DE102020114305A1 - Bipolar plate - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Bipolarplatte (10) mit einem ersten Gaseinlasskanal (19) und einem durch erste Strömungskanäle (9) mit dem ersten Gaseinlasskanal (19) verbundenen ersten Gasauslasskanal (20) und mit einem zweiten Gaseinlasskanal (21) und einem durch zweite Strömungskanäle (12) mit dem zweiten Gaseinlasskanal (21) verbundenen zweiten Gasauslasskanal (22), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Gaseinlasskanal (19) und dem ersten Gasauslasskanal (20) eine die ersten Strömungskanäle (9) einschließende erste aktive Fläche (17) ausgebildet ist, in deren Eingangsbereich (18) Ergänzungselemente (13) zur Strömungsaufteilung angeordnet sind.The invention relates to a bipolar plate (10) with a first gas inlet channel (19) and a first gas outlet channel (20) connected to the first gas inlet channel (19) through first flow channels (9) and with a second gas inlet channel (21) and one through second flow channels (12) ) the second gas outlet channel (22) connected to the second gas inlet channel (21), characterized in that a first active surface (17) enclosing the first flow channels (9) is formed between the first gas inlet channel (19) and the first gas outlet channel (20), in the entrance area (18) of which there are additional elements (13) for dividing the flow.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einem ersten Gaseinlasskanal und einem durch erste Strömungskanäle mit dem ersten Gaseinlasskanal verbundenen ersten Gasauslasskanal und mit einem zweiten Gaseinlasskanal und einem durch zweite Strömungskanäle mit dem zweiten Gaseinlasskanal verbundenen zweiten Gasauslasskanal, wobei zwischen dem ersten Gaseinlassbereich und dem ersten Gasauslassbereich eine die ersten Strömungskanäle einschließende erste aktive Fläche ausgebildet ist, in deren Eingangsbereich Ergänzungselemente zur Strömungsaufteilung angeordnet sind.The invention relates to a bipolar plate with a first gas inlet channel and a first gas outlet channel connected to the first gas inlet channel by first flow channels and with a second gas inlet channel and a second gas outlet channel connected to the second gas inlet channel by second flow channels, wherein between the first gas inlet area and the first gas outlet area a die First active surface enclosing first flow channels is formed, in the entrance area of which additional elements for flow division are arranged.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The H + protons are transported from the anode compartment into the cathode compartment via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction chambers from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten die Reaktantengase zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt. Bei der Versorgung der Brennstoffzellen mit den Reaktanten werden diese über Kanäle in die Bipolarplatten geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten an einer aktiven Fläche bewirken soll, um mittels eines Flussfeldes die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen, wobei Gasdiffusionslager genutzt werden können, um diese Gleichverteilung zu fördern.The reactant gases are fed to the electrodes of the fuel cells by means of bipolar plates. In addition to the reactant gases, a cooling medium is also passed through the bipolar plates. When the fuel cells are supplied with the reactants, these are fed through channels into the bipolar plates, which are intended to distribute the reactants on an active surface in order to supply the entire surface of the electrodes as evenly as possible by means of a flow field, whereby gas diffusion bearings can be used to to promote this equal distribution.

Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss. Für das Wassermanagement ist es bekannt, Befeuchter einzusetzen, die einen großen Bauraumbedarf haben.Fuel cell devices require careful water management because, on the one hand, it is necessary to prevent too much water from being in the fuel cell or in the fuel cell stack, which leads to a blockage of the flow channels for the supply of the reactants. On the other hand, if there is not enough water in the fuel cell, the proton conductivity of the membrane is limited, so that sufficient moisture and water supply to the membrane must be ensured. For water management it is known to use humidifiers that require a large amount of space.

Die Feuchte der Reaktantengase beziehungsweise der Membran beeinflusst neben der Zellspannung auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle, wobei die Feuchte der Membran insbesondere im Eintrittsbereich der Brennstoffzelle nur schwierig richtig eingestellt werden kann.In addition to the cell voltage, the humidity of the reactant gases or the membrane also influences the service life of the fuel cell, with the humidity of the membrane being difficult to set correctly, in particular in the entry area of the fuel cell.

