DE102021214194A1 - Fuel cell system and bipolar plate for a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and bipolar plate for a fuel cell system Download PDF

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DE102021214194A1 DE102021214194.3A DE102021214194A DE102021214194A1 DE 102021214194 A1 DE102021214194 A1 DE 102021214194A1 DE 102021214194 A DE102021214194 A DE 102021214194A DE 102021214194 A1 DE102021214194 A1 DE 102021214194A1
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Stefan Schuerg
Udo Riegler
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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (100, 200) für eine Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte (100, 200) umfasst einen ersten inaktiven Bereich (101), einen zweiten inaktiven Bereich (103) und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich (101) und dem zweiten inaktiven Bereich (103) angeordneten aktiven Bereich (105). Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem (300).The invention presented relates to a bipolar plate (100, 200) for a fuel cell. The bipolar plate (100, 200) comprises a first inactive area (101), a second inactive area (103) and an active area (105) arranged between the first inactive area (101) and the second inactive area (103). Furthermore, the presented invention relates to a fuel cell system (300).

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und ein Brennstoffzellensystem.The invention presented relates to a bipolar plate and a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen für Brennstoffzellensysteme umfassen Bipolarplatten zur Versorgung einer Membranelektrodeneinheit (MEA) einer jeweiligen Brennstoffzelle mit frischen Betriebsmedien, wie bspw. Wasserstoff, Luft und Kühlmedium sowie zum Abtransport verbrauchter Betriebsmedien, insbesondere flüssigem Reaktionswasser.Fuel cells for fuel cell systems include bipolar plates for supplying a membrane electrode unit (MEA) of a respective fuel cell with fresh operating media, such as hydrogen, air and cooling medium, and for removing used operating media, in particular liquid reaction water.

Weiterhin dienen Bipolarplatten zur Ableitung von elektrischem Strom und Reaktionswärme von der MEA.Furthermore, bipolar plates are used to dissipate electrical current and heat of reaction from the MEA.

Eine Bipolarplatte sollte einen minimalen Druckverlust von die Bipolarplatte durchströmenden Gasen ermöglichen und eine hohe Festigkeit und Formstabilität auch bei hohen mechanischen Drücken, wie sie in einem Brennstoffzellenstapel vorliegen, sicherstellen.A bipolar plate should allow a minimal pressure loss of the gases flowing through the bipolar plate and ensure high strength and dimensional stability even at high mechanical pressures, such as are present in a fuel cell stack.

In der Regel umfasst eine Bipolarplatte mehrere inaktive Bereiche, in denen Versorgungskanäle zum Zuführen und Abführen der Betriebsmedien in bzw. aus einem aktiven Bereich, in dem eine Reaktion des Brennstoffs stattfindet, angeordnet sind. Entsprechend soll eine Bipolarplatte einen möglichst großen aktiven Bereich aufweisen, um eine bestmögliche Leistungsausbeute in einem Brennstoffzellensystem zu ermöglichen.As a rule, a bipolar plate comprises a number of inactive areas in which supply channels for supplying and removing the operating media into or out of an active area in which a reaction of the fuel takes place are arranged. Accordingly, a bipolar plate should have the largest possible active area in order to enable the best possible power yield in a fuel cell system.

Es ist bekannt, dass eine ungleichförmige Anströmung der Kanäle mit signifikanten Druckunterschieden im aktiven Bereich eine ungleichförmige Stromdichteverteilung auf der MEA und damit eine vorzeitige Alterung der Brennstoffzellen bedingt.It is known that a non-uniform inflow of the channels with significant pressure differences in the active area causes a non-uniform current density distribution on the MEA and thus premature aging of the fuel cells.

Die DE 10 2019 212 045 A1 beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die einen zentral angeordneten aktiven Bereich sowie zwei inaktive u-förmige Bereiche umfasst.The DE 10 2019 212 045 A1 describes a bipolar plate for a fuel cell, which comprises a centrally arranged active area and two inactive u-shaped areas.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Bipolarplatte und ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.A bipolar plate and a fuel cell system are presented as part of the presented invention. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the bipolar plate according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein kompaktes und leistungsfähiges Brennstoffzellensystem bereitzustellen.The invention presented serves in particular to provide a compact and powerful fuel cell system.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgestellt. Die Bipolarplatte umfasst einen ersten inaktiven Bereich, einen zweiten inaktiven Bereich und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich und dem zweiten inaktiven Bereich angeordneten aktiven Bereich, wobei der erste inaktive Bereich und der zweite inaktive Bereich Versorgungkanäle zum Transport von Betriebsmedien für einen Betrieb der Bipolarplatte umfassen, wobei zumindest der erste inaktive Bereich ein Verteilerfeld umfasst, das dazu konfiguriert ist, durch die Versorgungskanäle des ersten inaktiven Bereichs strömende Betriebsmedien in den aktiven Bereich zu leiten.According to a first aspect of the presented invention, a bipolar plate for a fuel cell is presented. The bipolar plate comprises a first inactive area, a second inactive area and an active area arranged between the first inactive area and the second inactive area, the first inactive area and the second inactive area comprising supply channels for the transport of operating media for operation of the bipolar plate, wherein at least the first inactive area comprises a distribution panel configured to route operational media flowing through the service channels of the first inactive area into the active area.

