DE10253002A1

DE10253002A1 - Flowfield mit verbesserter Stoffübertragung

Info

Publication number: DE10253002A1
Application number: DE10253002A
Authority: DE
Inventors: Cosmas Dipl.-Ing. Heller; Markus Dipl.-Ing. Schudy
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, die zur Kontaktierung von Membran-Elektroden-Anordnungen geeignet ist, umfassend mindestens ein Flowfield zur Gasverteilung eines durch das Flowfield strömenden Fluids, wobei das Flowfield kanalfreie Bereiche aufweist und Bereiche mit Kanälen, wobei in den Bereichen mit Kanälen die Gasströmung entlang der Kanalinnenwände, die Strömungsleitkonstruktionen aufweisen können, geführt ist und in den kanalfreien Bereichen das Flowfield eine offene Strömungsverteilungsstruktur aufweist, bei der die Gasströmung nicht entlang von Kanalinnenwänden geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, die zur Kontaktierung von Membran-Elektroden-Anordnungen geeignet ist, umfassend mindestens ein Flowfield zur Gasverteilung eines durch das Flowfield strömenden Fluids mit verbesserter Stoffübertragung.

Bipolarplatten kommen üblicherweise in Brennstoffzellen insbesondere in Brennstoffzellenstapeln, sogenannten Stacks, zur mobilen Energieversorgung zum Einsatz.

Üblicherweise kommen verschiedene Bipolarplatten insbesondere in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, kurz PEM-BZ vor. Eine PEM-BZ, genauer die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) muss, um eine hohe Leistungsausbeute zu erzielen, über eine Gasdiffusionsschicht (GDL) in Verbindung mit einer Bipolarplatte gleichmäßig mit Reaktionsgasen versorgt werden. Hierzu sind in die Bipolarplatte(n) Gasverteilungsstrukturen eingearbeitet. Die daraus resultierende Gasverteilungsstruktur wird allgemein Flowfield genannt. Zur optimalen Leistungsausbeute muss die MEA nicht nur gleichmäßig mit Reaktionsgasen versorgt werden, sondern zusätzlich muss gewährleistet sein, dass die MEA optimal befeuchtet ist. Ist die MEA nur teilweise befeuchtet, komplett unbefeuchtet oder zu feucht, wird der Wirkungsgrad herabgesetzt bzw. kann dies zu einem Funktionsausfall der MEA führen. Die Zu- und Abfuhr von Reaktionsgasen beziehungsweise Reaktionsprodukten ist deshalb für die Funktion der Brennstoffzelle von besonderer Bedeutung.

Aus der Patentschrift DE 198 35 759 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der in den Brennstoffkammern Hindernisse im Strö mungsfeld vorgesehen sind, die eine Verwirbelung der einströmenden Gase bzw. Flüssigkeiten bewirken. Damit wird eine bessere Übertrittswahrscheinlichkeit der Reaktanden in die jeweiligen Elektroden bewirkt, so dass schon bei einem geringen Druck in den Brennstoffkammern eine erhöhte Leistung der Brennstoffzelle durch einen verbesserten Stoffaustausch in den Elektroden erzielt wird. Diese Lösung stellt ein Flowfield mit einer Gasverteilungsstruktur dar, mit einer überwiegend als paralleles Flowfield ausgelegten Struktur. Diese Struktur weist keine Kombination von offenen und geführten Flowfieldbereichen auf und auch kein geführtes Flowfield mittels Kanäle, die Gasverteilungsstrukturen an den Kanalinnenwänden aufweisen. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass aufgrund der parallelen Gasverteilungsstruktur ein größerer Port zur Versorgung des Flowfields benötigt wird, was wiederum zu einer insgesamt größeren Baueinheit führt. Zudem ist die Entfernung der Reaktionsprodukte, insbesondere der Austrag von flüssigem Wasser aufgrund der großen Anzahl an Strömungswegen und nachteiligen Strömungseinflüssen durch Querschnittserweiterungen bzw. -verengungen vergleichsweise schlecht.

