE 10 2014 223 735 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle, die umfasst eine Katalysatorschicht, an der Wasserstoffgas oder Luft durch ihre beiden Oberflächen eingeführt wird; einen ersten Separator, der an einer ersten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten Kanälen umfasst, so dass ein erstes Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft strömen kann; und einen zweiten Separator, der an der zweiten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen umfasst, die in einer Richtung senkrecht zu den ersten Kanälen angeordnet sind. Insbesondere umfasst jeder der zweiten Kanäle eine Mehrzahl von Lüftungsöffnungen, so dass ein zweites Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft in einer Richtung senkrecht zu den zweiten Kanälen strömen kann. DE 10 2014 223 735 A1 describes a fuel cell comprising a catalyst layer at which hydrogen gas or air is introduced through its two surfaces; a first separator disposed on a first side of the catalyst layer and including a plurality of first channels so that a first reactant can flow under the hydrogen gas and the air; and a second separator disposed on the second side of the catalyst layer and including a plurality of second channels arranged in a direction perpendicular to the first channels. More specifically, each of the second channels includes a plurality of vents so that a second reactant can flow under the hydrogen gas and the air in a direction perpendicular to the second channels.

DE10 2014 224 025 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenseparator und eine Brennstoffzelle mit dem Brennstoffzellenseparator. Der Brennstoffzellenseparator umfasst eine durch erste Seiten und zweite Seiten der Kanäle gebildete Einlässe und Auslässe, so dass das in die Kanäle eingeleitete Reaktionsmittel senkrecht zu den Kanälen strömt. Insbesondere sind die Einlässe höher als die Auslässe angeordnet. DE10 2014 224 025 A1 describes a fuel cell separator and a fuel cell with the fuel cell separator. The fuel cell separator includes inlets and outlets formed by first sides and second sides of the channels so that the reactant introduced into the channels flows perpendicular to the channels. In particular, the inlets are arranged higher than the outlets.

DE 10 2012 209 851 A1 beschreibt einen durchlässigen Separator für eine Brennstoffzelle. Der durchlässige Separator enthält eine Strömungsplatte und eine flache Platte. Die Strömungsplatte enthält eine erste Strömungsoberfläche, welche nach oben geneigt ist und eine erste Vielzahl an Strömungsöffnungen aufweist, und eine zweite Strömungsoberfläche, welche nach unten geneigt ist und eine zweite Vielzahl an Strömungsöffnungen aufweist, welche entlang einer Längsrichtung der Strömungsplatte wiederholt angeordnet sind. Die Strömungsplatte ist zwischen einer Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle und einer flachen Platte angeordnet, um die Strömungsplatte abzudichten und einen Strömungsweg für Wasserstoff oder Luft in derselben zu erzeugen. DE 10 2012 209 851 A1 describes a permeable separator for a fuel cell. The permeable separator includes a flow plate and a flat plate. The flow plate includes a first flow surface which is upwardly inclined and has a first plurality of flow openings, and a second flow surface which is downwardly inclined and has a second plurality of flow openings which are repeatedly arranged along a longitudinal direction of the flow plate. The flow plate is disposed between a gas diffusion layer of a fuel cell and a flat plate to seal the flow plate and to provide a flow path for hydrogen or air therein.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere bezüglich der Gasverteilung etwa in Kombination mit einer kostengünstigen Herstellbarkeit.Such known from the prior art solutions can offer even further improvement potential, in particular with regard to the gas distribution, for example in combination with a cost-effective manufacturability.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche bei einer Bipolarplatte eine effektive Verteilung des einströmenden Gases ermöglicht wird und/oder welche kostengünstig herstellbar ist.It is the object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art. In particular, it is the object of the present invention to provide a solution by means of which, in the case of a bipolar plate, an effective distribution of the inflowing gas is made possible and / or which can be produced cost-effectively.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The object is achieved according to the invention by a bipolar plate with the features of claim 1. The object is achieved according to the invention further by a fuel cell with the features of claim 9. Preferred embodiments of the invention are described in the subclaims, in the description or the figures, wherein further features described or shown in the subclaims or in the description or the figures, individually or in any combination, may constitute an object of the invention, if the context does not clearly indicate otherwise.

Es wird vorgeschlagen eine Bipolarplatte zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, umfassend ein Gasverteilerelement, welches eine Mehrzahl von Kanälen zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle aufweist, wobei das Gasverteilerelement eine Mehrzahl von in einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases nebeneinander angeordneten Strömungselementen aufweist, wobei jedes Strömungselement entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases einen eine Wellenform ausbildenden Metallstreifen mit jeweils Wellentälern und Wellenbergen aufweist derart, dass die Wellentäler und Wellenberge zweier benachbarter Strömungselemente jeweils in der Hauptströmungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Wellentäler aller Strömungselemente in einer ersten Ebene E1 liegen und weiterhin die Wellenberge aller Strömungselemente in einer zweiten Ebene E2 liegen, und wobei die Wellentäler und die Wellenberge jeweils eine planare Anlagefläche für einen Kontakt mit einem Gegenelement ausbilden.It is proposed a bipolar plate for arrangement in a fuel cell, comprising a gas distributor element, which has a plurality of channels for distributing a reaction gas for operating the fuel cell, wherein the gas distributor element has a plurality of juxtaposed in a main flow direction of the reaction gas flow elements, each flow element along the main flow direction of the reaction gas has a waveform forming metal strip with wave troughs and wave crests in such a way that the wave troughs and wave crests of two adjacent flow elements are arranged offset to each other in the main flow direction to each other, wherein the wave troughs of all flow elements in a first plane E1 lie and continue the wave crests of all the flow elements in a second plane E2 lie, and wherein the wave troughs and the wave crests each form a planar contact surface for contact with a counter element.

Eine derartige Bipolarplatte stellt eine Lösung bereit, durch welche eine effektive und homogene Verteilung des einströmenden Reaktionsgases ermöglicht wird und/oder welche kostengünstig herstellbar ist.Such a bipolar plate provides a solution by which an effective and homogeneous distribution of the incoming reaction gas is made possible and / or which is inexpensive to produce.

Es wird somit eine Bipolarplatte zur Anordnung in einer Brennstoffzelle vorgeschlagen. Eine derartige Bipolarplatte kann in einer Brennstoffzelle insbesondere dazu dienen, die aktiven Schichten der Brennstoffzelle, wie etwa vorhandene Katalysatorschichten, beispielsweise unter Verwendung von auf den Katalysatorschichten angeordneten Gasdiffusionsschichten, mit den entsprechenden Reaktionsgasen zu versorgen. Die Bipolarplatte kann ferner dazu ausgestaltet sein, eine Mehrzahl von Zellen elektrisch miteinander zu verbinden, wie etwa in Reihe zu schalten. Ferner kann eine Bipolarplatte im Sinne der vorliegenden Erfindung dazu dienen, als Endplatte zu dienen, um so eine am Ende eines Stapels angeordnete Elektrode mit einem Gas zu versorgen.It is thus proposed a bipolar plate for arrangement in a fuel cell. Such a bipolar plate can in particular serve in a fuel cell to supply the active layers of the fuel cell, such as existing catalyst layers, for example using gas diffusion layers arranged on the catalyst layers, with the corresponding reaction gases. The bipolar plate may be further configured to electrically connect a plurality of cells, such as in series. Further, a bipolar plate in the sense of the present invention can serve to serve as an end plate, so as to supply a gas arranged at the end of a stack to an electrode.