In der DE 10 2011 118 817 A1 ist eine Bipolarplatte beschrieben, bei der Reaktantensammler des Brennstoffzellenstapels mit Reaktantenströmungskanäle der Bipolarplatte verbunden sind, die symmetrisch ausgeführt sind. In the DE 10 2011 118 817 A1 describes a bipolar plate in which reactant collectors of the fuel cell stack are connected to reactant flow channels of the bipolar plate, which are symmetrical.

Ein vergleichbarer Aufbau der Bipolarplatte ist auch in der US 2017/0179501 A1 offenbart, bei der zur Homogenisierung der Stromdichte eine leitfähige Beschichtung eingesetzt wird. Die DE 11 2005 003 103 T5 zeigt eine Brennstoffzelle, die ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatte in einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle und nicht ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten in einem inaktiven Zufuhrgebiet der Brennstoffzelle aufweist, wobei die MEA in dem inaktiven Gebiet nicht mit Katalysator versehen ist.A comparable structure of the bipolar plate is also in the US 2017/0179501 A1 discloses in which a conductive coating is used to homogenize the current density. the DE 11 2005 003 103 T5 Figure 12 shows a fuel cell having nested embossed bipolar plates in an active area of the fuel cell and non nested embossed bipolar plates in an inactive feed area of the fuel cell, the MEA in the inactive area not being catalyzed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit verbesserter Strömungsaufteilung bereit zu stellen, die in konstruktiv einfacher Weise erreicht werden kann.The object of the present invention is to provide a bipolar plate with an improved flow division that can be achieved in a structurally simple manner.

Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a bipolar plate with the features of claim 1. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die eingangs genannte Bipolarplatte zeichnet dadurch aus, dass eine Strömungsaufteilung erreicht wird, ohne die Struktur des Plattenkörpers durch zusätzliche Stege oder Bleche modifizieren zu müssen, so dass gezielt die Strömung des Reaktantengases im Eingangsbereich der Bipolarplatte, also dem Anfangsbereich bezüglich der Strömung an der aktiven Fläche, beeinflusst werden kann.The bipolar plate mentioned at the beginning is characterized by the fact that a flow division is achieved without having to modify the structure of the plate body by additional webs or sheets, so that the flow of the reactant gas in the entrance area of the bipolar plate, i.e. the starting area with regard to the flow on the active surface, is targeted , can be influenced.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Ergänzungselemente den ersten Strömungskanälen alternierend zugeordnet sind, da so in einfacher Weise eine Beeinflussung der Strömung erzielt wird und die Herstellung der erforderlichen Struktur einfach möglich ist.It is particularly preferred if the supplementary elements are assigned alternately to the first flow channels, since in this way the flow can be influenced in a simple manner and the required structure can be produced in a simple manner.

Dabei besteht insbesondere die Möglichkeit, dass die Ergänzungselemente jeden zweiten der ersten Strömungskanäle im Eingangsbereich vollständig abdecken. Eine andere Abfolge hinsichtlich der Kanalzahl zwischen den Abdeckungen ist gleichfalls möglich.In particular, there is the possibility that the supplementary elements completely cover every second of the first flow channels in the entrance area. Another sequence with regard to the number of channels between the covers is also possible.

Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Ergänzungselemente jeden zweiten der ersten Strömungskanäle partiell abdecken. Diese partielle Abdeckungen beeinflusst gleichfalls in geeigneter Weise die Strömung in dem Strömungskanal, um so die Einstellung hinsichtlich der transportierten und übertragenen Feuchte zu ermöglichen.Alternatively, there is also the possibility that the supplementary elements partially cover every second of the first flow channels. This partial cover also influences the flow in the flow channel in a suitable manner in order to enable the adjustment with regard to the transported and transferred moisture.

In einfacher Weise wird die partielle Abdeckung erreicht, indem die Ergänzungselemente durch Lochplatten gebildet sind.The partial covering is achieved in a simple manner in that the supplementary elements are formed by perforated plates.