Aus der Patentschrift WO 02/23653 A2 ist eine Brennstoffzellenanlage mit verbesserter Ausnutzung des Reaktionsgases im Prozessgas bekannt, enthaltend einen Brennstoffzellenstapel, durch den das Prozessgas strömt, wobei der Stoffübergangskoeffizient β im Übergangsstrom quer zur Strömungsrichtung des Prozessgases variabel ist. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Ausnutzung des Reaktionsgases zwar verbessert ist, die Abfuhr der Reaktionsprodukte dahingehend unberücksichtigt bleibt. Zudem ist keine Kombination von offenen und geführten Gasverteilungsstrukturen vorhanden und auch kein geführtes Flowfield mittels Kanäle, die Gasverteilungsstrukturen an den Kanalinnenwänden aufweisen, beschrieben.

Aus der Patentschrift EP 0 543 647 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle von Turbulenzen in einem Flowfield bekannt. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass im Wesentlichen nur Turbulenzen im Randbereich der Strömung erzeugt werden. Der Randbereich der Strömung ist der Bereich, in dem die Strömung die Kanalinnenwände kontaktiert und dessen unmittelbar nächste Umgebung. Der Kernbereich der Strömung, d.h. der Bereich in dem gemäß EP 0 543 647 A1 keine kontrollierten Turbulenzen durch Vorrichtungen erzeugt werden, wird nicht verändert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte zu schaffen, die sowohl kleinbauend als auch hinsichtlich des Stoffaustausches in Richtung zur Membran-Elektroden-Anordnung und von der Membran-Elektroden-Anordnung in Richtung Bipolarplatte gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Gegenstand betrifft eine Bipolarplatte die zur Kontaktierung von Membran-Elektroden-Anordnungen geeignet ist, umfassend mindestens ein Flowfield zur Gasverteilung eines durch das Flowfield strömenden Fluids, wobei das Flowfield Bereiche mit Kanälen und kanalfreie Bereiche aufweist, wobei in den Bereichen mit Kanälen die Gasströmung entlang der Kanalinnenwände geführt ist und in den kanalfreien Bereichen das Flowfield eine offene Strömungsverteilungsstruktur aufweist, bei der die Gasströmung nicht entlang von Kanalinnenwänden geführt ist.

Unter einem Kanal wird eine geführte Bahn verstanden, entlang der ein Fluid fließen kann, was auch als Strömungsbahn bezeichnet wird. Die Führung des Fluids wird dabei durch Begrenzungen, wie Kanalinnenwände, erreicht. Dabei kann das Fluid komplett von Kanalinnenwänden umgeben sein. Die Kanalinnenwände sind bei einem Kanal ununterbrochen und stellen damit eine ununterbrochene Systemgrenze für das Fluid dar. Durch die Kanalinnenwände ist dem durchströmenden Fluid eine Hauptströmungsrichtung vorgegeben. Bei einer laminaren Strömung findet ein Stofftransport im Wesentlichen entlang dieser Hauptströmungsrichtung statt. Viele Kanäle zusammen bilden eine Kanalstruktur oder auch eine Verteilungsstruktur, da die Kanäle die Aufgabe haben, eine durch die Kanäle strömendes Fluid zu verteilen. Diese Verteilungsstruktur basierend auf Kanälen wird im Sinne dieser Erfindung als geführte Verteilungsstruktur bezeichnet.

Neben einer geführten Verteilungsstruktur gibt es offene Verteilungsstrukturen oder kanalfreie Verteilungsstrukturen. Diese Struktur weist keine ununterbrochenen Kanalinnenwände auf. Vielmehr sind die Systemgrenzen offen, das heißt, es gibt nicht nur eine einzige Hauptströmungsrichtung, wie in der geführten Kanalstruktur, sondern mehrere Strömungsrichtungen. Vorzugsweise ist eine solche Verteilungsstruktur durch vereinzelte Noppen, Stegdurchbrüche, Erhebungen oder andere voneinander beabstandete Materialanhäufungen gekennzeichnet.

Allgemein bezeichnet man eine Verteilungsstruktur auch als Flowfield.

Vorzugsweise weist das Flowfield Strömungsleitkonstruktionen auf, die eine Strömungsrichtungsänderung zumindest eines Teils des Gashauptstroms von der Gashauptströmungsrichtung bewirken.