Die Bipolarplatte ist ausgebildet aus einem, beziehungsweise umfasst ein, Gasverteilerelement, welches eine Mehrzahl von Kanälen zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle aufweist. Somit dient die Bipolarplatte, beziehungsweise ihr Gasverteilerelement, dazu, ein Betriebsgas beziehungsweise Reaktionsgas (die Begriffe werden nachfolgend synonym verwendet) der Brennstoffzelle möglichst homogen und möglichst effektiv zu verteilen. Dies kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da die Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle meist benachbart zu entsprechenden Elektroden angeordnet ist und diese möglichst effektiv mit dem jeweiligen Betriebsgas versorgt werden sollten. Eine Elektrode kann dabei beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht umfassen welche die Bipolarplatte kontaktierend angeordnet ist und dazu dient, ein Reaktionsgas zu einer benachbart zu der Gasdiffusionsschicht angeordneten Katalysatorlage zuzuführen. In der Katalysatorlage kann die eigentliche Reaktion stattfinden. Die Elektrode beziehungsweise die Katalysatorlage ist durch eine Membran von einer entgegengesetzt gepolten Elektrode, wie etwa ebenfalls einer Katalysatorlage, getrennt. The bipolar plate is formed from or comprises a gas distributor element, which has a plurality of channels for distributing a reaction gas for operating the fuel cell. Thus, the bipolar plate, or its gas distributor element, serves to distribute an operating gas or reaction gas (the terms are used synonymously below) to the fuel cell as homogeneously as possible and as effectively as possible. This may be particularly advantageous since the bipolar plate is arranged in a fuel cell usually adjacent to corresponding electrodes and they should be supplied as effectively as possible with the respective operating gas. An electrode may, for example, comprise a gas diffusion layer which is arranged to contact the bipolar plate and serves to supply a reaction gas to a catalyst layer arranged adjacent to the gas diffusion layer. In the catalyst layer, the actual reaction can take place. The electrode or the catalyst layer is separated by a membrane from an oppositely poled electrode, such as also a catalyst layer.

Um eine möglichst effektive Verteilung der Betriebsgase zu ermöglichen, ist es bei der vorstehend definierten Bipolarplatte vorgesehen, dass das Gasverteilerelement eine Mehrzahl von entlang der Hauptströmungsrichtung des Gases nebeneinander angeordneten Strömungselementen aufweist. Die Hauptströmungsrichtung ist dabei insbesondere die Richtung, in welcher das jeweilige Betriebsgas die Bipolarplatte als Gesamtrichtung durchströmt, beispielsweise in das Gasverteilerelement strömt. Diese kann etwa definiert sein als die Summe sämtlicher Richtungsvektoren des in dem Gasverteilerelement strömenden Reaktionsgases.In order to enable the most effective possible distribution of the operating gases, it is provided in the above-defined bipolar plate that the gas distributor element has a plurality of along the main flow direction of the gas juxtaposed flow elements. The main flow direction is in particular the direction in which the respective operating gas flows through the bipolar plate as an overall direction, for example, flows into the gas distribution element. This may be approximately defined as the sum of all the direction vectors of the reaction gas flowing in the gas distributor element.

Ferner sind die Strömungselemente erfindungsgemäß derartig ausgestaltet, dass diese streifenförmig bzw. als Metallstreifen ausgestaltet sind und damit eine verglichen zu ihrer Breite eine größere Länge aufweisen. In anderen Worten sind die Strömungselemente derart ausgestaltet, dass die Breite dieser Strömungselementreihe begrenzt ist und diese an benachbarte Strömungselemente angrenzen.Furthermore, the flow elements according to the invention are designed such that they are configured in strip form or as metal strips and thus have a greater length compared to their width. In other words, the flow elements are designed such that the width of this flow element row is limited and adjacent to adjacent flow elements.

Dabei ist es ferner vorgesehen, dass die Strömungselemente der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases folgend eine Wellenform ausbilden beziehungsweise einer Wellenform folgen mit jeweils Wellentälern und Wellenbergen derart, dass die Wellentäler und Wellenberge zweier benachbarter Strömungselemente jeweils zueinander versetzt sind. In anderen Worten ist ein benachbartes Strömungselement um insbesondere eine Wellenform oder einen Anteil der Wellenform in Richtung der Gasströmung beziehungsweise in Hauptströmungsrichtung des Gases versetzt angeordnet. Beispielsweise weist ein Strömungselement oder weisen mehrere oder sämtliche Strömungselemente in der Hauptströmungsrichtung eine sich wiederholende Wellenform auf, wobei sich die Wellenform insbesondere in gleicher Weise beziehungsweise regelmäßig wiederholt. Derartige Strömungselemente können entsprechend Strömungselemente darstellen, welche die Betriebsgase effektiv verteilen.It is further provided that the flow elements following the main flow direction of the reaction gas form a waveform or follow a waveform with each troughs and wave crests such that the troughs and peaks of two adjacent flow elements are offset from one another. In other words, an adjacent flow element is arranged offset in particular by a waveform or a portion of the waveform in the direction of the gas flow or in the main flow direction of the gas. For example, a flow element or several or all flow elements in the main flow direction has a repeating waveform, wherein the waveform repeats in the same way or regularly in particular. Such flow elements can accordingly represent flow elements which effectively distribute the operating gases.

Im Detail kann die Gasströmung durch die Strömungselemente so geleitet werden, dass das Reaktionsgas an einer abfallenden Wellenform beziehungsweise darunter in Richtung einer Elektrode wie etwa einer Gasdiffusionslage der Elektrode, unter die als Steg dienende Wellenform und damit Richtung Katalysatorschicht der Elektrode gelenkt wird, wenn die Bipolarplatte etwa benachbart zu einer Elektrode angeordnet ist, die beispielsweise eine Katalysatorschicht mit darauf angeordneter Gasdiffusionslage enthält. Durch die seitliche Unterbrechung der Strömungselemente beziehungsweise der Strömungselementreihe entlang der ansteigenden Wellenform wird ein Teil des Gasstroms an dem ersten Element vorbeigeführt und zum nächsten Strömungselement geleitet. So wird eine gleichmäßige Gasverteilung im Steg- und Kanalbereich und damit zu der Gasdiffusionslage und damit in der Katalysatorschicht einer Brennstoffzellenelektrode erzielt. Der Kanalbereich kann dabei der rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Bereich sein, der sich oberhalb der Wellentäler beziehungsweise unterhalb der Wellenberge befindet, wobei der Kanalbereich ferner der Bereich sein kann, der von einem Wellenberg zu einem Wellental führt und so beispielsweise nebeneinander liegende Strömungselemente übergreifen kann.In detail, the gas flow through the flow elements may be directed so that the reaction gas is directed on a falling waveform toward an electrode, such as a gas diffusion layer of the electrode, underneath the landed waveform and thus toward the catalyst layer of the electrode, when the bipolar plate is disposed adjacent to an electrode, for example, containing a catalyst layer having arranged thereon gas diffusion layer. By the lateral interruption of the flow elements or the row of flow elements along the rising waveform, a portion of the gas stream is passed to the first element and passed to the next flow element. Thus, a uniform gas distribution in the web and channel region and thus to the gas diffusion layer and thus in the catalyst layer of a fuel cell electrode is achieved. In this case, the channel region can be the region extending at right angles to the main flow direction, which is located above the wave troughs or underneath the wave peaks, wherein the channel region can furthermore be the region which leads from a wave crest to a wave trough and can thus overlap, for example, adjacent flow elements.