Der erste inaktive Bereich und der zweite inaktive Bereich sind jeweils spiegelsymmetrisch zu einer von dem ersten inaktiven Bereich zu dem zweiten inaktiven Bereich verlaufenden Symmetrieachse der Bipolarplatte und das Verteilerfeld umfasst eine Anzahl Verteilungselemente, wobei jeweilige Verteilungselemente der Anzahl Verteilungselemente in einer Vielzahl Reihen angeordnet sind, und wobei zumindest ein Teil der Reihen der Vielzahl Reihen bogenförmig verläuft.The first inactive area and the second inactive area are each mirror-symmetrical to an axis of symmetry of the bipolar plate running from the first inactive area to the second inactive area, and the distributor field comprises a number of distribution elements, with respective distribution elements of the number of distribution elements being arranged in a large number of rows, and wherein at least a portion of the rows of the plurality of rows are arcuate.

Unter einem Verteilerfeld ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich zu verstehen, in dem durch jeweilige Versorgungskanäle in eine Bipolarplatte einströmende Betriebsmedien zu einem aktiven Bereich der Bipolarplatte geleitet werden. Entsprechend befindet sich ein Verteilerfeld zwischen den Versorgungskanälen und dem aktiven Bereich, in dem eine Reaktion von zum Betrieb einer Brennstoffzelle vorgesehenem Brennstoff abläuft.In the context of the presented invention, a distributor field is to be understood as an area in which operating media flowing into a bipolar plate through respective supply channels are conducted to an active area of the bipolar plate. Correspondingly, there is a distributor field between the supply channels and the active area, in which a reaction of fuel provided for the operation of a fuel cell takes place.

Die vorgestellte Bipolarplatte basiert auf dem Prinzip, dass diese spiegelsymmetrische inaktive Bereiche mit einer Anzahl Verteilungselemente umfasst. Die Spiegelsymmetrie in Verbindung mit den Verteilungselementen der inaktiven Bereiche bewirkt eine besonders gleichmäßige Verteilung bzw. eine Minimierung von Druckunterschieden von durch die inaktiven Bereiche strömenden Betriebsmedien über einen gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs bzw. eine gleichmäßige Abfuhr von Betriebsmedien aus einem gesamten Auslassbereich des aktiven Bereichs. Entsprechend werden lokale Fehlstellen, die durch inhomogene Reaktionsverläufe entstehen, minimiert. Mit anderen Worten minimiert die vorgestellte Bipolarplatte eine Alterung einer entsprechenden Brennstoffzelle.The presented bipolar plate is based on the principle that it comprises mirror-symmetrical inactive areas with a number of distribution elements. The mirror symmetry in connection with the distribution elements of the inactive areas brings about a particularly uniform distribution or a minimization of pressure differences of operating media flowing through the inactive areas over an entire inlet area of the active area or a uniform removal of operating media from an entire outlet area of the active area. Correspondingly, local defects that arise from inhomogeneous reaction processes are minimized. In other words the presented bipolar plate minimizes aging of a corresponding fuel cell.

Durch den spiegelsymmetrischen Aufbau der vorgestellten Bipolarplatte werden insbesondere zwei parallele Versorgungspfade geschaffen, sodass sämtliche Betriebsmedien zum Betrieb der Bipolarplatte sowohl in einem ersten Bereich als auch in einem zweiten Bereich bereitgestellt bzw. angeführt werden. Entsprechend wird nicht, wie im Stand der Technik üblich, ein Volumenstrom über die gesamte Bipolarplatte verteilt, sondern es werden mehrere Volumenströme verteilt über die Bipolarplatte bereitgestellt. Dies bedeutet, dass eine flache parabelförmige Verteilungskurve von durch die Bipolarplatte strömenden Betriebsmedien erzeugt wird und sogenannte „hot spots“ verhindert werden.The mirror-symmetrical structure of the presented bipolar plate creates in particular two parallel supply paths, so that all operating media for operating the bipolar plate are provided or listed both in a first area and in a second area. Correspondingly, a volume flow is not distributed over the entire bipolar plate, as is usual in the prior art, but several volume flows are distributed over the bipolar plate. This means that a flat, parabolic distribution curve of the operating media flowing through the bipolar plate is generated and so-called "hot spots" are prevented.