Strömungsleitkonstruktionen sind Einrichtungen in einem Flowfield, die an einem strömenden Fluid eine Richtungsänderung bewirken. Dabei kann insgesamt die durchströmte Querschnittsfläche des Kanals durch Einbringung von Strömungsleitkonstruktionen verjüngt werden oder durch Strömungsleitkonstruktionen, die als Rusnehmungen ausgebildet sind, erweitert werden. In einem geführten Flowfield stellen beispielsweise die im Wesentlichen glatten Kanalinnenwände keine Strömungsleitkonstruktion dar, da sie Bestandteil des Kanals sind und keine zusätzlichen Einrichtungen darstellen, die eine Richtungsänderung des Fluidhauptstroms bewirken. Durch Strömungsleitkonstruktionen wird eine Strömung entlang ihres Weges z.B. Querschnittsänderungen ausgesetzt, und damit Änderungen des lokalen dynamischen und statischen Drucks, oder die Strömung wird beispielsweise um Kanten oder kleine Rundungen geführt. Bevorzugt bewirken beide Effekte Verwirbelungen bzw. Drallströmungen des Reaktionsgases in den Kanälen von Flowfields mit geführten Verteilungsstrukturen. Dies wiederum bewirkt einen verbesserten Stofftransport in Richtung der Reaktionsfläche der MEA, insbesondere auch der durch Stege abgedeckten MEA-Flächen. Durch den verbesserten Stofftransport ist es ferner möglich, die Stöchiometrie, d.h. die Konzentration des Sauerstoffs bzw. des Wasserstoffs im entsprechenden Reaktionsgas zu verringern, was insbesondere für die Kathodenseite (sauerstoffhaltiges Reaktionsgas, vorzugsweise Luft) von Vorteil ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Strömungsleitkonstruktionen in den Kanälen angeordnet, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn diese Strömungsleitkonstruktionen an den Kanalinnenwänden angeordnet sind. Die Strömungsleitkonstruktionen werden vorzugsweise durch Strukturierung der im Wesentlichen glatten Kanalinnenwände hergestellt.

Die Kanalstruktur des geführten Flowfields mit Strömungsleitkonstruktionen kann parallel oder bevorzugt in Mäanderform (Serpentinen) auf der Flowfieldfläche angeordnet sein.

Eine Strömung in einem geführten Flowfield weist im Wesentlichen eine Hauptströmungsrichtung auf. Die Strömungsleitkonstruktionen können bei dem im Wesentlichen parallel zu den Kanalinnenwänden fließendem Fluid einen Drall oder Wirbel bewirken. Der Wirbel kann dabei im Wesentlichen zweidimensional ausgebildet sein, dass heißt in einer Ebene liegen oder aber durch Superposition verschiedener Wirbelebenen dreidimensional ausgebildet sein.

Neben der Richtung des strömenden Fluids können durch die Strömungsleitkonstruktionen auch die Geschwindigkeit des Fluids be einflusst werden. So kann durch geeignete Strömungsleitkonstruktion ein Fluid oder ein Teil des Fluids beschleunigt oder gebremst werden, so dass verschiedene Teilströme mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entstehen.

Bevorzugt ist deshalb, dass die Strömungsleitkonstruktionen zur Veränderung der Geschwindigkeit der Gashauptströmung entweder eine Erhöhung oder eine Senkung der Geschwindigkeit bewirken, wobei die Strömungsleitkonstruktionen zur Veränderung der Geschwindigkeit in dem Bereich der Strömungsleitkonstruktion eine Veränderung der Geschwindigkeit der gesamtes Gashauptströmung oder nur eines Teils der Gashauptströmung bewirken.

Natürlich können die Strömungsleitkonstruktionen auch so ausgebildet sein, dass Teilströme mit unterschiedlichen Richtungen und/oder mit verschiedenen Geschwindigkeiten entstehen. Diese lokal unterschiedlichen Zustände ermöglichen die lokale Anpassung des Stofftransports über der Flowfieldfläche.

Vorteilhaft ist es, dass die Strömungsleitkonstruktionen die Geschwindigkeit der Gashauptströmung an den Kanalseitenwänden verstärken und beispielsweise die Reaktionsgaszufuhr unter die Stege verbessern.