Auch besteht die Möglichkeit, dass die Ergänzungselemente in ihrer Erstreckung quer zu der Strömungsrichtung in den ersten Strömungskanälen inhomogen sind, also insbesondere kann eine Kombination aus einem elektrisch nicht-leitfähigem Material mit einem leitfähigen Material gegeben sein oder Unterschiede hinsichtlich der Porösität vorliegen, also die Ergänzungselemente poröse Bereiche aufweisen.There is also the possibility that the extension elements are inhomogeneous in their extension transverse to the flow direction in the first flow channels, i.e. in particular a combination of an electrically non-conductive material with a conductive material or differences in porosity can exist, i.e. the extension elements have porous areas.

In einfacher Weise können die Ergänzungselemente auf die zugeordneten Strömungskanäle aufgelegt werden beziehungsweise auf die die Strömungskanäle begrenzenden Stege, deren wirksame Breite dadurch modifiziert wird. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Ergänzungselemente in die ersten Strömungskanäle zum planen Abschluss mit deren Begrenzung eingesetzt sind.In a simple manner, the supplementary elements can be placed on the assigned flow channels or on the webs delimiting the flow channels, the effective width of which is thereby modified. As an alternative, there is also the possibility that the supplementary elements are inserted into the first flow channels for a flat closure with their delimitation.

Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, dass in jedem der ersten Strömungskanäle ein Ergänzungselement eingesetzt ist, das als Strömungsteiler gestaltet ist.Another alternative embodiment provides that a supplementary element, which is designed as a flow divider, is used in each of the first flow channels.

Bei einer Bipolarplatte der vorstehend geschilderten Art mit mindestens einer, den ersten Strömungskanälen zugeordneten Gasdiffusionslage, besteht auch die Möglichkeit, dass die Ergänzungselemente an der Gasdiffusionslage befestigt sind.In the case of a bipolar plate of the type described above with at least one gas diffusion layer assigned to the first flow channels, there is also the possibility that the supplementary elements are attached to the gas diffusion layer.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, dessen Brennstoffzellen Bipolarplatten aufweisen,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit den Strömungskanälen für die Reaktantengase und das Kühlmittel, mit gezielt angeordneten Ergänzungselementen,
  • 3 eine der 2 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Ergänzungselemente,
  • 4 eine der 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit inhomogenen Ergänzungselementen,
  • 5 eine der 2 entsprechende Darstellung mit in den zugeordneten Strömungskanälen integrierten Ergänzungselementen,
  • 6 eine der 5 entsprechende Ausführungsform mit als Röhrchen gestalteten Ergänzungselementen als Strahlteiler,
  • 7 eine der 2 entsprechende Darstellung von zwei aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten mit dazwischen angeordneter Gasdiffusionslage, und
  • 8 eine Draufsicht auf drei Varianten einer Bipolarplatte, wobei die Variante a) und b) eine rechteckige erste aktive Fläche besitzen und bei Variante c) der Verteilbereich auch aktiviert ist.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device with a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, the fuel cells of which have bipolar plates,
  • 2 a schematic representation of a bipolar plate with the flow channels for the reactant gases and the coolant, with specifically arranged supplementary elements,
  • 3 one of the 2 corresponding representation of an alternative embodiment of the supplementary elements,
  • 4th one of the 2 corresponding representation of a further embodiment with inhomogeneous supplementary elements,
  • 5 one of the 2 corresponding representation with additional elements integrated in the assigned flow channels,
  • 6th one of the 5 corresponding embodiment with supplementary elements designed as tubes as beam splitters,
  • 7th one of the 2 Corresponding representation of two bipolar plates known from the prior art with a gas diffusion layer arranged between them, and
  • 8th a plan view of three variants of a bipolar plate, variant a) and b) having a rectangular first active area and variant c) the distribution area is also activated.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist.In the 1 Fig. 3 is a schematic view of a fuel cell device 1 shown, the one fuel cell or a plurality of a fuel cell stack 2 having combined fuel cells.