Zudem kann in der Elektrode entstehendes flüssiges Wasser unter den Stegen, also insbesondere den Verbindungsbereichen der Wellenberge und Wellentäler, mit dem dorthin gelenkten Gasstrom in den Kanal transportiert und von dort ausgetragen werden.In addition, liquid water arising in the electrode can be transported under the webs, that is to say in particular the connecting regions of the wave crests and wave troughs, into the channel with the gas stream directed there, and discharged therefrom.

Durch diese Maßnahmen wird sowohl eine bessere Durchmischung der Gasdiffusionslage und der Katalysatorschicht mit Reaktionsgas bewirkt, als auch ein verbesserter Wasseraustrag des flüssigen Wassers aus der Gasdiffusionslage und der Katalysatorschicht in Richtung Gasverteilerfeld, also dem Gasverteilerelement der Bipolarplatte, erreicht. Dadurch können eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung und eine insgesamt bessere Leistung der Brennstoffzelle erzielbar sein.By these measures, both a better mixing of the gas diffusion layer and the catalyst layer with reaction gas is effected, as well as an improved water discharge of the liquid water from the gas diffusion layer and the catalyst layer in the direction of the gas distributor field, ie the gas distribution element of the bipolar plate achieved. As a result, a more uniform current density distribution and an overall better performance of the fuel cell can be achieved.

Bei der Ausführung des als Verteilerfeldplatte ausgestalteten Gasverteilerelements kann einem Grundelement durch ein Umformen eine wellenförmige Form gegeben werden, die sich insbesondere regelmäßig wiederholt. Das Grundelement und damit das Strömungselement sind aus einem Metall, wie etwa einem Metallblech, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Strömungselement aus Stahlblech gebildet. Dies ermöglicht eine gute elektrische und thermische Leitung bei geringen Herstellungskosten. Alternativ kann aber auch ein Metallblech aus Titan, Aluminium, sowie aus weiteren metallischen Werkstoffen oder Legierungen in Betracht kommen.In the embodiment of the gas distribution element designed as a distribution field plate, a basic element can be given a wave-shaped form by forming, which in particular is repeated regularly. The basic element and thus the flow element are formed of a metal such as a metal sheet. Preferably, the flow element is formed from sheet steel. This allows a good electrical and thermal conduction at low production costs. Alternatively, however, a metal sheet made of titanium, aluminum, as well as other metallic materials or alloys may be considered.

Beispielsweise sind die Strömungselemente somit aus einem oder mehreren Metallblechen ausgeformt, die beispielsweise mit einer korrosionsschützenden Schicht versehen sein können. Aufgrund der Herstellung und Umformung können insbesondere runde beziehungsweise gerundete Grundformen mit einem entsprechenden Radius bevorzugt beziehungsweise besonders einfach ausgebildet werden. Dabei ist die Wellenform insbesondere durch minimale Radien limitiert, was insbesondere bedeuten soll, dass stets Rundungen vorliegen, jedoch keine scharfen Kanten.For example, the flow elements are thus formed from one or more metal sheets, which may be provided, for example with a corrosion-protective layer. Due to the production and reshaping, in particular round or rounded basic shapes having a corresponding radius can be formed preferably or particularly simply. In this case, the waveform is limited in particular by minimal radii, which should in particular mean that there are always curves, but no sharp edges.

Ferner kann sich an ein Strömungselement seitlich eine Mehrzahl von insbesondere gleichen oder auch unterschiedlichen Strömungselementen anschließen, wobei die Wellenformen derart versetzt und/oder unterschiedlich sein können, dass das dritte, vierte, fünfte, sechste oder ein noch weiter entferntes Strömungselement bezüglich den Wellentälern und Wellenbergen wieder dem ursprünglichen Strömungselement entspricht. In anderen Worten können die Strömungselemente sich seitlich in einer Frequenz von zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Strömungselementen etwa in der Wellenform beziehungsweise deren Lage wiederholend angeordnet sein. Somit kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Wellenform der einzelnen Strömungselemente gleich sein können oder sich voneinander unterscheiden können und sich dabei gegebenenfalls regelmäßig wiederholen können.Furthermore, a flow element may laterally be adjoined by a plurality of, in particular, identical or different flow elements, wherein the wave shapes may be offset and / or different such that the third, fourth, fifth, sixth, or even further flow element with respect to the troughs and wave crests again corresponds to the original flow element. In other words, the flow elements may be arranged laterally at a frequency of two, three, four, five, six or more flow elements approximately in the waveform or its position repeating. Thus, it may be provided in principle that the waveform of the individual flow elements may be the same or may differ from each other and may optionally repeat regularly.

Es ist ferner vorgesehen, dass die Wellentäler und Wellenberge jeweils eine Anlagefläche für einen Kontakt mit einem, insbesondere gasdichten beziehungsweise gasundurchlässigen, Gegenelement ausbilden. Das soll insbesondere bedeuten, dass ein Gegenelement, wie beispielsweise eine Elektrode, etwa eine Gasdiffusionsschicht der Elektrode, oder ein etwa gasdichtes Plattenelement, an den Wellenbergen beziehungsweise Wellentälern anliegen können.It is further provided that the wave troughs and wave crests each form a contact surface for contact with a, in particular gas-tight or gas-impermeable, counter element. This should mean in particular that a counter element, such as an electrode, such as a gas diffusion layer of the electrode, or an approximately gas-tight plate member, may abut the wave crests or troughs.