Unter einer Verstärkung der Geschwindigkeit ist eine Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit über den Kanalquerschnitt zu verstehen. Insbesondere an den Wandbereichen ist die Geschwindigkeit relativ gering. Da die Stoffübertragung insbesondere über die Systemgrenzen verbessert werden soll, ist die Verstärkung der Geschwindigkeit in dem Bereich der Systemgrenzen oder der Kanalinnenwände von Vorteil.

Vorzugsweise sind die Strömungsleitkonstruktionen in dem Flowfield als Rusnehmungen, Prägungen und/oder Erhebungen oder Vertiefungen, besonders bevorzugt als Erhebungen ausgebildet.

Es sind aber auch andere Strömungsleitkonstruktionen wie Schaufeln, Rippen, Drosselblenden, Düsen etc. denkbar.

Die Vertiefung sind bevorzugt durch Umformen, hydrostatisches Umformen und/oder Prägen herstellbar, besonders bevorzugt, bei gleichzeitiger Strukturierung des Flowfields und der Strömungsleitkonstruktionen, in Prägeprozessen. Ein Prägeprozess ist ein vergleichsweise einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren.

Weiter bevorzugt ist, dass die Strömungsleitkonstruktionen eine Erhöhung der Geschwindigkeit und eine Änderung der Gashauptströmung bewirken oder dass die Strömungsleitkonstruktionen eine Senkung der Geschwindigkeit und eine Änderung der Gashauptströmung bewirken.

Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme ist, dass die Bipolarplatte eine Schichtstruktur aufweist, gebildet aus wenigstens zwei Teilplatten. Bevorzugt umfasst eine Bipolarplatte drei, vier oder mehr Teilplatten, wobei besonders bevorzugt eine Bipolarplatte zwei Teilplatten umfasst, um eine möglichst kleine Bipolarplatte zu schaffen, die eine hohe Leistungsdichte aufweist.

Dadurch dass die Bipolarplatte eine Schichtstruktur aus mehreren Teilplatten aufweist, lassen sich auf einfache weise Flowfields im Inneren der Bipolarplatte herstellen und auch verschiedene Flowfields miteinander kombinieren.

Eine Bipolarplatte besteht in ihrer einfachsten Form aus einer einzelnen Platte, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten eine Flowfield aufweist.

Vorzugsweise weist eine Bipolarplatte zwei Teilplatten auf, wobei jede Teilplatte auf zwei gegenüberliegenden Seiten ein Flowfield aufweist. Die Teilplatten werden dann zu einer Bipolarplatte zusammengefügt, wobei die beiden sich kontaktierenden Seiten der Teilplatten ein gemeinsames, im Inneren der Bipolar platte angeordnetes Flowfield, z.B. zur Verteilung eines Kühlmediums, ergeben.

Eine besondere Ausführungsform der Bipolarplatte ist, dass die Bipolarplatte aus wenigstens zwei hohlgeprägten Teilplatten besteht. So lässt sich auf einfache Weise eine kleinbauende Bipolarplatte herstellen. Bei dieser Ausführungsform wird durch die Strukturierung des Flowfields mit Strömungsleitkonstruktionen auf den Aussenseiten der hohlgeprägten Teilplatten auch die Strukturierung der Innenseiten des Flowfields mit den inversen Strömungsleitkonstruktionsstrukturen versehen. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeübertragung bei Nutzung der Innenseiten der Bipolarplatte als Flowfield zur Kühlung.

Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Bereiche mit Kanälen mit oder ohne Strömungsverteilungsstruktur und die kanalfreien Bereiche zueinander variabel angeordnet sind, vorzugsweise ein geordnetes Muster aufweisen, und besonders bevorzugt alternierend angeordnet sind.

Die Anordnung der kanalfreien Bereiche und der Bereich mit Kanälen mit oder ohne Strömungsverteilungsstruktur kann allgemein beliebig sein. Insbesondere können die Bereiche innerhalb einer begrenzenden Wand, welche das gesamte Flowfield begrenzt, angeordnet sein. Die begrenzende Wand ist dann nicht als Kanalinnenwand zu betrachten, sondern dient lediglich der Begrenzung der Bipolarplatte, ohne eine Führungsfunktion zu bewirken.