Der Brennstoffzellenstapel 2 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.The fuel cell stack 2 consists of a plurality of fuel cells connected in series. Each of the fuel cells includes an anode and a cathode and one of the anode Cathode-separating proton-conductive membrane. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or of mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Via anode compartments within the fuel cell stack 2 fuel (e.g. hydrogen) is fed to the anodes. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (for example H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit. Via cathode compartments within the fuel cell stack 2 Cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathodes so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Dem Brennstoffzellestapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist die Brennstoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 in einem Wasserstofftank 5 bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung 8 zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 10 übergeben, für die Verteilung der Gase an die Membran. Zusätzlich sind die Bipolarplatten 10 vorgesehen für die Durchleitung in einem Kühlmediumkanal, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatten 10 mit dazwischen positionierter Gasdiffusionslage 11 sind in der 7 gezeigt, wobei die Strömungskanäle für die Reaktantengase einheitlich sind.The fuel cell stack 2 is via a cathode fresh gas line 3 by a compressor 4th compressed air is supplied. In addition, the fuel cell comes with a cathode exhaust line 6th tied together. The anode side is the fuel cell stack 2 in a hydrogen tank 5 hydrogen held ready via an anode fresh gas line 8th supplied to provide the reactants required for the electrochemical reaction in a fuel cell. These gases are attached to bipolar plates 10 passed, for the distribution of the gases to the membrane. Additionally are the bipolar plates 10 intended for passage in a cooling medium channel, so that three different media can be carried in the smallest of spaces. Bipolar plates known from the prior art 10 with gas diffusion layer positioned in between 11th are in the 7th shown, wherein the flow channels for the reactant gases are uniform.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 verfügt über einen ersten Gaseinlasskanal 19 und einen durch erste Strömungskanäle 9 mit dem ersten Gaseinlasskanal 19 verbundenen ersten Gasauslasskanal 20. Weiterhin liegt ein zweiter Gaseinlasskanal 21 und ein durch zweite Strömungskanäle 12 mit dem zweiten Gaseinlasskanal 21 verbundener zweiter Gasauslasskanal 22 vor. Die 2 und 8 zeigen dabei, dass im Anfangsbereich der Strömung an einer ersten aktiven Fläche ist, Ergänzungselemente 13 zur Strömungsaufteilung angeordnet sind, also im Eingangsbereich der ersten Strömungskanäle 9 (Variante a) an 8) Möglichkeiten geschaffen sind, die Strömung des Reaktantengases zu beeinflussen und damit dessen Wechselwirkung mit der Gasdiffusionslage 11 und der Membran. Die Variante b) und c) an 8 zeigen, dass auch der Verteilbereich zwischen dem ersten Gaseinlasskanal 19 und den ersten Strömungskanälen 9 in dem Eingangsbereich 18 einbezogen sein kann.The bipolar plate according to the invention 10 has a first gas inlet channel 19th and one through first flow channels 9 with the first gas inlet channel 19th connected first gas outlet channel 20th . There is also a second gas inlet channel 21 and one through second flow channels 12th with the second gas inlet channel 21 connected second gas outlet channel 22nd before. the 2 and 8th show that in the initial area of the flow there is a first active surface, supplementary elements 13th are arranged to divide the flow, so in the entrance area of the first flow channels 9 (Variant a) 8th ) Possibilities are created to influence the flow of the reactant gas and thus its interaction with the gas diffusion layer 11th and the membrane. Variants b) and c) 8th show that also the distribution area between the first gas inlet channel 19th and the first flow channels 9 in the entrance area 18th can be included.

Die 2 bis 5 zeigen dabei, dass die Ergänzungselemente 13 den ersten Strömungskanälen 9 alternierend zugeordnet sind, also ein durch ein Ergänzungselement 13 abgedeckter Strömungskanal 9 sich mit einem nicht-abgedeckten Strömungskanal 9 abwechselt. Nicht gezeigt, gleichwohl denkbar ist es, die Anzahl der abgedeckten Strömungskanäle 9 zwischen den nicht-abgedeckten Strömungskanälen 9 zu variieren und vice versa.the 2 until 5 show that the complementary elements 13th the first flow channels 9 are assigned alternately, so one by a supplementary element 13th covered flow channel 9 deal with an uncovered flow channel 9 alternates. Not shown, but it is nevertheless conceivable, the number of covered flow channels 9 between the uncovered flow channels 9 to vary and vice versa.

2 zeigt eine Gestaltung, bei der die Ergänzungselemente 13 jeden zweiten der ersten Strömungskanäle 9 im Eingangsbereich vollständig abdecken, während 3 darauf verweist, dass die Ergänzungselemente 13 jeden zweiten der ersten Strömungskanäle 9 partiell abdecken. In 3 ist damit im Ergebnis die Breite der Stege 14 zwischen den Strömungskanälen 9 modifiziert, ohne dazu deren Fertigung variieren zu müssen. 2 shows a design in which the supplementary elements 13th every second of the first flow channels 9 Cover completely in the entrance area while 3 indicates that the complementary elements 13th every second of the first flow channels 9 partially cover. In 3 is the result of the width of the webs 14th between the flow channels 9 modified without having to vary their production.

Die partielle Abdeckung lässt sich in einfacher Weise erzielen, indem die Ergänzungselemente 13 durch Lochplatten gebildet sind.The partial coverage can be achieved in a simple manner by the supplementary elements 13th are formed by perforated plates.

4 verweist darauf, dass die Ergänzungselemente 13 in ihrer Erstreckung quer zu der Strömungsrichtung in den ersten Strömungskanälen 9 inhomogen sind, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Ergänzungselemente 13 poröse Bereiche 15 aufweisen. 4th indicates that the complementary elements 13th in their extension transversely to the direction of flow in the first flow channels 9 are inhomogeneous, the supplementary elements in the exemplary embodiment shown 13th porous areas 15th exhibit.

Die Ausführungsformen nach den 2 bis 4 zeigen eine Gestaltung, bei der die Ergänzungselemente 13 auf die Stege 14 aufgesetzt sind, während 5 eine Alternative zeigt, bei der die Ergänzungselemente 13 in die ersten Strömungskanäle 9 zum planen Abschluss mit deren Begrenzung durch die Stege 14 eingesetzt sind.The embodiments according to 2 until 4th show a design in which the complementary elements 13th on the jetties 14th are put on while 5 shows an alternative in which the supplementary elements 13th in the first flow channels 9 at the end of the plan with their delimitation by the webs 14th are used.

6 zeigt, dass in jedem der ersten Strömungskanäle 9 ein Ergänzungselement 13 eingesetzt ist, das als Strömungsteiler 16 gestaltet ist und insoweit die Modifikation der Strömung erzielt wird. 6th shows that in each of the first flow channels 9 a complementary element 13th is used as a flow divider 16 is designed and to the extent that the modification of the flow is achieved.

Da in der Regel die Bipolarplatte 10 mit mindestens einer, den ersten Strömungskanälen 9 zugeordneten Gasdiffusionslage 11 zusammenwirkt, besteht die Möglichkeit, dass die Ergänzungselemente 13 an der Gasdiffusionslage 11 befestigt sind.As usually the bipolar plate 10 with at least one, the first flow channels 9 assigned gas diffusion layer 11th cooperates, there is the possibility that the complementary elements 13th at the gas diffusion layer 11th are attached.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
KathodenfrischgasleitungCathode fresh gas line
44th
Verdichtercompressor
55
WasserstofftankHydrogen tank
66th
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
77th
KühlmediumkanalCooling medium channel
88th
AnodenfrischgasleitungFresh anode gas line
99
erster Strömungskanalfirst flow channel
1010
BipolarplatteBipolar plate
1111
GasdiffusionslageGas diffusion layer
1212th
zweiter Strömungskanalsecond flow channel
1313th
ErgänzungselementSupplementary element
1414th
Stegweb
1515th
poröser Bereichporous area
1616
StrömungsleiterFlow conductor
1717th
erste aktive Flächefirst active surface
1818th
EingangsbereichEntrance area
1919th
erster Gaseinlasskanalfirst gas inlet channel
2020th
erster Gasauslasskanalfirst gas outlet channel
2121
zweiter Gaseinlasskanalsecond gas inlet channel
2222nd
zweiter Gasauslasskanalsecond gas outlet channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • US 2017/0179501 A1 [0007]US 2017/0179501 A1 [0007]
  • DE 112005003103 T5 [0007]DE 112005003103 T5 [0007]