Insbesondere werden durch die Verteilungselemente Druckunterschiede über den Einlassbereich bzw. den Auslassbereich des aktiven Bereichs hinweg minimiert, sodass besonders homogene Reaktionsbedingungen in dem aktiven Bereich vorliegen. Dabei bewirkt die bogenförmige Anordnung zumindest eines Teils der Verteilungselemente einen minimalen Druckverlust beim Strömen der Betriebsmedien, da der mechanische Widerstand, den die Verteilungselemente einem strömenden Betriebsmedium entgegenstellen, über einen weiten Bereich in dem entsprechenden Verteilerfeld verteilt wird. Entsprechend werden auch durch die bogenförmige Anordnung lokale Druckmaxima und Druckminima minimiert, sodass insbesondere die bogenförmige Anordnung eine Alterung einer entsprechenden Brennstoffzelle minimiert und eine Leistung der Brennstoffzelle maximiert.In particular, the distribution elements minimize pressure differences across the inlet area or the outlet area of the active area, so that particularly homogeneous reaction conditions are present in the active area. The arcuate arrangement of at least some of the distribution elements results in a minimal pressure loss when the operating media flows, since the mechanical resistance that the distribution elements oppose to a flowing operating medium is distributed over a wide area in the corresponding distribution panel. Correspondingly, local pressure maxima and pressure minima are also minimized by the arcuate arrangement, so that in particular the arcuate arrangement minimizes aging of a corresponding fuel cell and maximizes the performance of the fuel cell.

Insbesondere bewirkt die bogenförmige Anordnung der Verteilungselemente eine nicht-Normalverteilung, sodass bspw. an jeweiligen Rändern eines Verteilungsbereichs gleich viel Betriebsmedium bereitgestellt wird, wie in einem mittleren Bereich der Bipolarplatte.In particular, the arcuate arrangement of the distribution elements brings about a non-normal distribution, so that, for example, the same amount of operating medium is provided at the respective edges of a distribution area as in a central area of the bipolar plate.

Insbesondere wird durch die vorgestellte Bipolarplatte eine Druckdifferenz von zu dem aktiven Bereich bzw. aus dem aktiven Bereich strömenden Betriebsmedien in Querrichtung, d.h. parallel zu einem Einlassbereich bzw. Auslassbereich des aktiven Bereichs, minimiert.In particular, the presented bipolar plate minimizes a pressure difference of operating media flowing to the active area or from the active area in the transverse direction, i.e. parallel to an inlet area or outlet area of the active area.

Ferner bewirken die Verteilungselemente eine mechanische Verstärkung der Bipolarplatte gegenüber einer Belastung entlang einer Höheachse der Bipolarplatte, wie sie bspw. durch Spannkräfte zum Spannen eines Brennstoffzellenstapels vorkommt. Dazu können die Verteilungselemente derart ausgestaltet sein, dass diese eine Kraftverbindung bzw. Kraftschluss zwischen verschiedenen Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels bedingen. Dies bedeutet, dass jeweilige Verteilungselemente verschiedener Bipolarplatten übereinander angeordnet werden können, sodass eine durchgehende Säule von Verteilungselementen entsteht. Entsprechend kann ein Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl der vorgestellten Bipolarplatten aufgebaut ist, besonders stark, d.h. mit besonders hohen Spannkräften gespannt werden, ohne dass die Bipolarplatten sich verbiegen.Furthermore, the distribution elements bring about a mechanical reinforcement of the bipolar plate in relation to a load along a height axis of the bipolar plate, as occurs, for example, as a result of clamping forces for clamping a fuel cell stack. For this purpose, the distribution elements can be designed in such a way that they require a force connection or frictional connection between different bipolar plates of a fuel cell stack. This means that respective distribution elements of different bipolar plates can be arranged one above the other, so that a continuous column of distribution elements is created. Accordingly, a fuel cell stack that is made up of a number of the bipolar plates presented can be clamped particularly strongly, i.e. with particularly high clamping forces, without the bipolar plates bending.

