DE102020128564A1 - Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel Download PDF

Info

Publication number
DE102020128564A1
DE102020128564A1 DE102020128564.7A DE102020128564A DE102020128564A1 DE 102020128564 A1 DE102020128564 A1 DE 102020128564A1 DE 102020128564 A DE102020128564 A DE 102020128564A DE 102020128564 A1 DE102020128564 A1 DE 102020128564A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
passage
bipolar plate
media
passages
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020128564.7A
Other languages
English (en)
Inventor
Markus Gretzer
Norbert Kluy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102020128564.7A priority Critical patent/DE102020128564A1/de
Priority to US18/029,321 priority patent/US20230378486A1/en
Priority to EP21801456.1A priority patent/EP4205204A1/de
Priority to PCT/EP2021/079498 priority patent/WO2022090133A1/de
Priority to CN202180067584.2A priority patent/CN116235322A/zh
Publication of DE102020128564A1 publication Critical patent/DE102020128564A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104—Regulation of differential pressures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (2) mit einem aktiven Bereich (3) und einem den aktiven Bereich (3) umgebenden Randbereich (4), dem eine einen ersten Durchtritt (5) aufweisende erste Medienführung (10) und eine einen zweiten Durchtritt (6) aufweisende zweite Medienführung (7) zugeordnet ist, sowie mit einem durch den aktiven Bereich (3) verlaufenden, den ersten Durchtritt (5) mit dem zweiten Durchtritt (6) strömungsmechanisch verbindenden Medienkanal (8), wobei dem ersten Durchtritt (5) und/oder dem zweiten Durchtritt (6) eine Blende (9) zugeordnet ist, die mittels eines Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtritts (5) und/oder des zweiten Durchtritts (6) verstellbar ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Brennstoffzellenstapel (14).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, sowie einen Brennstoffzellenstapel.
  • 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.
  • Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten die Reaktantengase zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden.
  • Um hohe Leistungsanforderungen erfüllen zu können, werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst bzw. übereinander gestapelt. Die Medienführung kann dabei als in dem Randbereich als Aussparungen gebildete Medienports ausgebildet sein, die beim Übereinanderstapeln der einzelnen Schichten des Brennstoffzellenstapels mehrere dreidimensionale Räume entstehen lassen. Alternativ kann die Medienführung auch als ein dem Randbereich der Bipolarplatten und der Brennstoffzellen zugeordneter und separat davon ausgebildetes Funktionsbauteil gebildet sein, in dem ein dreidimensionaler Raum gebildet ist. In anderen Worten kann den übereinander gestapelten Brennstoffzellen und Bipolarplatten ein externer Header zugeordnet sein. So werden mehrere dreidimensionale Räume entlang der Stapelrichtung zur Zuführung der Reaktanten und des Kühlmediums in den aktiven Bereich der Brennstoffzellen und mehrere dreidimensionale Räume entlang der Stapelrichtung zur Abführung der Reaktanten und der Produkte sowie des Kühlmediums gebildet. Durch den aktiven Bereich der Bipolarplatte ist typischerweise eine Kanalstruktur aus Medienkanälen gebildet, die einen der Medienführungen, beispielsweise einen Medienport, mit einem anderen der Medienführungen strömungsmechanisch verbindet. In den Bipolarplattenkörper der Bipolarplatte ist dabei mindestens ein Durchtritt realisiert, der die Medienführung, beispielsweise den Medienport mit dem oder den Medienkanälen strömungsmechanisch verbindet.
  • Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wird dabei durch den Medienmassenstrom, der durch die Medienkanäle fließt, maßgeblich beeinflusst. Dieser wird zu einem erheblichen Teil mit der Wahl des Strömungsquerschnitts, d.h. des Durchmessers der Durchtritte, bei der Fertigung der Bipolarplatte festgelegt. Die Wahl des Durchmessers stellt dabei ein Kompromiss verschiedener Anforderungen an die Befeuchtung und die Leistungserbringung dar. Eine rasche Anpassung des Leistungsprofils des Brennstoffzellenstapels während des Betriebs ist dadurch erschwert.