Claims (10)

Bipolarplatte (10) mit einem ersten Gaseinlasskanal (19) und einem durch erste Strömungskanäle (9) mit dem ersten Gaseinlasskanal (19) verbundenen ersten Gasauslasskanal (20) und mit einem zweiten Gaseinlasskanal (21) und einem durch zweite Strömungskanäle (12) mit dem zweiten Gaseinlasskanal (21) verbundenen zweiten Gasauslasskanal (22), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Gaseinlasskanal (19) und dem ersten Gasauslasskanal (20) eine die ersten Strömungskanäle (9) einschließende erste aktive Fläche (17) ausgebildet ist, in deren Eingangsbereich (18) Ergänzungselemente (13) zur Strömungsaufteilung angeordnet sind.Bipolar plate (10) with a first gas inlet channel (19) and a first gas outlet channel (20) connected to the first gas inlet channel (19) through first flow channels (9) and with a second gas inlet channel (21) and one through second flow channels (12) to the A second gas outlet channel (22) connected to the second gas inlet channel (21), characterized in that a first active surface (17) enclosing the first flow channels (9) is formed between the first gas inlet channel (19) and the first gas outlet channel (20), in the inlet area of which (18) Supplementary elements (13) are arranged for dividing the flow. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) den ersten Strömungskanälen (9) alternierend zugeordnet sind.Bipolar plate (10) Claim 1 , characterized in that the supplementary elements (13) are assigned to the first flow channels (9) alternately. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) jeden zweiten der ersten Strömungskanäle (9) im Eingangsbereich (18) vollständig abdecken.Bipolar plate (10) Claim 2 , characterized in that the supplementary elements (13) completely cover every second of the first flow channels (9) in the entrance area (18). Bipolarplatte (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) jeden zweiten der ersten Strömungskanäle (9) partiell abdecken.Bipolar plate (10) Claim 2 , characterized in that the supplementary elements (13) partially cover every second of the first flow channels (9). Bipolarplatte (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) durch Lochplatten gebildet sind.Bipolar plate (10) Claim 4 , characterized in that the supplementary elements (13) are formed by perforated plates. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) in ihrer Erstreckung quer zu der Strömungsrichtung in den ersten Strömungskanälen (9) inhomogen sind.Bipolar plate (10) Claim 2 , characterized in that the extension elements (13) are inhomogeneous in their extension transversely to the direction of flow in the first flow channels (9). Bipolarplatte (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) poröse Bereiche (15) aufweisen.Bipolar plate (10) Claim 6 , characterized in that the supplementary elements (13) have porous areas (15). Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) in die ersten Strömungskanäle (9) zum planen Abschluss mit deren Begrenzung eingesetzt sind.Bipolar plate (10) according to one of the Claims 2 until 7th , characterized in that the supplementary elements (13) are inserted into the first flow channels (9) for a flat end with their delimitation. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der ersten Strömungskanäle (9) ein Ergänzungselement (13) eingesetzt ist, das als Strömungsteiler (16) gestaltet ist.Bipolar plate (10) Claim 1 , characterized in that in each of the first flow channels (9) a supplementary element (13) is inserted, which is designed as a flow divider (16). Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mindestens einer, den ersten Strömungskanälen (9) zugeordneten Gasdiffusionslage (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungselemente (13) an der Gasdiffusionslage (11) befestigt sind.Bipolar plate (10) according to one of the Claims 1 until 9 , with at least one gas diffusion layer (11) assigned to the first flow channels (9), characterized in that the supplementary elements (13) are attached to the gas diffusion layer (11).
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