Insbesondere basiert die vorgestellte Bipolarplatte auf einem geradlinigen Luftströmungspfad, der durch eine seitliche Anordnung von Überströmkanälen bzw. Versorgungskanälen eine „Doppel-u-förmige“ Symmetrie aufweist. Dabei können bspw. die Versorgungskanäle zur Versorgung mit einem ersten Medium, wie bspw. Luft, gegenüberliegend in den Schenkeln eines „U“ ausgebildet sein, wohingegen die Versorgungskanäle zur Versorgung mit einem zweiten Medium, wie bspw. Wasserstoff, nebeneinander, insbesondere getrennt durch einen Versorgungskanal zur Versorgung mit einem dritten Betriebsmedium in einer Basis des U ausgebildet sein können, sodass sich zwischen den Schenkeln, der Basis und dem aktiven Bereich das Verteilerfeld erstreckt.In particular, the presented bipolar plate is based on a straight air flow path, which has a "double U-shaped" symmetry due to a lateral arrangement of overflow channels or supply channels. For example, the supply channels for supplying a first medium, such as air, can be formed opposite one another in the legs of a "U", whereas the supply channels for supplying a second medium, such as hydrogen, next to each other, in particular separated by a Supply channel for supplying a third operating medium can be formed in a base of the U, so that the distributor panel extends between the legs, the base and the active area.

Es kann vorgesehen sein, dass zumindest der erste inaktive Bereich einen Kühlmittelversorgungskanal umfasst, der sich mittig entlang der Symmetrieachse in Richtung des aktiven Bereichs erstreckt, wobei der Kühlmittelversorgungskanal sich zunehmend in Richtung des aktiven Bereichs verjüngt.It can be provided that at least the first inactive area comprises a coolant supply channel, which extends centrally along the axis of symmetry in the direction of the active area, with the coolant supply channel increasingly narrowing in the direction of the active area.

Durch einen sich in Richtung des aktiven Bereichs verjüngenden Kühlmittelverteilungskanal wird eine Strömungsgeometrie bewirkt, bei der in Richtung des aktiven Bereichs strömendes Betriebsmedium in einem Winkel, insbesondere in einem Winkel zwischen 30° und 80° zu der Symmetrieachse der Bipolarplatte in den Verteilerbereich geleitet wird. Entsprechend wird durch das Strömungsverhalten ein Weg des Betriebsmediums durch das Verteilerfeld maximiert und eine Verteilung des Betriebsmediums durch die Verteilungselemente ermöglicht, sodass das Betriebsmedium auch bis in jeweilige Randbereiche des aktiven Bereichs geleitet wird.A coolant distribution channel that tapers in the direction of the active area causes a flow geometry in which the operating medium flowing in the direction of the active area is guided into the distribution area at an angle, in particular at an angle of between 30° and 80°, to the axis of symmetry of the bipolar plate. Correspondingly, the flow behavior maximizes the path of the operating medium through the distributor field and enables distribution of the operating medium through the distribution elements, so that the operating medium is also routed to the respective edge areas of the active area.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest eine Reihe von Verteilungselementen in Richtung des Kühlmittelversorgungskanals oder des aktiven Bereichs gebogen verläuft.Provision can furthermore be made for at least one row of distribution elements to run in a curved manner in the direction of the coolant supply channel or the active region.

Die bogenförmige Ausrichtung der Verteilungselemente kann in jede Richtung gebogen verlaufen, wobei insbesondere eine in Richtung des aktiven Bereichs bzw. eines Kühlmittelversorgungskanals gebogene Anordnung zu einer gleichmäßigen Verteilung von Betriebsmedien in dem Verteilerfeld führt.The arcuate orientation of the distribution elements can be curved in any direction, in particular an arrangement curved in the direction of the active region or a coolant supply channel resulting in a uniform Distribution of operating media in the patch panel leads.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilungselemente kegelstumpfförmig sind und einen Kegelwinkel zwischen 30° und 60° aufweisen.Provision can furthermore be made for the distribution elements to be in the shape of a truncated cone and have a cone angle of between 30° and 60°.