  • Die DE 20 2019 101 145 U1 beschreibt eine Separatorplatte mit einem Kanalsystem dessen einzelne Fluidpfade unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Die DE 10 2017 202 705 A1 beschreibt eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel in dessen Medienport ein Verteilungselement zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte eingebracht und darin fixiert ist. Die DE 10 2017 201 540 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit einem Medienkanal zur Zu- oder Abfuhr eines Kühlfluids, wobei die Durchflussmenge des Kühlfluids mittels eines innerhalb des Medienkanals angeordneten Stellelements mit einem Aktor steuerbar ist.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel mit einer dynamischen Medienführung bereitzustellen.
  • Die die Bipolarplatte betreffende Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Die den Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich und einem den aktiven Bereich umgebenden Randbereich, dem eine einen ersten Durchtritt aufweisende erste Medienführung und eine einen zweiten Durchtritt aufweisende zweite Medienführung umfasst, sowie mit einem durch den aktiven Bereich verlaufenden, den ersten Durchtritt mit dem zweiten Durchtritt strömungsmechanisch verbindenden Medienkanal, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dem ersten Durchtritt und/oder dem zweiten Durchtritt eine Blende zugeordnet ist, die mittels eines Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtritts und/oder des zweiten Durchtritts verstellbar ist. Die mittels des Aktuators verstellbare Blende ermöglicht dabei eine dynamische Einstellung des Strömungsquerschnitts am ersten Durchtritt und/oder am zweiten Durchtritt, was wiederum die Massenströme in dem Medienkanal nach Bedarf regelt. Die Blende ist dabei vorzugsweise verstellbar zwischen einer ersten Position, in der der Durchtritt zumindest teilweise abgedeckt ist, der Strömungsquerschnitt folglich reduziert ist, und einer zweiten Position, in der der Durchtritt unbedeckt ist. Die Blende kann dabei auch derart durch den Aktuator verstellt werden, dass der Durchtritt vollständig durch die Blende abgedeckt ist, so dass ein Medienmassenstrom durch den Durchtritt in den Medienkanal verhindert wird. Diese rasche Reduktion der Medienzufuhr führt dazu, dass nur noch die Medien, die sich innerhalb des aktiven Bereichs befinden, für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung stehen. Dies erlaubt ein schnelles Verringern der elektrischen Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellenstapels, um in Fahrzeugen auf dynamische Vorgänge, beispielsweise das Eingreifen eines Antiblockiersystems reagieren zu können. Umgekehrt kann auch eine rasche Leistungssteigerung realisiert werden, oder die Medienführung derart an die Leistungsanforderung angepasst werden, dass der Medienverbrauch optimiert wird. Indem dem zweiten Durchtritt eine mittels des Aktuators steuerbare Blende zugeordnet wird, ist es darüber hinaus möglich, den Feuchtehaushalt des Brennstoffzellenstapels dynamisch zu steuern.
  • Die Blende kann vorzugsweise vor dem Durchtritt oder in dem Durchtritt angeordnet sein. Die Blende kann dabei dieselbe Querschnittsform wie der erste Durchtritt und/oder der zweite Durchtritt aufweisen, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Blende elliptisch gebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung und eine gute Abdeckung des Durchtritts.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die Querschnittsform der Blende polygon, d.h. beispielsweise rechteckig, quadratisch, hexagonal, orthogonal oder dreieckig gebildet ist. Weiterhin kann die Blende auch in Richtung des Durchtritts oder entgegen des Durchtritts gebogen gebildet sein.
  • Eine vorteilhafte Möglichkeit, um die Blende mittels des Aktuators zu verstellen, ist dadurch gegeben, dass die Blende drehbar am oder im ersten Durchtritt gelagert, und/oder die Blende drehbar am oder im zweiten Durchtritt gelagert ist.
  • In einer alternativen und bevorzugten Ausführungsform ist die Blende verschiebbar am oder im ersten Durchtritt gelagert und/oder verschiebbar am oder im zweiten Durchtritt gelagert. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verstellbarkeit der Blende durch den Aktuator und eine einfache Fertigung der Bipolarplatte.
  • Um den gesamten aktiven Bereich mit den Medien oder dem Medium zu versorgen und dynamisch Regeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn die erste Medienführung eine Mehrzahl von ersten Durchtritten und die zweite Medienführung eine Mehrzahl von zweiten Durchtritten aufweist, wenn die ersten Durchtritte mit den zweiten Durchtritten mittels durch den aktiven Bereich verlaufenden Medienkanälen miteinander strömungsverbunden sind, und wenn zumindest zwei der ersten Durchtritte und/oder zumindest zwei der zweiten Durchtritte jeweils eine mittels des Aktuators verstellbare Blende zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte zugeordnet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn jeder der ersten Durchtritte und/oder jeder der zweiten Durchtritte eine mittels des Aktuators verstellbare Blende zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte zugeordnet ist.