Erfindungsgemäß bilden die Wellentäler und Wellenberge jeweils eine planare Anlagefläche aus, also dass die Anlageflächen der Wellenberge und die Anlageflächen der Wellentäler, also sämtliche Wellentäler und sämtliche Wellenberge, jeweils in einer Ebene liegt. Dabei liegen die Anlageflächen der Wellentäler in einer ersten Ebene E1 und die Anlageflächen der Wellenberge in einer zweiten Ebene E2, wobei die beiden vorbezeichneten Ebenen insbesondere parallel ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung kann insbesondere vorteilhaft sein für eine Positionierung in der Brennstoffzelle. Denn in dieser Ausgestaltung kann die Wellenform beziehungsweise das Gasverteilerelement sowohl eine ebene Anlagefläche in Richtung zweier Elektroden, wie etwa zweier Gasdiffusionslagen oder auch für eine Elektrode, wie etwa für eine Gasdiffusionslage und in Richtung eines ebenen Plattenelements aufweisen, wie dies nachstehend beschrieben ist. Die beiden Anlageflächen sind dann über einen geneigten Übergangsbereich beziehungsweise Stegbereich miteinander verbunden, so dass die Anlageflächen und die Übergangsbereiche jeweils die Wellenform ausbilden. In dieser Ausgestaltung wird somit die Kontaktierung von einer oder mehreren Elektroden, und/oder einer Platte erleichtert und besonders definiert gestaltet, was für eine effektive Wirkungsweise einer Brennstoffzelle dienen kann.According to the invention, the wave troughs and wave crests each form a planar contact surface, that is to say that the contact surfaces of the wave crests and the contact surfaces of the wave troughs, ie all wave troughs and all wave crests, each lie in one plane. The contact surfaces of the troughs are in a first level E1 and the contact surfaces of the wave crests in a second plane E2 , Wherein the two aforementioned levels are formed in particular parallel. This embodiment may be particularly advantageous for positioning in the fuel cell. Because in this embodiment, the waveform or the gas distributor element can both have a flat contact surface in the direction of two electrodes, such as two gas diffusion layers or for an electrode, such as for a gas diffusion layer and in the direction of a flat plate member, as described below. The two contact surfaces are then connected to each other via an inclined transition region or web region, so that the contact surfaces and the transition regions in each case form the waveform. In this embodiment, the contacting of one or more electrodes, and / or a plate is thus facilitated and designed in a particularly defined manner, which can serve for an effective mode of operation of a fuel cell.

Diesbezüglich kann es bevorzugt sein, dass in wenigstens einem Strömungselement, vorzugsweise in sämtlichen Strömungselementen, die Summe einer Länge aller Anlageflächen beziehungsweise Anlagebereiche der Wellenberge und Wellentäler in der Hauptströmungsrichtung größer ist als die Summe der Längen der Bereiche zwischen den Anlageflächen in der Hauptströmungsrichtung. In anderen Worten überwiegt die Ausdehnung der Anlageflächen gegenüber den zwischen den Anlageflächen angeordneten Übergangsflächen eines Strömungselements. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein besonders effektives und leistungsstarkes Arbeiten der Brennstoffzelle, da ein effektives Kontaktieren von Elektroden bei gleichzeitig effektiver Verteilung der Reaktionsgase ermöglicht werden kann.In this regard, it may be preferred that in at least one flow element, preferably in all flow elements, the sum of a length of all contact surfaces or contact areas of the wave crests and troughs in the main flow direction is greater than the sum of the lengths of the areas between the contact surfaces in the main flow direction. In other words, the expansion of the contact surfaces outweighs the transition surfaces of a flow element arranged between the contact surfaces. This embodiment enables a particularly effective and efficient operation of the fuel cell, since an effective contacting of electrodes with simultaneous effective distribution of the reaction gases can be made possible.

Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente mechanisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die benachbarten Strömungselemente durch ein elektrisch und/oder thermisch leitendes Material mit einander verbunden sein, etwa durch ein metallisches Material. Beispielsweise kann die Bipolarplatte beziehungsweise das Gasverteilerelement mit seinen Strömungselementen derart gestaltet sein, dass die Wellentäler und die Wellenberge benachbarter Strömungselemente jeweils über einen beispielsweise geneigten Übergangsbereich miteinander verbunden sind. Dadurch kann insbesondere die mechanische Stabilität, die elektrische und thermische Querleitung also das Arbeitsverhalten der Brennstoffzelle, sowie die Herstellbarkeit verbessert werden. Insbesondere können die Anlageflächen der einzelnen Wellenreihen Überlappungsbereiche aufweisen, in denen die Anlageflächen miteinander verbunden sind.Furthermore, it may be preferred that at least two adjacent flow elements are mechanically interconnected. For example, the adjacent flow elements can be connected to one another by an electrically and / or thermally conductive material, for example by a metallic material. For example, the bipolar plate or the gas distributor element can be designed with its flow elements such that the wave troughs and the wave crests of adjacent flow elements are each connected to one another via an example inclined transition region. As a result, in particular the mechanical stability, the electrical and thermal transverse conduction, ie the working behavior of the fuel cell, as well as the manufacturability can be improved. In particular, the contact surfaces of the individual rows of waves can have overlapping areas in which the contact surfaces are connected to one another.

Insbesondere sind benachbarte Strömungselemente einstückig ausgebildet und dort miteinander verbunden, wo Wellentäler benachbarter Strömungselemente aneinander angrenzen. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung. In particular, adjacent flow elements are integrally formed and connected to each other where wave troughs adjacent flow elements adjacent to each other. This allows a particularly cost-effective production.

Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass an den Wellenbergen oder den Wellentälern ein das Gasverteilerelement zumindest teilweise abschließendes Plattenelement als Gegenelement vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung kann die Bipolarplatte somit das Gasverteilerelement und das insbesondere ebene Plattenelement aufweisen oder daraus bestehen, oder kann ein von der Bipolarplatte getrenntes Plattenelement vorgesehen sein. Dabei ist das Plattenelement auf der vorstehend beschriebenen planaren Anlagefläche angeordnet. In dieser Ausgestaltung ergibt sich der Strömungsweg entsprechend der Strömungselemente alternierend zwischen dem Plattenelement und einer etwa gegenüberliegend zu dem Plattenelement angeordneten Elektrode, insbesondere deren Gasdiffusionslage. In dieser Ausgestaltung kann die Bipolarplatte etwa als Endelement dienen, also für eine endseitig angeordnete Elektrode vorgesehen sein. Somit braucht diese Bipolarplatte keine Zellen zu verbinden, sondern kann lediglich die Versorgung der Elektrode mit Betriebsgas beziehungsweise Reaktionsgas sicherstellen.Furthermore, it may be preferred that at the wave crests or the troughs, a gas distribution element at least partially final plate member is provided as a counter element. In this embodiment, the bipolar plate can thus comprise or consist of the gas distributor element and in particular the flat plate element, or a plate element separated from the bipolar plate can be provided. In this case, the plate element is arranged on the planar contact surface described above. In this embodiment, the flow path corresponding to the flow elements results alternately between the plate element and an electrode arranged approximately opposite to the plate element, in particular its gas diffusion layer. In this embodiment, the bipolar plate can serve approximately as an end element, that is to say for an electrode arranged at the end. Thus, this bipolar plate does not need to connect cells, but can only ensure the supply of operating gas or reaction gas to the electrode.

Insbesondere ist ein jeder Metallstreifen eines Strömungselements in der Hauptströmungsrichtung in einer durchgehend gleichen Breite unterbrechungsfrei ausgebildet. Unterbrechungsfrei bedeutet dabei, dass der Metallstreifen durchgehend nahezu die gleiche Dicke aufweist, also keine Öffnungen, Einschnitte oder Unterbrechungen aufweist. Geringfügige Dickenunterschiede ergeben sich gegebenenfalls lediglich durch Umformprozesse in zu den planaren Anlageflächen angrenzenden Bereichen eines Metallstreifens.In particular, each metal strip of a flow element in the main flow direction is formed uninterrupted in a continuous same width. Uninterruptible means that the metal strip has almost the same thickness throughout, so no openings, cuts or interruptions. Slight differences in thickness may only result from forming processes in areas of a metal strip adjacent to the planar contact surfaces.