Kegelstumpfförmige Verteilungselemente eignen sich besonders zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen verschiedenen Bipolarplatten, da diese eine ebene Kontaktfläche zur Kontaktierung einer jeweilig anderen Bipolarplatte aufweisen und aufgrund ihrer kegelform eine gleichmäßige Verteilung einer eingeleiteten Kraft in eine umgebende Struktur bewirken. Alternativ können die Verteilungselemente auch eine andere Form, wie bspw. eine Schiffchenform bzw. eine längliche gebogene Form aufweisen.Truncated cone-shaped distribution elements are particularly suitable for producing a non-positive connection between different bipolar plates, since they have a flat contact surface for contacting a respective other bipolar plate and, due to their conical shape, cause an even distribution of an introduced force in a surrounding structure. Alternatively, the distribution elements can also have a different shape, such as a boat shape or an elongated, curved shape.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte im Gleichstromprinzip ausgestaltet ist, wobei der erste inaktive Bereich Versorgungskanäle zum Zuführen von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich und der zweite inaktive Bereich Versorgungskanäle zum Abführen von Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich umfasst oder dass die Bipolarplatte im Gegenstromprinzip ausgestaltet ist, wobei der erste inaktive Bereich und der zweite inaktive Bereich jeweils Versorgungskanäle zum Zuführen und Abführen ausgewählter Betriebsmedien umfassen.Provision can also be made for the bipolar plate to be designed according to the direct current principle, with the first inactive area comprising supply channels for supplying operating media to the active area and the second inactive area comprising supply channels for removing operating media from the active area, or for the bipolar plate to be designed according to the countercurrent principle is, wherein the first inactive area and the second inactive area each comprise supply channels for supplying and removing selected operating media.

Im Gleichstromprinzip strömen sämtliche Betriebsmedien in dem ersten inaktiven Bereich in die Bipolarplatte ein und in gleicher Richtung durch den zweiten inaktiven Bereich aus der Bipolarplatte aus, wohingegen im Gegenstromprinzip ein erster Medienstrom in eine erste Richtung und ein zweiter Medienstrom in einer der ersten Richtung entgegengehetzten zweiten Richtung entsteht.In the cocurrent principle, all operating media in the first inactive area flow into the bipolar plate and out of the bipolar plate in the same direction through the second inactive area, whereas in the counterflow principle, a first media flow in a first direction and a second media flow in a second direction, rushed counter to the first direction arises.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Verteilungselemente dazu konfiguriert sind, in das Verteilfeld einströmende Betriebsmedien auf einen gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs zu verteilen.Provision can furthermore be made for distribution elements to be configured to distribute operating media flowing into the distribution panel over an entire inlet area of the active area.

Um eine insbesondere gleichmäßige Verteilung von Betriebsmedien auf den gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs der vorgestellten Bipolarplatte zu verteilen, können die Verteilungselemente bspw. versetzt zueinander angeordnet sein, sodass eine sukzessive Aufteilung eines aus einem Versorgungskanal austretenden Volumenstroms erfolgt, der sich zwischen den Verteilungselementen verteilt und entsprechend durch das gesamte Verteilerfeld geleitet wird.In order to distribute operating media particularly evenly over the entire inlet area of the active area of the proposed bipolar plate, the distribution elements can be arranged offset from one another, for example, so that a volume flow emerging from a supply channel is successively divided up, which is distributed between the distribution elements and accordingly through the entire patch panel.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilungselemente einen Durchmesser zwischen 2 mm und 3 mm haben und in einem Abstand zwischen 3 mm und 8 mm zueinander angeordnet sind.Provision can furthermore be made for the distribution elements to have a diameter of between 2 mm and 3 mm and to be arranged at a distance of between 3 mm and 8 mm from one another.

Verteilungselemente mit einem Durchmesser zwischen 2 mm und 3 mm sind stabil und zur Aufnahme von mechanischen Kräften gut geeignet. Ein Abstand zwischen 3 mm und 8 mm der Verteilungselemente zueinander hat sich in Experimenten als besonders wirkungsvoll zur Verteilung von Betriebsmedien in dem Verteilerfeld bei einer Beibehaltung eines Mindestdrucks bzw. bei einem minimalen Druckverlust erwiesen.Distribution elements with a diameter between 2 mm and 3 mm are stable and well suited to absorbing mechanical forces. A distance of between 3 mm and 8 mm between the distribution elements has proven in experiments to be particularly effective for distributing operating media in the distribution panel while maintaining a minimum pressure or with a minimum pressure loss.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilungselemente in einem jeweiligen Verteilerfeld in höchstens 6 parallel zu einem Einlassbereich des aktiven Bereichs verlaufenden Anreihungen angeordnet sind.Provision can furthermore be made for the distribution elements to be arranged in a respective distributor field in at most 6 rows running parallel to an inlet area of the active area.

Durch einige wenige Reihen an Verteilungselementen, höchstens 6 Reihen, wird ein Druckverlust, eines Drucks mit dem ein Betriebsmedium in die Bipolarplatte einströmt, minimiert.A few rows of distribution elements, at most 6 rows, minimize a pressure loss, a pressure with which an operating medium flows into the bipolar plate.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte.According to a second aspect, the presented invention relates to a fuel cell system with at least one possible configuration of the presented bipolar plate.