  • In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass die Blenden mittels des Aktuators einzeln verstellbar sind. Dies ermöglicht die gezielte Steuerung der Medienzuführung und/oder Medienabfuhr in verschiedenen Teilbereichen des aktiven Bereichs. In einer vereinfachten Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Blenden gemeinsam mittels des Aktuators verstellbar sind.
  • Um eine einfachere Fertigung der Bipolarplatte zu ermöglichen ist es von Vorteil, wenn die Mehrzahl der Blenden einen Kamm mit Kammzähnen und zwischen den Kammzähnen angeordneten Aussparungen bilden, oder wenn die Mehrzahl der Blenden eine Gitterstruktur mit Gitterwänden und zwischen den Gitterwänden angeordneten Gitteraussparungen bilden. Bei Verstellung des Kamms mittels des Aktuators können dabei die Durchtritte mittels der Kammzähne zumindest teilweise bedeckt sein. Dies gilt analog für die Ausbildung der Blenden als ein Gitter. Bei Verstellung des Gitters mittels des Aktuators können die Durchtritte mittels der Gitterwände zumindest teilweise bedeckt sein.
  • Der Brennstoffzellenstapel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Brennstoffzellen vorgesehen ist, die mindestens eine Bipolarplatte und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen. Das Stapeln der Brennstoffzellen und der Bipolarplatten bildet einen sich in Stapelrichtung erstreckenden Medienraum. Durch die Integration der Bipolarplatte in den Brennstoffzellenstapel ist eine dynamische Steuerung des Medienflusses durch die Medienführung in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle möglich. Dies erlaubt ein schnelles Verringern oder Steigern der elektrischen Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellenstapels, eine dynamische Regelung des Wasserhaushaltes und ein gezieltes Steuern der Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die mindestens einem der Durchtritte zugeordnete Blende in oder entgegen der Stapelrichtung verstellbar gelagert ist, dies ermöglicht eine dynamische Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte und damit eine dynamische Anpassung des Medienmassenstroms. Die für die Bipolarplatte beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten analog auch für den Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Bipolarplatte.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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 der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • 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 der Bipolarplatte,
    • 2 eine schematische Schnittansicht der Bipolarplatte, und
    • 3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellenstapels.
  • 1 zeigt eine Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich 3 und einem den aktiven Bereich 3 umgebenden Randbereich 4. Der Randbereich 4 weist drei als erste Medienports gebildete erste Medienführungen 10, nämlich einen Medienport 10a zur Zuführung des ersten Reaktanten, einen Medienport 10b zur Zuführung des zweiten Reaktanten und einen Medienport 10c zur Zuführung des Kühlmittels in den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1, auf. Weiterhin sind drei als zweite Medienports gebildete zweite Medienführungen 7 vorhanden, nämlich ein Medienport 7a zur Abfuhr des ersten Reaktanten ein Medienport 7b zur Abfuhr des zweiten Reaktanten und ein Medienport 7c zur Abfuhr des Kühlmittels. Zwischen der ersten Medienführung 10 und der zweiten Medienführung 7 sind über den aktiven Bereich 3 verlaufende Medienkanäle 8 vorhanden, die ein jeweils ein Flussfeld für das betreffende Betriebsmedium bilden.
  • Die ersten Medienführungen 10 weisen eine Mehrzahl von ersten Durchtritten 5 auf. Die zweiten Medienführungen 7 weisen mehrere zweite Durchtritte 6 auf. Weiterhin ist eine Mehrzahl von Medienkanälen 8 ausgebildet, die durch den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1 verlaufen. Die Medienkanäle 8 verbinden strömungsmechanisch die ersten Durchtritte 5 der ersten Medienführungen 10 mit den zweiten Durchtritten 6 der jeweiligen zweiten Medienführungen 7. Die Medienkanäle 8 sind in der 1 vereinfacht dargestellt. So sind die Medienkanäle 8 vorzugsweise als ein Medienkanalnetz gebildet, welches bevorzugt mäanderförmig durch den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1 verläuft. Insbesondere verlaufen die Medienkanäle 8 auf einer Seite offen, um die aktiven Bereiche der zu der Bipolarplatte 1 benachbarten Schichten mit den Medien zu versorgen. Die ersten Durchtritte 5 und die zweiten Durchtritte 6 sind innerhalb eines Bipolarplattenkörpers 15 ausgebildet, so dass die Durchtritte 5,6 die Bipolarplatte 1 untertunneln.