Insbesondere weist ein Metallstreifen ein periodisch wiederkehrendes Wellenprofil auf, was fertigungstechnisch zu einer Vereinfachung und Kostenersparnis hinsichtlich der Werkzeuge führt.In particular, a metal strip on a periodically recurring wave profile, resulting in manufacturing technology to simplify and cost savings in terms of tools.

Bevorzugt sind die Wellenberge und die Wellentäler wenigstens zweier benachbarter Strömungselemente genau gegensätzlich angeordnet sind. In anderen Worten kann sich dann, wenn sich in einem Strömungselement ein Wellental befindet, in einem benachbarten Strömungselement auf gleicher Höhe ein Wellenberg befinden. Dabei liegen die Mittelpunkte der Anlageflächen des Wellenbergs und des Wellentals (senkrecht auf die Anlagefläche gesehen) auf einer gedachten Linie, die senkrecht zu einer Längsrichtung der benachbarten Strömungselemente verläuft. In dieser Ausgestaltung können die entstehenden Kanäle besonders groß dimensioniert sein, wodurch der Druckverlust und damit die parasitäre Leistung z.B. eines Luftverdichters verringert werden und damit der Brennstoffzellensystemwirkungsgrad verbessert wird.The wave crests and the wave troughs of at least two adjacent flow elements are preferably arranged exactly opposite one another. In other words, when there is a wave trough in a flow element, a wave crest can be located in an adjacent flow element at the same height. In this case, the centers of the contact surfaces of the wave crest and the wave trough (seen perpendicular to the contact surface) lie on an imaginary line which runs perpendicular to a longitudinal direction of the adjacent flow elements. In this embodiment, the resulting channels can be particularly large dimensions, whereby the pressure loss and thus the parasitic power, e.g. an air compressor and thus the fuel cell system efficiency is improved.

Insbesondere in dieser Ausgestaltung aber in keiner Weise beschränkt hierauf kann es ferner bevorzugt sein, dass die Wellenformen wenigstens zweier Strömungselemente sich entsprechend ausgebildet sind. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass die Strömungselemente die gleiche Wellenstruktur aufweisen, also etwa mit gleichen Radien und gleichen Anlageflächen, wobei die Wellenformen lediglich in Hauptströmungsrichtung relativ zueinander verschoben sind. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit ermöglicht werden, da mit einer Vielzahl von entsprechend ausgeformten Strömungselementen gearbeitet werden kann. Darüber hinaus kann eine besonders homogene Gasverteilung ermöglicht werden, was Vorteile bezüglich des Arbeitens der Brennstoffzelle ermöglichen kann.In particular, in this embodiment but in no way limited thereto, it may further be preferred that the waveforms of at least two flow elements are formed accordingly. In other words, it can be provided that the flow elements have the same wave structure, that is about the same radii and the same contact surfaces, wherein the waveforms are shifted relative to each other only in the main flow direction. In this embodiment, a particularly cost-manufacturability can be made possible, since it can be used with a variety of correspondingly shaped flow elements. In addition, a particularly homogeneous gas distribution can be made possible, which can provide advantages in terms of working the fuel cell.

Es kann ferner bevorzugt sein, dass wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente mit zueinander unterschiedlichen Wellenformen ausgebildet sind. In dieser Ausgestaltung kann auf die Gasverteilung gezielt Einfluss genommen werden, was anwendungsbedingt ebenfalls Vorteile mit sich bringen kann. Beispielsweise kann eine erste Wellenform zur jeweils zweiten, oder auch dritten, vierten oder fünften usw. Wellenform in Bezug auf die Ausführung der Wellenform verschieden sein. Dabei kann ein Unterschied etwa in Bezug auf wenigstens eines der folgenden Merkmale vorhanden sein: Länge einer Anlagefläche der Wellentäler in Hauptströmungsrichtung, Länge einer Anlagefläche der Wellenberge in Hauptströmungsrichtung, Breite eines Strömungselements, Höhe eines Strömungselements, Winkel zwischen erster Ebene E1 und Metallstreifen im Bereich zwischen den Anlageflächen eines Wellentals und eines sich anschließenden Wellenbergs (= Stegbereich), Winkel zwischen zweiter Ebene E2 und Metallstreifen im Bereich zwischen den Anlageflächen eines Wellentals und eines sich anschließenden Wellenbergs (= Stegbereich). Dabei kann nur eines der vorgenannten Merkmale verschieden sein und die weiteren Merkmale können gleich sein, oder eine beliebige Anzahl der vorbeschriebenen Merkmale kann verscheiden sein.It may further be preferred that at least two adjacent flow elements are formed with mutually different waveforms. In this embodiment, it is possible to influence the gas distribution in a targeted manner, which may also have advantages in terms of application. For example, a first waveform may be different from the second, or even third, fourth, or fifth, etc., waveform with respect to the execution of the waveform. There may be a difference with regard to at least one of the following features: length of a contact surface of the wave troughs in the main flow direction, length of a contact surface of the wave peaks in the main flow direction, width of a flow element, height of a flow element, angle between the first plane E1 and metal strip in the area between the contact surfaces of a wave trough and a subsequent wave crest (= land area), angle between the second level E2 and metal strip in the area between the contact surfaces of a wave trough and a subsequent wave crest (= web area). In this case, only one of the aforementioned features may be different and the other features may be the same, or any number of the features described above may be different.

Ferner kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Wellenform eines Strömungselements in sich unterschiedlich ist. Beispielsweise kann ein Strömungselement oder können mehrere Strömungselemente derart ausgestaltet sein, dass die jeweils zweite Welle doppelt so lang ist, wie die erste Welle.Furthermore, it may in principle be provided that the waveform of a flow element is different in itself. For example, a flow element or a plurality of flow elements can be designed such that the respective second shaft is twice as long as the first shaft.

Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der vorstehend beschriebenen Bipolarplatte wird auf die Beschreibung der Brennstoffzelle, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the above-described Bipolar plate is referred to the description of the fuel cell, the figures and the description of the figures.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Brennstoffzelle, aufweisend eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, die wenigstens eine Elektrode elektrisch kontaktiert, und wobei die Brennstoffzelle ausgestaltet ist, um ein Reaktionsgas in der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases durch die Bipolarplatte zu leiten.The subject of the present invention is furthermore a fuel cell, comprising a bipolar plate according to the invention, which electrically contacts at least one electrode, and wherein the fuel cell is designed to conduct a reaction gas in the main flow direction of the reaction gas through the bipolar plate.

Die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle kann beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle sein. Sie weist eine oder bevorzugt eine Vielzahl von Bipolarplatten auf, die wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sind. Die Bipolarplatten kontaktieren beispielsweise eine Elektrode und auf der entgegengesetzten Seite ein Plattenelement oder kontaktieren zwei Elektroden elektrisch und vorzugsweise thermisch.The above-described fuel cell may be, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell. It has one or preferably a plurality of bipolar plates, which are designed as described above. For example, the bipolar plates contact an electrode and on the opposite side a plate element or contact two electrodes electrically and preferably thermally.