Auch ist es möglich, dass ein kanalfreier Bereich komplett in einem Bereich mit Kanälen angeordnet ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die eine Bipolarplatte mit den vorstehend genannten Vorteilen, wie z.B. ein verbesserter Stofftransport in Richtung zur Membran-Elektroden-Anordnung und von dieser in Richtung Bipolarplatte, umfasst und eine hohe Leistungsdichte aufweist.

Eine derartige Brennstoffzelle umfasst prinzipiell eine anodenseitige Bipolarplatte, eine diese Bipolarplatte kontaktierende Gasdiffusionsschicht (GDL), daran anschließend eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), an die eine GDL anschließt, welche eine kathodenseitige Bipolarplatte kontaktiert.

Die MEA weist ein Elektrolyt auf, der zwischen zwei Elektroden sandwichartig angeordnet ist und im Allgemeinen als Membran ausgebildet ist. Dabei ist eine erste Elektrode eine Anode und eine zweite Elektrode eine Kathode.

Durch Aneinanderreihung von mehreren Brennstoffzellen der vorstehend beschriebenen Art erhält man einen Brennstoffzellenstapel, einen sog. Stack.

Vorzugsweise besteht der Brennstoffzellenstapel aus mindestens zwei Brennstoffzellen der vorstehend beschrieben Art.

Die verbesserte Stoffübertragung durch die erfindungsgemäße Bipolarplatte ermöglicht ferner den Einsatz dünnerer Elektroden. Dadurch reduziert sich die Bauhöhe einer mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte und dünneren Elektroden ausgerüsteten Brennstoffzelle in vorteilhafter Weise, wodurch sich wiederum die Leistung einer solchen Brennstoffzelle bzw. die spezifische eines Brennstoffzellenstacks mit solchen Brennstoffzellen erhöht und Kosten eingespart werden können.

Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel findet beispielsweise Anwendung in allen Bereichen der mobilen Energieversorgung, bevorzugt in der Automobilbranche, der Elektrobranche, der Mobilfunkbranche, der Computerbranche, besonders bevorzugt in der Automobilbranche. Insbesondere findet ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel Anwendungen in Laptops, Palm-Computern, Handys, Kraftfahrzeugen, zur Bordstromversorgung (auxiliary power unit, APU) und/oder zum Antrieb, und ähnlichen mobilen Vorrichtungen.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind anhand der 1 bis 7 näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Explosionsdarstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellen und eines Brennstoffzellenstapels;
2 eine isometrische Ansicht eines geführten Flowfieldabschnitts;
3 eine Draufsicht auf 2 in Richtung A-A;
4 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines geführten Flowfieldabschnitts mit Strömungsleitkonstruktionen;
5 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines geführten Flowfieldabschnitts mit Strömungsleitkonstruktionen;
6 eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines geführten Flowfieldabschnitts mit Strömungsleitkonstruktionen;
7 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Bipolarplatte mit offenen und geführten Verteilerstrukturen.
1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzelle (PEM-BZ) 1 und deren Hintereinanderschaltung zu einem Brennstoffzellenstapel 2. Die PEM-BZ umfasst dabei eine erste Teilplatte 3a, eine zweite Teilplatte 3b, eine MEA 4 und eine dritte Teilplatte 3c. Die vorstehend aufgeführten Bestandteile sind der aufgeführten Reihenfolge sandwichartig zu einer PEM-BZ 1 angeordnet. Durch die erste Teilplatte 3a fließt ein Kühlmedium zur Kühlung der PEM-BZ 1, die zweite und dritte Teilplatte 3b, 3c versorgen die MEA 4 mit einem Reaktionsgas. Die erste Teilplatte 3a wird deshalb auch als Kühlplatte, die zweite und die dritte Teilplatte auch als Gasverteilerplatte bezeichnet. Im Stack 2 sind die drei Teilplatten benachbart angeordnet, wobei die Kühlplatte 3a zwischen den Gasverteilerplatten 3a und 3c angeordnet ist. Diese drei Teilplatten bilden zusammen eine Bipolarplatte. Jede Teilplatte weist in diesem Beispiel einen inneren Bereich auf, die sogenannte aktive Fläche, in der bzw. auf der ein Flowfield angeordnet ist.
Spannt man mehrere dieser PEM-BZ 1 mittels einer Verspannungseinrichtung 6 sandwichartig hintereinander, so erhält man einen Brennstoffzellenstapel 2, auch Stack genannt.
In 2 ist ein Bereich einer Teilplatte 3, genauer ein Abschnitt eines Flowfields 5 dargestellt, der eine geführte Struktur aufweist. Ein Reaktionsgas fließt in den zwischen den Stegen 7 ausgebildeten Kanälen 8, geführt durch das Flowfield. Das in 7 teilweise geöffnete Flowfield beziehungsweise der Flowfieldabschnitt wird durch das Verspannen mit anderen PEM-Brennstoffzellen von einer angrenzenden Teilplatte abgedeckt, so dass ein komplett geschlossener Flowfieldabschnitt entsteht. Somit ist das durch den geführten Kanal strömende Reaktionsgas in alle Richtungen bis auf die verbleibende Hauptströmungsrichtung geführt.
3 zeigt die Draufsicht auf 2 in Richtung A-A. Hier sind die parallel geführten Kanalstrukturen zu erkennen. Die beiden äußeren Bereiche und der mittlere Bereich stellen jeweils die Stege 7 dar, die beiden anderen Bereiche die beiden Kanäle 8.
4 zeigt die Draufsicht auf eine erste Ausführung eines Abschnitts eines Flowfields mit Stegen 7, Kanälen 8 und in den Kanälen angeordnete Strömungsleitkonstruktionen 9. Zusätzlich ist die Strömungsrichtung des durch den Abschnitt des Flowfields fließenden Reaktionsgases durch zwei Pfeile, die ein v umgeben, gekennzeichnet. Die Strömungsleitkonstruktionen 9 leitend den gesamten Reaktionsgasstrom in einem Winkel gegen den in Strömungsrichtung rechts befindlichen Steg 7. Dieser Winkel, auch Ablenkungswinkel genannt, lässt sich über die Strömungsleitkonstruktionen 9 beliebig einstellen. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ablenkungswinkel von ca. 60° ausgebildet.
5 zeigt die Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Abschnitts eines Flowfields mit Stegen 7, Kanälen 8 und in den Kanälen angeordnete Strömungsleitkonstruktionen 9. Die Strömungsrichtung des durch den Abschnitt des Flowfields fließenden Reaktionsgases ist durch zwei Pfeile, die ein v umgeben, gekennzeichnet. Die Strömungsleitkostruktionen 9 sind V-förmig in dem Kanal 8 angeordnet und zwar so, dass sie die gesamte Kanalbreite einnehmen und den Reaktionsgasstrom innerhalb des Kanals 8 in zwei Teilströme leiten, die sich in Strömungsrichtung nach links beziehungsweise nach rechts in einen Winkel auf die angrenzenden Stege 7 richten. Dieser (Ablenkungs-) Winkel, lässt sich analog zu den Strömungsleitkonstruktionen in 5 über die Strömungsleitkonstruktionen 9 beliebig einstellen. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ablenkungswinkel von ca. 30° ausgebildet. Die Strömungsleitkonstruktionen sind in allen parallelen gleich ausgerichtet, d.h. in allen Kanälen zeigen die V-förmigen Strömungsleitkonstruktionen in die gleiche Richtung.
6 zeigt die Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Abschnitts eines Flowfields mit Stegen 7, Kanälen 8 und in den Kanälen angeordnete Strömungsleitkonstruktionen 9. Die Strömungsrichtung des durch den Abschnitt des Flowfields fließenden Reaktionsgases ist durch zwei Pfeile, die ein v umgeben, gekennzeichnet. Die Strömungsleitkonstruktionen 9 sind als Schrägen ausgebildet, die den Hauptreaktionsgasstrom in drei Teilströme teilen. Ein mittlerer Teilstrom fließt unbeeinflusst von den Strömungsleitkonstruktionen in Strömungshauptrichtung weiter. Die beiden Randteilströme werden jeweils durch seitliche Schrägen unter einem Ablenkungswinkel in Richtung der Stege geleitet. Der Ablenkungswinkel lässt sich beliebig einstellen und ist hier mit 45° ausgebildet. Die Schrägen in den seitlichen Bereichen des Kanals sind so ausgebildet, dass sie bei einer gedachten Verlängerung V-förmig zusammenlaufen. Der Bereich, der die gedachte Verlängerung der Schrägen darstellt bietet Platz für den Transport von flüssigem Wasser und für Fügestellen.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10. Die Bipolarplatte weist neben Eingangs- oder Ausgangsports für die Reaktionsgase 13a und 13b auch Eingangs- oder Ausgangsports für ein Kühlmedium auf. Ferner weist diese Bipolarplatte mehrere Bereiche mit geführter Verteilerstruktur, d.h. mit Kanälen, 12 und mehrere Bereiche mit offener Verteilerstruktur, d.h. mit kanalfreien Bereichen, 11 auf. Die jeweiligen Bereiche mit Kanälen und kanalfreien Bereiche sind alternierend auf der Bipolarplatte angeordnet. Diese Ausführungsform kombiniert mehrere Vorteile miteinander. Die serpentinenartigen Kanalstrukturen bewirken beispielsweise, im Vergleich zu rein parallelen und offenen Verteilerstrukturen, eine gute Strömungsverteilung der Reaktionsgase, wodurch z.B. kleinere Ports möglich sind, reduzierte Toleranzanforderungen durch z.B. erhöhte Kanaltiefen und höhere Geschwindigkeiten der Reaktionsgase in den Kanälen bei gleichem Druckverlust.