  • 2 zeigt, dass den ersten Durchtritten 5 eine Blende 9 zugeordnet ist, die mittels eines nicht dargestellten Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtrittes 5 verstellbar, insbesondere verschiebbar ist. Dies ermöglicht, die Medienführung oder den Medienmassenstrom durch die Bipolarplatte 1 dynamisch zu steuern. Zur einfacheren Darstellung ist nicht jedem der ersten Durchtritte 5 eine Blende 9 zugeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist allerdings jedem der ersten Durchtritte 5 und jedem der zweiten Durchtritte 6 eine Blende 9 zugeordnet. Die Blenden 9 können eine elliptische, kreisförmige, oder polygone Querschnittsform aufweisen.
  • Die Blende 9 ist vorzugsweise am oder im Durchtritt 5, 6 verschiebbar gelagert, so dass durch den Aktuator eine Verschiebung der Blende 9 zu einer Veränderung des Strömungsquerschnitts des Durchtrittes 5, 6 führt. Die Blende 9 kann vor dem Durchtritt 5, 6 oder im Durchtritt 5, 6 angeordnet sein. Die Blende 9 kann darüber hinaus auch durch den Durchtritt 5, 6 durchschiebbar oder in den Durchtritt 5, 6 einsetzbar gestaltet sein. Die Durchtritte 5, 6 können dabei als einfache Durchtrittsöffnungen gebildet sein oder als ein Durchtrittskanal.
  • Alternativ kann der Strömungsquerschnitt der Durchtritte 5, 6 auch geändert werden durch eine rotierbare Lagerung der Blende 9 am oder im Durchtritt 5, 6.
  • Die in den 1 und 2 beschriebene Bipolarplatte 1 kann in einen eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Brennstoffzellen 2 aufweisenden Brennstoffzellenstapel 14 integriert werden. Dieser ist in 3 exemplarisch dargestellt. Hierzu wird zwischen je zwei solcher Bipolarplatten 1 eine Membranelektrodenanordnung platziert, um diese mit über die Flussfelder der Bipolarplatten 1 mit den Reaktanten zu versorgen. Durch dieses Stapeln entsteht ein im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung verlaufender Medienraum. Durch diese Medienführungen werden den Brennstoffzellen 2 die Reaktanten und das Kühlmittel zugefügt. Vorliegend sind die Blenden 9 der Bipolarplatte als ein Kamm 11 mit Kammzähnen 12 und zwischen den Kammzähnen 12 angeordneten Aussparungen 13 gebildet. Diese als Kamm 11 gebildete Mehrzahl von Blenden 9 ist mittels des Aktuators verschiebbar. Zur Reduktion des Strömungsquerschnitts der Durchtritte 5, 6 können die Kammzähne 12 die Durchtritte 5,6 zumindest teilweise bedecken. Sind dagegen die Aussparungen 13 vor den Durchtritten 5, 6 angeordnet, so sind diese unbedeckt und der Medienmassenstrom kann ungehindert in oder durch die Durchtritte 5, 6 in die Medienkanäle 8, mithin in das jeweilige Flussfeld strömen. Dies ermöglicht eine dynamische Steuerung der Medien in der Bipolarplatte 1 und damit in dem Brennstoffzellenstapel 14. Es ist zu erkennen, dass der gezeigte Brennstoffzellenstapel 14 um externe Header ergänzt werden kann, so dass in den durch diese geschaffenen axial verlaufenden Medienraum die Blende 9 eingebracht ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bipolarplatte
    2
    Brennstoffzelle
    3
    aktiver Bereich
    4
    Randbereich
    5
    erster Durchtritt
    6
    zweiter Durchtritt
    7
    zweite Medienführung
    7a
    zweiter Medienport für ersten Reaktand
    7b
    zweiter Medienport für zweiten Reaktand
    7c
    zweiter Medienport für Kühlmittel
    9
    Blende
    10
    erste Medienführung
    10a
    erster Medienport für ersten Reaktand
    10b
    erster Medienport für zweiten Reaktand
    10c
    erster Medienport für Kühlmittel
    11
    Kamm
    12
    Kammzähne
    13
    Aussparung
    14
    Brennstoffzellenstapel
    15
    Bipolarplattenkörper
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202019101145 U1 [0006]
    • DE 102017202705 A1 [0006]
    • DE 102017201540 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (2) mit einem aktiven Bereich (3) und einem den aktiven Bereich (3) umgebenden Randbereich (4), dem eine einen ersten Durchtritt (5) aufweisende erste Medienführung (10) und eine einen zweiten Durchtritt (6) aufweisende zweite Medienführung (7) zugeordnet ist, sowie mit einem durch den aktiven Bereich (3) verlaufenden, den ersten Durchtritt (5) mit dem zweiten Durchtritt (6) strömungsmechanisch verbindenden Medienkanal (8), wobei dem ersten Durchtritt (5) und/oder dem zweiten Durchtritt (6) eine Blende (9) zugeordnet ist, die mittels eines Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtritts (5) und/oder des zweiten Durchtritts (6) verstellbar ist.