Es kann somit vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte nur aus dem Gasverteilerelement besteht und beispielsweise beidseitig mit einer Elektrode in Kontakt steht, etwa an entsprechenden Anlageflächen. Dabei kann das Gasverteilerelement etwa Bereiche aufweisen, um eine Gaszuführung zu gewährleisten oder andere Bereiche, wobei diese zusätzlichen Bereiche jedoch einteilig mit dem als Gasverteilerelement beschriebenen Bereich ausgestaltet sind. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte an den Anlageflächen der Wellentäler und an den Anlageflächen der Wellenberge jeweils eine Elektrode elektrisch kontaktiert, oder dass die Bipolarplatte an den Anlageflächen der Wellenberge ein das Gasverteilerelement zumindest teilweise abschließendes Plattenelement kontaktiert oder aufweist und an den Anlageflächen der Wellentäler eine Elektrode elektrisch kontaktiert.It can thus be provided that the bipolar plate only consists of the gas distributor element and, for example, is in contact with an electrode on both sides, for example at corresponding contact surfaces. In this case, the gas distribution element may have approximately areas to ensure a gas supply or other areas, but these additional areas are designed in one piece with the area described as a gas distribution element. For example, it can be provided that the bipolar plate electrically contacts one electrode at the contact surfaces of the wave troughs and at the contact surfaces of the wave crests, or that the bipolar plate contacts or has a plate element at least partially terminating the gas distributor element at the contact surfaces of the wave crests and at the abutment surfaces Wellentäler an electrode contacted electrically.

Dabei ist mindestens ein Gaseinlass vorgesehen, der die entsprechenden Reaktionsgase in der Hauptströmungsrichtung durch die jeweilige Bipolarplatte beziehungsweise durch das jeweilige Gasverteilerelement leitet.In this case, at least one gas inlet is provided which conducts the corresponding reaction gases in the main flow direction through the respective bipolar plate or through the respective gas distributor element.

Eine derartige Brennstoffzelle weist insbesondere die Vorteile auf, wie diese vorstehend im Detail beschrieben sind. Insbesondere kann eine kostengünstige Herstellbarkeit und/oder eine effektive und homogene Gasverteilung ermöglicht werden.In particular, such a fuel cell has the advantages as described in detail above. In particular, a cost-effective manufacturability and / or an effective and homogeneous gas distribution can be made possible.

Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle wird auf die Beschreibung der Bipolarplatte, die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the fuel cell described above, reference is made to the description of the bipolar plate, the figures and the description of the figures.

Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht von schräg oben von einer Ausgestaltung eines Gasverteilerelements einer Bipolarplatte;
  • 2 eine schematische Schnittansicht durch die Ausgestaltung aus 1 von der Seite;
  • 3 eine schematische Draufsicht auf die Ausgestaltung aus 1;
  • 4 eine Schnittansicht durch einen Teil einer Brennstoffzelle.
  • 5 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte; und
  • 6 einen Querschnitt B-B durch die Bipolarplatte gemäß 5 mit Vergrößerung der Strömungselemente im gestrichelt gekennzeichneten Bereich B; und
  • 7 schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle im Querschnitt.
In the following, a particularly preferred embodiment of the invention will be explained with reference to the accompanying drawings, wherein it is explicitly pointed out that the object according to the invention is not limited to the exemplary embodiment described. Show it:
  • 1 a schematic view obliquely from above of an embodiment of a gas distribution element of a bipolar plate;
  • 2 a schematic sectional view through the embodiment of 1 of the page;
  • 3 a schematic plan view of the embodiment 1 ;
  • 4 a sectional view through a portion of a fuel cell.
  • 5 a plan view of a bipolar plate; and
  • 6 a cross section BB through the bipolar plate according to 5 with enlargement of the flow elements in the dashed area B; and
  • 7 schematically the structure of a fuel cell in cross section.

In der 1 ist eine Ansicht eines Gasverteilerelements 14 einer Bipolarplatte 10 (vergleiche 5) gemäß der Erfindung gezeigt. Die Bipolarplatte 10 dient dabei insbesondere zur Anordnung in einer Brennstoffzelle 12 (vergleiche 7, von der ein Teil in der 4 oder 6 gezeigt ist). Das Gasverteilerelement 14 weist eine Mehrzahl von Kanälen 16 zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle 12 auf.In the 1 is a view of a gas distribution element 14 a bipolar plate 10 (see 5 ) according to the invention. The bipolar plate 10 serves in particular for the arrangement in a fuel cell 12 (see 7 of which a part in the 4 or 6 is shown). The gas distribution element 14 has a plurality of channels 16 for distributing a reaction gas for operating the fuel cell 12 on.

Das Gasverteilerelement 14 weist eine Mehrzahl von entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases, welche durch den Pfeil 18 dargestellt ist, nebeneinander angeordnete Strömungselemente 20 auf. Die Strömungselemente 20 bilden in der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases eine Wellenform aus, wobei die Wellenform Wellentäler 22 und Wellenberge 24 aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass die Wellentäler 22 und Wellenberge 24 jeweils eine planare Anlagefläche 26, 28 ausbilden.The gas distribution element 14 has a plurality of along the main flow direction of the reaction gas, which is indicated by the arrow 18 is shown, juxtaposed flow elements 20 on. The flow elements 20 Form in the main flow direction of the reaction gas from a waveform, the waveform wave troughs 22 and wave mountains 24 having. It is envisaged that the troughs 22 and wave mountains 24 each a planar contact surface 26 . 28 form.

Es ist ferner gezeigt, dass die Wellentäler 22 und Wellenberge 24 zweier benachbarter Strömungselemente 20 entlang der Hauptströmungsrichtung jeweils zueinander versetzt sind. Im Detail ist in den Figuren gezeigt, dass die Wellentäler 22 und die Wellenberge 24 wenigstens zweier benachbarter Strömungselemente 20 gegensätzlich angeordnet sind, wobei die Wellenformen der Strömungselemente 20 grundsätzlich identisch beziehungsweise sich entsprechend ausgebildet sind.It is further shown that the troughs 22 and wave mountains 24 two adjacent flow elements 20 are offset from each other along the main flow direction. In detail, the figures show that the troughs 22 and the wave mountains 24 at least two adjacent flow elements 20 are arranged oppositely, wherein the waveforms of the flow elements 20 basically identical or designed accordingly.

Bezüglich der Wellenform umfasst diese zunächst die Anlageflächen 26, 28 und ferner ansteigende beziehungsweise abfallende Stegbereiche 30, die jeweils gerade ausgestaltet sein können und mit den Anlageflächen 26, 28 durch abgerundete Verbindungsbereiche 34 verbunden sein können. Eine derartige Ausgestaltung kann für die Verteilung der Reaktionsgase von Vorteil sein, jedoch sind die Strömungselemente 20 beziehungsweise deren Wellenformen nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt.With respect to the waveform, this first comprises the contact surfaces 26 . 28 and further rising or falling land areas 30 , which can each be straight and with the contact surfaces 26 . 28 by rounded connecting areas 34 can be connected. Such a configuration may be advantageous for the distribution of the reaction gases, but the flow elements are 20 or their waveforms are not limited to this embodiment.

In der 4 ist ferner ein Teil einer Brennstoffzelle 12 (vergleiche 7) mit einer Bipolarplatte 10 (vergleiche 5) gezeigt. Dabei ist gezeigt, dass an den Wellenbergen 24 ein das Gasverteilerelement 14 zumindest teilweise abschließendes Plattenelement 38 vorgesehen ist und dass die Wellentäler 22 eine Elektrode 40 kontaktieren, wobei die Elektrode eine Gasdiffusionsschicht 42 und eine Katalysatorschicht 44 aufweist, wie dies grundsätzlich bekannt ist.
Bezüglich der Verteilung des Reaktionsgases durch die Bipolarplatte 10 beziehungsweise das Gasverteilerelement 14 kann dies wie folgt beschrieben werden. Wie insbesondere in den 2 bis 4 gezeigt, wird ein Teil der Gasströmung, die durch die Pfeile 18 dargestellt wird, in dem Strömungselement 20 mit sich wiederholender Wellenform zunächst durch die nach unten zeigende Wellenform etwa in Richtung Gasdiffusionsschicht 42 und somit Richtung Katalysatorschicht 44 gelenkt. Aufgrund der Druckverhältnisse wird der andere Teil der Strömung rechts bzw. links an dem Strömungselement 20 vorbeigelenkt und zur nach unten zeigenden Wellenform dieses nächsten Strömungselements 20 geführt. Von da an wiederholt sich der Strömungsweg. Daraus resultiert eine Hauptströmungsrichtung, welche parallel zu der Ausrichtung der Strömungselemente 20 verläuft und beispielsweise der Richtung entsprechen kann, in welcher das Reaktionsgas in das Gasverteilerelement 14 geleitet wird, wie dies etwa in den 2 bis 4 zu erkennen ist. In anderen Worten wird das Gas nicht parallel zu den Kanälen 16 in das Gasverteilerelement 14 geleitet, sondern in Abkehr zu den Lösungen aus dem Stand der Technik im Wesentlichen rechtwinklig hierzu.
In the 4 is also a part of a fuel cell 12 (see 7 ) with a bipolar plate 10 (see 5 ). It is shown that on the wave mountains 24 a the gas distributor element 14 at least partially final plate element 38 is provided and that the troughs 22 an electrode 40 contact, wherein the electrode is a gas diffusion layer 42 and a catalyst layer 44 as is basically known.
With regard to the distribution of the reaction gas through the bipolar plate 10 or the gas distribution element 14 this can be described as follows. As in particular in the 2 to 4 Shown is a part of the gas flow passing through the arrows 18 is shown in the flow element 20 with a repetitive waveform, first by the downward wave-form approximately toward the gas diffusion layer 42 and thus towards the catalyst layer 44 directed. Due to the pressure conditions, the other part of the flow becomes right or left on the flow element 20 deflected and the downwardly facing waveform of this next flow element 20 guided. From then on, the flow path is repeated. This results in a main flow direction parallel to the orientation of the flow elements 20 extends and may correspond, for example, the direction in which the reaction gas in the gas distribution element 14 is guided, as in the 2 to 4 can be seen. In other words, the gas does not become parallel to the channels 16 in the gas distribution element 14 but, contrary to the prior art solutions substantially at right angles thereto.

5 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 10 mit einem Gasverteilerelement 14, das eine Vielzahl von Strömungselementen 20 aufweist. Im Randbereich der Bipolarplatte 10 sind Gaseinlässe 11a vorhanden, durch die ein Reaktionsgas strömt und in Richtung des Pfeils 18, der die Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases anzeigt, über das Gasverteilerfeld 14 entlang der Strömungselemente 20 in Form von einstückig miteinander verbundenen Metallstreifen mit Wellenprofil geführt wird. Den Gaseinlässen 11a gegenüber sind Gasauslässe 11b angeordnet, durch die etwaige Reste des Reaktionsgases und Reaktionsprodukte, dargestellt durch den Pfeil 18', abgeführt werden. 5 shows a plan view of a bipolar plate 10 with a gas distribution element 14 containing a variety of flow elements 20 having. In the edge area of the bipolar plate 10 are gas inlets 11a exists, through which a reaction gas flows and in the direction of the arrow 18 indicating the main flow direction of the reaction gas via the gas distributor field 14 along the flow elements 20 in the form of integrally interconnected metal strip is guided with wave profile. The gas inlets 11a opposite are gas outlets 11b arranged by the possible residues of the reaction gas and reaction products, represented by the arrow 18 ' to be dissipated.

6 zeigt einen schematischen Querschnitt B-B durch eine Bipolarplatte 10 gemäß 5 mit Vergrößerung der Strömungselemente 20 im gestrichelt gekennzeichneten Bereich B gemäß 5. Zusätzlich ist ein in 5 nicht dargestelltes Plattenelement 38 vorhanden, das an den Anlageflächen 26 der Wellentäler 22 aller Strömungselemente 20 anliegt. Weiterhin ist eine Gasdiffusionsschicht 42 vorhanden, die an den Anlageflächen 28 der Wellenberge 24 aller Strömungselemente 20 anliegt, eine Katalysatorschicht 44, die sich an die Gasdiffusionsschicht 42 anschließt, sowie eine Polymerelektrolytmembrane 46, die sich an die Katalysatorschicht 44 anschließt. 6 shows a schematic cross section BB through a bipolar plate 10 according to 5 with enlargement of the flow elements 20 in the dashed area B according to 5 , In addition, an in 5 not shown plate element 38 present, that at the contact surfaces 26 the wave troughs 22 all flow elements 20 is applied. Furthermore, a gas diffusion layer 42 present at the contact surfaces 28 the wave mountains 24 all flow elements 20 is present, a catalyst layer 44 , which adhere to the gas diffusion layer 42 connects, as well as a polymer electrolyte membrane 46 , which adhere to the catalyst layer 44 followed.

7 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle 12 im Querschnitt, umfassend zwei Bipolarplatten 10, 10', eine Polymerelektrolytmembrane 46, zwei Elektroden 40, 40' umfassend jeweils eine Gasdiffusionsschicht 42, 42' und jeweils eine Katalysatorschicht 44, 44'. Die Abdichtung der Kathodenseite der Polymerelektrolytmembrane 46 von deren Anodenseite erfolgt über ein Dichtelement 51, das das in Hauptströmungsrichtung kathodenseitig zugeführte Reaktionsgas 52 vom anodenseitige in Hauptströmungsrichtung zugeführten Reaktionsgas 54 trennt. Die Bipolarplatten 10, 10'sind hier mit den Wellenbergen 24 jeweils in Richtung der Gasdiffusionsschicht 42, 42' angeordnet. 7 shows schematically the structure of a fuel cell 12 in cross section, comprising two bipolar plates 10 . 10 ' , a polymer electrolyte membrane 46 , two electrodes 40 . 40 ' each comprising a gas diffusion layer 42 . 42 ' and one catalyst layer each 44 . 44 ' , The sealing of the cathode side of the polymer electrolyte membrane 46 from the anode side via a sealing element 51 , which is the cathode side in the main flow direction supplied reaction gas 52 from the anode side in the main flow direction supplied reaction gas 54 separates. The bipolar plates 10 . 10 ' are here with the wave mountains 24 respectively in the direction of the gas diffusion layer 42 . 42 ' arranged.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10, 10'10, 10 '
Bipolarplattebipolar
11a11a
Gaseinlassgas inlet
11b11b
Gasauslassgas outlet
1212
Brennstoffzellefuel cell
1414
GasverteilerelementGas distributor element
1616
Kanalchannel
1818
Pfeilarrow
2020
Strömungselementflow element
2222
Wellentaltrough
2424
WellenbergWellenberg
2626
Anlageflächecontact surface
2828
Anlageflächecontact surface
3030
Stegbereichweb region
3434
Verbindungsbereichconnecting area
3838
Plattenelementpanel member
40, 40'40, 40 '
Elektrodeelectrode
42, 42'42, 42 '
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
44, 44'44, 44 '
Katalysatorschichtcatalyst layer
4646
PolymerelektrolytmembranePolymer electrolyte membrane
5151
Dichtelementsealing element
5252
kathodenseitiges Reaktionsgascathode-side reaction gas
54 54
anodenseitiges Reaktionsgasanode-side reaction gas
E1E1
erste Ebenefirst floor
E2E2
zweite Ebenesecond level

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Bipolarplatte (10, 10') zur Anordnung in einer Brennstoffzelle (12), umfassend ein Gasverteilerelement (14), welches eine Mehrzahl von Kanälen (16) zum Verteilen eines Reaktionsgases zum Betreiben der Brennstoffzelle (12) aufweist, wobei das Gasverteilerelement (14) eine Mehrzahl von in einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases nebeneinander angeordneten Strömungselementen (20) aufweist, wobei jedes Strömungselement (20) entlang der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases einen eine Wellenform ausbildenden Metallstreifen mit jeweils Wellentälern (22) und Wellenbergen (24) aufweist derart, dass die Wellentäler (22) und Wellenberge (24) zweier benachbarter Strömungselemente (20) jeweils in der Hauptströmungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Wellentäler (22) aller Strömungselemente (20) in einer ersten Ebene (E1) liegen und weiterhin die Wellenberge (24) aller Strömungselemente (20) in einer zweiten Ebene (E2) liegen, und wobei die Wellentäler (22) und die Wellenberge (24) jeweils eine planare Anlagefläche (26, 28) für einen Kontakt mit einem Gegenelement ausbilden.Bipolar plate (10, 10 ') for arrangement in a fuel cell (12), comprising a gas distributor element (14), which has a plurality of channels (16) for distributing a reaction gas for operating the fuel cell (12), wherein the gas distributor element (14) a plurality of flow elements (20) juxtaposed in a main flow direction of the reaction gas, each flow element (20) along the main flow direction of the reaction gas has a wave forming metal strip with wave troughs (22) and wave crests (24) such that the wave troughs ( 22) and wave crests (24) of two adjacent flow elements (20) are offset from each other in the main flow direction, wherein the wave troughs (22) of all flow elements (20) lie in a first plane (E1) and further the wave crests (24) of all flow elements (20) lie in a second plane (E2), and wherein the troughs (2 2) and the wave crests (24) each form a planar abutment surface (26, 28) for contact with a counter element. Bipolarplatte (10, 10') nach Anspruch 1, wobei in wenigstens einem Strömungselement (20) die Summe einer Länge aller Anlageflächen (26, 28) der Wellenberge (24) und Wellentäler (22) in der Hauptströmungsrichtung größer ist, als die Summe der Längen der Bereiche zwischen den Anlageflächen (26, 28) in der Hauptströmungsrichtung.Bipolar plate (10, 10 ') after Claim 1 , wherein in at least one flow element (20) the sum of a length of all contact surfaces (26, 28) of the wave crests (24) and wave troughs (22) in the main flow direction is greater than the sum of the lengths of the regions between the abutment surfaces (26, 28 ) in the main flow direction. Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente (20) mechanisch miteinander verbunden sind.Bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 or 2 wherein at least two adjacent flow elements (20) are mechanically interconnected. Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei benachbarte Strömungselemente (20) einstückig ausgebildet und dort miteinander verbunden sind, wo Wellentäler (22) benachbarter Strömungselemente (20) aneinander angrenzen.Bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 to 3 wherein adjacent flow elements (20) are integrally formed and joined together where troughs (22) of adjacent flow elements (20) abut each other. Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an den Wellenbergen (24) oder den Wellentälern (22) ein das Gasverteilerelement (14) zumindest teilweise abschließendes Plattenelement (38, 38') vorgesehen ist.Bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 to 4 , wherein on the wave crests (24) or the troughs (22), a gas distribution element (14) at least partially final plate member (38, 38 ') is provided. Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein jeder Metallstreifen in der Hauptströmungsrichtung in einer durchgehend gleichen Breite unterbrechungsfrei ausgebildet ist.Bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 to 5 wherein each metal strip is formed in the main flow direction in a continuous same width without interruption. Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wellenformen wenigstens zweier Strömungselemente (20) sich entsprechend ausgebildet sind.Bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 to 6 , wherein the waveforms of at least two flow elements (20) are formed accordingly. Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens zwei benachbarte Strömungselemente (20) mit zueinander unterschiedlichen Wellenformen ausgebildet sind.Bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 to 7 wherein at least two adjacent flow elements (20) are formed with mutually different waveforms. Brennstoffzelle (12), aufweisend eine Bipolarplatte (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die wenigstens eine Elektrode (40, 40') elektrisch kontaktiert, wobei die Brennstoffzelle (12) ausgestaltet ist, um ein Reaktionsgas in der Hauptströmungsrichtung des Gases durch die Bipolarplatte (10, 10') zu leiten.Fuel cell (12), comprising a bipolar plate (10, 10 ') according to one of Claims 1 to 8th at least one electrode (40, 40 ') electrically contacting, wherein the fuel cell (12) is configured to conduct a reaction gas in the main flow direction of the gas through the bipolar plate (10, 10'). Brennstoffzelle (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10, 10') an den Anlageflächen (26) der Wellentäler (22) und an den Anlageflächen (28) der Wellenberge (24) jeweils eine Elektrode (40) elektrisch kontaktiert, oder dass die Bipolarplatte (10, 10') an den Anlageflächen (28) der Wellenberge (24) ein das Gasverteilerelement (14) zumindest teilweise abschließendes Plattenelement (38, 38') kontaktiert oder aufweist und an den Anlageflächen (26) der Wellentäler (22) eine Elektrode (40, 40') elektrisch kontaktiert.Fuel cell (12) after Claim 9 , characterized in that the bipolar plate (10, 10 ') at the abutment surfaces (26) of the troughs (22) and at the contact surfaces (28) of the wave crests (24) each electrically contact one electrode (40), or that the bipolar plate ( 10, 10 ') on the abutment surfaces (28) of the wave crests (24) a gas distribution element (14) at least partially final plate member (38, 38') contacted or has and on the contact surfaces (26) of the troughs (22) an electrode ( 40, 40 ') are electrically contacted.
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