Insbesondere durch eine Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl der vorgestellten Bipolarplatten kann ein stabiler, da besonders stark, gespannter Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden.In particular, a configuration of the presented fuel cell system with a multiplicity of the presented bipolar plates can provide a stable, since particularly strong, tensioned fuel cell stack.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte,
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte,
  • 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Erfindung.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a first possible embodiment of the presented bipolar plate,
  • 2 a schematic representation of a second possible embodiment of the presented bipolar plate,
  • 3 a schematic representation of a fuel cell system according to a possible embodiment of the invention presented.

In 1 ist eine Bipolarplatte 100 dargestellt. Die Bipolarplatte 100 umfasst einen ersten inaktiven Bereich 101, einen zweiten inaktiven Bereich 103 und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich 101 und dem zweiten inaktiven Bereich 103 angeordneten aktiven Bereich 105.In 1 a bipolar plate 100 is shown. The bipolar plate 100 includes a first inactive area 101, a second inactive area 103, and one intermediate to the first inactive area 101 and the second inactive area 103 arranged active area 105.

Die Bipolarplatte 100 ist im Gegenstromprinzip ausgestaltet. Entsprechend umfasst der erste inaktive Bereich 101 Luftzufuhrkanäle 107, Reaktionsproduktabfuhrkanäle 109 und einen Kühlmittelzufuhrkanal 111.The bipolar plate 100 is designed according to the countercurrent principle. Correspondingly, the first inactive area 101 comprises air supply channels 107, reaction product discharge channels 109 and a coolant supply channel 111.

Durch die Luftzufuhrkanäle 107 strömende Luft strömt über ein erstes Verteilerfeld 113 mit Verteilungselementen 115 zu dem aktiven Bereich 105, durch den aktiven Bereich 105 und aus Luftabfuhrkanälen 117 des zweiten inaktiven Bereichs 103 wieder aus der Bipolarplatte 100, wie durch Pfeile 119 angedeutet.Air flowing through the air supply channels 107 flows via a first distribution field 113 with distribution elements 115 to the active area 105, through the active area 105 and out of the air discharge channels 117 of the second inactive area 103 out of the bipolar plate 100 again, as indicated by arrows 119.

Frischer Wasserstoff strömt durch Wasserstoffzufuhrkanäle 121 des zweiten inaktiven Bereichs 103 über ein zweites Verteilerfeld 123 mit Verteilungselementen 115 in den aktiven Bereich 105, durch den aktiven Bereich 105 und aus den Reaktionsproduktabfuhrkanälen 109 wieder aus der Bipolarplatte 100, wie durch Pfeile 125 angedeutet.Fresh hydrogen flows through hydrogen supply channels 121 of the second inactive area 103 via a second distributor field 123 with distribution elements 115 into the active area 105, through the active area 105 and out of the reaction product discharge channels 109 out of the bipolar plate 100 again, as indicated by arrows 125.

Kühlmittel strömt durch den Kühlmittelzufuhrkanal 111 in das erste Verteilerfeld 113, durch den aktiven Bereich 105 und über einen Kühlmittelabfuhrkanal 127 wieder aus der Bipolarplatte 100, wie durch Pfeile 129 angedeutet. Dabei bewirkt die Verjüngung des Kühlmittelzufuhrkanals 111 in Richtung des aktiven Bereichs 105 eine besonders große Brandungsfläche mit einer großen Uferlänge.Coolant flows through the coolant supply channel 111 into the first distributor field 113, through the active area 105 and via a coolant discharge channel 127 out of the bipolar plate 100 again, as indicated by arrows 129. The narrowing of the coolant supply channel 111 in the direction of the active area 105 results in a particularly large surface area with a large bank length.

Vorliegend ist eine Grundfläche des Kühlmittelzufuhrkanals 111 kleiner als eine Grundfläche des Kühlmittelabfuhrkanals 127, sodass ein Rückstau von abzuführendem Kühlmittel zuverlässig vermieden wird.In the present case, a base area of the coolant supply channel 111 is smaller than a base area of the coolant discharge channel 127, so that a backup of coolant to be discharged is reliably avoided.

Die Verteilungselemente 115 sind hier beispielhaft kegelstumpfförmig ausgestaltet, sodass ein besonders guter Kraftfluss zu einer über bzw. unter der Bipolarplatte 100 angeordneten Bipolarplatte entsteht, wenn die Bipolarplatte 100 in einem Brennstoffzellenstapel eingespannt wird.The distribution elements 115 are designed here, for example, in the shape of a truncated cone, so that a particularly good power flow to a bipolar plate arranged above or below the bipolar plate 100 occurs when the bipolar plate 100 is clamped in a fuel cell stack.

Die Verteilungselemente 115 sind bogenförmig angeordnet, wobei die Bögen in einem Winkel zu dem aktiven Bereich 105 verlaufen. Die bogenförmigen Verteilungselemente 115 bewirken insbesondere einen nicht-normalverteilten Strömungsverlauf von durch das erste Verteilerfeld 113 bzw. das zweite Verteilerfeld 123 strömenden Betriebsmedien.The distribution elements 115 are arranged in an arc, with the arcs running at an angle to the active region 105 . The curved distribution elements 115 bring about, in particular, a non-normally distributed flow profile of operating media flowing through the first distributor field 113 and the second distributor field 123 .

In 2 ist eine Bipolarplatte 200 dargestellt. Die Bipolarplatte 200 umfasst einen ersten inaktiven Bereich 101, einen zweiten inaktiven Bereich 103 und einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich 101 und dem zweiten inaktiven Bereich 103 angeordneten aktiven Bereich 105.In 2 a bipolar plate 200 is shown. The bipolar plate 200 comprises a first inactive area 101, a second inactive area 103 and an active area 105 arranged between the first inactive area 101 and the second inactive area 103.

Die Bipolarplatte 200 ist im Gleichstromprinzip ausgestaltet bzw. betrieben, wie durch Pfeile 201 die eine Luftströmung andeuten, Pfeile 203, die einen Kühlmittelstrom andeuten, und Pfeile 205, die einen Wasserstoffstrom andeuten, dargestellt. Entsprechend umfasst der erste inaktive Bereich 101 lediglich Zufuhrkanäle und der zweiten inaktive Bereich 103 lediglich Abfuhrkanäle. Die strukturellen Eigenschaften sind mit der Bipolarplatte 100 gemäß 1 identisch.The bipolar plate 200 is designed or operated in the cocurrent principle, as illustrated by arrows 201 indicating air flow, arrows 203 indicating coolant flow, and arrows 205 indicating hydrogen flow. Correspondingly, the first inactive area 101 only comprises supply channels and the second inactive area 103 only comprises discharge channels. The structural properties are consistent with the bipolar plate 100 1 identical.

In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 300 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 300 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 301 mit einer Vielzahl Brennstoffzellen, wie bspw. den Brennstoffzellen 100 gemäß 1.In 3 a fuel cell system 300 is shown. The fuel cell system 300 includes a fuel cell stack 301 having a plurality of fuel cells, such as the fuel cells 100 according to FIG 1 .

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Claims (10)