  2. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) elliptisch gebildet ist.
  3. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Blende (9) polygon gebildet ist.
  4. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) drehbar am oder im ersten Durchtritt (5) gelagert ist und/oder dass die Blende (9) drehbar am oder im zweiten Durchtritt (6) gelagert ist.
  5. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) verschiebbar am oder im ersten Durchtritt (5) gelagert ist und/oder dass die Blende (9) verschiebbar am oder im zweiten Durchtritt (6) gelagert ist.
  6. Bipolarplatte (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Medienführung (10) eine Mehrzahl von ersten Durchtritten (5) und die zweite Medienführung (7) eine Mehrzahl von zweiten Durchtritten (6) aufweist, dass die ersten Durchtritte (5) mit den zweiten Durchtritten (6) mittels durch den aktiven Bereich (3) verlaufenden Medienkanälen (8) miteinander strömungsverbunden sind, und dass zumindest zwei der ersten Durchtritte (5) und/oder zumindest zwei der zweiten Durchtritte (6) jeweils eine mittels des Aktuators verstellbare Blende (9) zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte (5,6) zugeordnet ist.
  7. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (9) mittels des Aktuators einzeln verstellbar sind.
  8. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Blenden (9) einen Kamm (11) mit Kammzähnen (12) und zwischen den Kammzähnen (12) angeordneten Aussparungen (13) bilden.
  9. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Blenden (9) eine Gitterstruktur mit Gitterwänden und zwischen den Gitterwänden angeordneten Gitteraussparungen bilden.
  10. Brennstoffzellenstapel (14), der aus einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Brennstoffzellen (2) gebildet ist, die mindestens eine Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen.
DE102020128564.7A 2020-10-30 2020-10-30 Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel Pending DE102020128564A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020128564.7A DE102020128564A1 (de) 2020-10-30 2020-10-30 Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel
US18/029,321 US20230378486A1 (en) 2020-10-30 2021-10-25 Bipolar plate with media regulation and fuel cell stack
EP21801456.1A EP4205204A1 (de) 2020-10-30 2021-10-25 Bipolarplatte mit medienregulierung und brennstoffzellenstapel
PCT/EP2021/079498 WO2022090133A1 (de) 2020-10-30 2021-10-25 Bipolarplatte mit medienregulierung und brennstoffzellenstapel
CN202180067584.2A CN116235322A (zh) 2020-10-30 2021-10-25 带有介质调节的双极板和燃料电池堆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020128564.7A DE102020128564A1 (de) 2020-10-30 2020-10-30 Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020128564A1 true DE102020128564A1 (de) 2022-05-05

Family

ID=78483266

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020128564.7A Pending DE102020128564A1 (de) 2020-10-30 2020-10-30 Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230378486A1 (de)
EP (1) EP4205204A1 (de)
CN (1) CN116235322A (de)
DE (1) DE102020128564A1 (de)
WO (1) WO2022090133A1 (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19905564C2 (de) 1999-02-11 2001-06-28 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzellenstapel mit Zuführungs- und/oder Abführungskanälen
DE102010023566A1 (de) 2010-06-10 2011-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
DE102011120542A1 (de) 2011-12-08 2013-06-13 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
DE102017201540A1 (de) 2017-01-31 2018-08-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel
DE102017202705A1 (de) 2017-02-20 2018-08-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel mit Verteilungselement im Medienkanal sowie Herstellverfahren
DE102017210263A1 (de) 2017-06-20 2018-12-20 Robert Bosch Gmbh Verbesserte Medienverteilung in Brennstoffzellenstacks