1: PEM-Brennstoffzelle (PEM-BZ)
2: Brennstoffzellenstapel (Stack)
3: Teilplatte oder Teilplatte
3a: Erste Teilplatte (Kühlplatte)
3b: Zweite Teilplatte (Gasverteilerplatte)
3c: Dritte Teilplatte (Gasverteilerplatte)
4: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
5: Flowfield
6: Verspannungseinrichtung
7: Steg
8: Kanal
9: Strömungsleitkonstruktion
10: Bipolarplatte
11: offene Verteilerstruktur
12: geführte Verteilerstruktur
13a: Eingangs- oder Ausgangsport für ein erstes Reaktions
: gas
13b: Eingangs- oder Ausgangsport für ein zweites Reakti
: onsgas
13c: Eingangs- oder Ausgangsport für ein Kühlmedium

Claims

Bipolarplatte die zur Kontaktierung von Membran-Elektroden-Anordnungen geeignet ist, umfassend mindestens ein Flowfield zur Gasverteilung eines durch das Flowfield strömenden Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass das Flowfield Bereiche mit Kanälen und kanalfreie Bereiche aufweist, wobei in den Bereichen mit Kanälen die Gasströmung entlang der Kanalinnenwände geführt ist und in den kanalfreien Bereichen das Flowfield eine offene Strömungsverteilungsstruktur aufweist, bei der die Gasströmung nicht entlang von Kanalinnenwänden geführt ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flowfield Strömungsleitkonstruktionen aufweist, die eine Strömungsrichtungsänderung zumindest eines Teils des Gashauptstroms von der Gashauptströmungsrichtung bewirken.
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkonstruktionen eine Veränderung der Geschwindigkeit zumindest eines Teils der Gashauptströmung bewirken.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkonstruktionen zur Veränderung der Geschwindigkeit der Gashauptströmung entweder eine Erhö hung oder eine Senkung der Geschwindigkeit zumindest eines Teils der Gashauptströmung bewirken.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkonstruktionen die Geschwindigkeit der Gashauptströmung an den Kanalinnenwänden erhöhen.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkonstruktionen eine Erhöhung der Geschwindigkeit und eine Änderung der Gashauptströmung bewirken oder dass die Strömungsleitkonstruktionen eine Senkung der Geschwindigkeit und eine Änderung der Gashauptströmung bewirken.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte eine Schichtstruktur aufweist, gebildet aus wenigstens zwei Teilplatten.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte aus zwei hohlgeprägten Teilplatten besteht.
Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte mindestens zwei Bereiche mit Kanälen, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens fünf Bereiche mit Kanälen sowie mindestens zwei kanalfreie Bereiche bevorzugt mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens fünf kanalfreie Bereiche aufweist, wobei die jeweiligen Bereiche mit Kanälen und kanalfreien Bereiche vorzugsweise statistisch oder alternierend auf der Bipolarplatte angeordnet sind.
Brennstoffzelle umfassend eine Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei Brennstoffzellen nach Anspruch 10.