Bipolarplatte (100, 200) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (100, 200) umfasst: - einen ersten inaktiven Bereich (101), - einen zweiten inaktiven Bereich (103), - einen zwischen dem ersten inaktiven Bereich (101) und dem zweiten inaktiven Bereich (103) angeordneten aktiven Bereich (105), wobei der erste inaktive Bereich (101) und der zweite inaktive Bereich (103) Versorgungkanäle zum Transport von Betriebsmedien für einen Betrieb der Bipolarplatte (100, 200) umfassen, wobei zumindest der erste inaktive Bereich (101) ein Verteilerfeld (113) umfasst, das dazu konfiguriert ist, durch die Versorgungskanäle des ersten inaktiven Bereichs (101) strömende Betriebsmedien in den aktiven Bereich (105) zu leiten, wobei der erste inaktive Bereich (101) und der zweite inaktive Bereich (103) jeweils spiegelsymmetrisch zu einer von dem ersten inaktiven Bereich (101) zu dem zweiten inaktiven Bereich (103) verlaufenden Symmetrieachse der Bipolarplatte (100, 200) sind, wobei das Verteilerfeld eine Anzahl Verteilungselemente (115) umfasst, wobei jeweilige Verteilungselemente (115) der Anzahl Verteilungselemente (115) in einer Vielzahl Reihen angeordnet sind, und wobei zumindest ein Teil der Reihen der Vielzahl Reihen bogenförmig verläuft.Bipolar plate (100, 200) for a fuel cell, wherein the bipolar plate (100, 200) comprises: - a first inactive area (101), - a second inactive area (103), - an active area (105) arranged between the first inactive area (101) and the second inactive area (103), wherein the first inactive area (101) and the second inactive area (103) comprise supply channels for transporting operating media for operating the bipolar plate (100, 200), wherein at least the first inactive area (101) comprises a distribution panel (113) which is configured to conduct operating media flowing through the supply channels of the first inactive area (101) into the active area (105), wherein the first inactive area (101) and the second inactive area (103) are each mirror-symmetrical to an axis of symmetry of the bipolar plate (100, 200) running from the first inactive area (101) to the second inactive area (103), wherein the patch panel comprises a plurality of distribution elements (115), respective distribution elements (115) of the plurality of distribution elements (115) being arranged in a plurality of rows, and wherein at least a portion of the rows of the plurality of rows are arcuate. Bipolarplatte (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste inaktive Bereich (101) einen Kühlmittelversorgungskanal umfasst, der sich mittig entlang der Symmetrieachse in Richtung des aktiven Bereichs (105) erstreckt, wobei der Kühlmittelversorgungskanal sich zunehmend in Richtung des aktiven Bereichs (105) verjüngt.Bipolar plate (100, 200) after claim 1 , characterized in that at least the first inactive area (101) comprises a coolant supply channel which extends centrally along the axis of symmetry in the direction of the active area (105), the coolant supply channel increasingly tapering in the direction of the active area (105). Bipolarplatte (100, 200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Reihe von Verteilungselementen (115) in Richtung des Kühlmittelversorgungskanals oder des aktiven Bereichs (105) gebogen verläuft.Bipolar plate (100, 200) after claim 2 , characterized in that at least one row of distribution elements (115) runs curved in the direction of the coolant supply channel or the active area (105). Bipolarplatte (100, 200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungselemente (115) kegelstumpfförmig sind und einen Kegelwinkel zwischen 30° und 60° aufweisen.Bipolar plate (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution elements (115) are frustoconical and have a cone angle of between 30° and 60°. Bipolarplatte (100, 200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (200) im Gleichstromprinzip ausgestaltet ist, wobei der erste inaktive Bereich (101) Versorgungskanäle zum Zuführen von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich (105) und der zweite inaktive Bereich (103) Versorgungskanäle zum Abführen von Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich (105) umfasst oder dass die Bipolarplatte (100) im Gegenstromprinzip ausgestaltet ist, wobei der erste inaktive Bereich (101) und der zweite inaktive Bereich (103) jeweils Versorgungskanäle zum Zuführen und Abführen ausgewählter Betriebsmedien umfassen.Bipolar plate (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate (200) is designed according to the direct current principle, the first inactive area (101) supply channels for supplying operating media to the active area (105) and the second inactive Area (103) comprises supply channels for removing operating media from the active area (105), or that the bipolar plate (100) is designed according to the countercurrent principle, with the first inactive area (101) and the second inactive area (103) each having supply channels for supplying and Include discharge of selected operating media. Bipolarplatte (100, 200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungselemente (115) dazu konfiguriert sind, in das Verteilfeld (113) einströmende Betriebsmedien auf einen gesamten Einlassbereich des aktiven Bereichs (105) zu verteilen.Bipolar plate (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution elements (115) are configured to distribute operating media flowing into the distribution field (113) over an entire inlet area of the active area (105). Bipolarplatte (100, 200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungselemente (115) einen Durchmesser zwischen 2 mm und 3 mm haben und in einem Abstand zwischen 3 mm und 8 mm zueinander angeordnet sind.Bipolar plate (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution elements (115) have a diameter of between 2 mm and 3 mm and are arranged at a distance of between 3 mm and 8 mm from one another. Bipolarplatte (100, 200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungselemente (115) in einem jeweiligen Verteilerfeld (113) in höchstens 6 parallel zu einem Einlassbereich des aktiven Bereichs (105) verlaufenden Anreihungen angeordnet sind.Bipolar plate (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution elements (115) are arranged in a respective distributor field (113) in at most 6 rows running parallel to an inlet area of the active area (105). Bipolarplatte (100, 200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste inaktive Bereich (101) und der zweite inaktive Bereich (103) jeweils u-förmig und symmetrisch zu der Symmetrieachse der Bipolarplatte (100, 200) angeordnete Versorgungskanäle aufweist.Bipolar plate (100, 200) according to one of the preceding claims, characterized in that the first inactive area (101) and the second inactive area (103) each have U-shaped supply channels arranged symmetrically to the axis of symmetry of the bipolar plate (100, 200). . Brennstoffzellensystem (300) mit mindestens einer Bipolarplatte (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Fuel cell system (300) with at least one bipolar plate (100, 200) according to one of Claims 1 until 9 .
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