DE202019101145U1 (de) 2019-02-28 2020-05-29 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004044494A1 (de) * 2004-09-15 2006-03-30 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur Erzeugung von gleichmässigem Gasdruck auf jeder Seite des Elektrolyts und von definierter Gasdruckdifferenz zwischen beiden Seiten des Elektrolyts einer Brennstoffzelle
GB2525697A (en) * 2014-12-01 2015-11-04 Daimler Ag Fuel cell stack, fuel cell system and vehicle

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19905564C2 (de) 1999-02-11 2001-06-28 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzellenstapel mit Zuführungs- und/oder Abführungskanälen
DE102010023566A1 (de) 2010-06-10 2011-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel
DE102011120542A1 (de) 2011-12-08 2013-06-13 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
DE102017201540A1 (de) 2017-01-31 2018-08-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel
DE102017202705A1 (de) 2017-02-20 2018-08-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel mit Verteilungselement im Medienkanal sowie Herstellverfahren
DE102017210263A1 (de) 2017-06-20 2018-12-20 Robert Bosch Gmbh Verbesserte Medienverteilung in Brennstoffzellenstacks
DE202019101145U1 (de) 2019-02-28 2020-05-29 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System

Also Published As

Publication number Publication date
EP4205204A1 (de) 2023-07-05
WO2022090133A1 (de) 2022-05-05
US20230378486A1 (en) 2023-11-23
CN116235322A (zh) 2023-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO1999057780A1 (de) Brennstoffzellen-modul
DE102006009844A1 (de) Bipolarplatte, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs
WO2017025555A1 (de) Bipolarplatte sowie brennstoffzellenstapel mit einer solchen
DE102016111638A1 (de) Bipolarplatte mit variabler Breite der Reaktionsgaskanäle im Eintrittsbereich des aktiven Bereichs, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug
DE102016121506A1 (de) Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
WO2015155125A1 (de) Bipolarplatte und brennstoffzelle
DE10220183A1 (de) Brennstoffzelle
DE102021203040A1 (de) Protonen-austausch-membran-brennstoffzelle
EP3329535B1 (de) Membran-elektroden-einheit einer brennstoffzelle und herstellungsverfahren
DE102020128564A1 (de) Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel
EP4165703B1 (de) Bipolarplatte mit einsetzbarer blende und brennstoffzellenstapel
EP4073859A1 (de) Bausatz für einen brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung eines brennstoffzellenstapels
DE102020128583A1 (de) Brennstoffzellenstapel und Bipolarplatte mit Medienregulierung
DE102016208873A1 (de) Bipolarplatte, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit kaskadierter Befeuchtung
DE102019206117A1 (de) Brennstoffzellenstapel umfassend variable Biopolarplatten
DE102019203321A1 (de) Brennstoffzellenplatte, Brennstoffzellenaufbau und Brennstoffzellensystem
DE102018211078B3 (de) Bipolarplatte für Brennstoffzellen mit drei Einzelplatten, sowie Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten
DE102016121954A1 (de) Bipolarplatte, Brennstoffzellenstapel und ein Kraftfahrzeug
DE102021214297B4 (de) Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel
DE102020127464A1 (de) Bipolarplatte mit orthogonalen Kühlmittelkanälen, Brennstoffzellenaufbau und Brennstoffzellenstapel
WO2017085030A1 (de) Brennstoffzellenstapel bipolarplatten aufweisend sowie brennstoffzellensystem
DE102020110608A1 (de) Brennstoffzellenstapel, Verfahren zu dessen Herstellung und Brennstoffzellenvorrichtung
WO2022090125A1 (de) Bipolarplatte und brennstoffzellenstapel
DE102019208311A1 (de) Segmentierte Einlageplatte für einen Brennstoffzellenstapel
DE102020128436A1 (de) Gewebestruktur mit integrierter Be- und Entfeuchtungsfunktion für eine Bipolarplatte und für einen Brennstoffzellenstapel

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE