EP4070397A1 - Bipolarplatte - Google Patents

Bipolarplatte

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Publication number
EP4070397A1
EP4070397A1 EP21722397.3A EP21722397A EP4070397A1 EP 4070397 A1 EP4070397 A1 EP 4070397A1 EP 21722397 A EP21722397 A EP 21722397A EP 4070397 A1 EP4070397 A1 EP 4070397A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bypass channel
bipolar plate
profile
inlet port
flow
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
EP21722397.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Keitsch
Sebastian Voigt
Fabian Lippl
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
Publication of EP4070397A1 publication Critical patent/EP4070397A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate with at least one combination of an inlet port and a flow field having a plurality of channels for connecting the first inlet port to an outlet port for a first reactant, with at least one bypass channel being present at the edge of at least one of the flow fields, with the flow resistance in the bypass channel, dispensing with a blocking element projecting into the cross section of the bypass channel, is determined by the design of the bypass channel.
  • a fuel cell comprises a membrane-electrode arrangement formed from a proton-conducting membrane, on one side of which the anode and on the other side of which the cathode is formed.
  • a fuel cell device a plurality of fuel cells are usually combined linearly to form a fuel cell stack in order to enable a sufficiently large power output.
  • the electrodes of the fuel cells are supplied with reactant gases by means of bipolar plates, namely hydrogen in particular on the anode side and oxygen or an oxygen-containing gas, in particular air, on the cathode side.
  • reactant gases these are fed through a channel into the plate, which, using the channel or a plurality of channels, is intended to distribute the reactants in an active area in order to use a flow field to cover the entire surface of the electrodes as evenly as possible to supply. Due to the chemical reaction taking place over the entire surface of the active area the fresh reactant gases are used up more and more, so that the partial pressures of the reactant gases decrease from the inlet to the outlet, while the proportion of product gases increases.
  • a cooling medium is also passed through the bipolar plate, so that three different media have to be technically tightly separated in a very small space. For this reason, two metal formed parts are usually welded to form a bipolar plate, whereby due to the space required around the active flow field, an overlap area must be provided in which, due to the manufacturing and assembly tolerances, flea spaces are created through which reactant gases can flow past the flow field, what should be reduced by blocking elements for the leakage currents.
  • the cooling medium also flows through the bipolar plate, a compromise must be made between avoiding leakage currents for the reaction gases and the cooling medium when using the blocking elements.
  • an embossing is formed as a blocking element in a bypass channel of a first bipolar plate, which disrupts the direction of the flow of the reactant and causes turbulence and pressure increases that deflect the reactant from the bypass channel into a gas diffusion layer that separates the first Bipolar plate and a second bipolar plate is arranged.
  • WO 2003/041199 A2 describes a bipolar plate made of an electrically conductive plate, on one side of which a first flow field and on the other side of which a second flow field is formed, specifically in such a way that the shape of the first flow field and the second flow field is chosen so that they do not lie directly on top of each other.
  • US 2018/0342744 A1 discloses the structure of a fuel cell stack in which fuel cells are combined in several layers and arranged between end plates. Between each end plate and the adjacent fuel cell of the fuel cell stack, an intermediate plate is arranged, formed in the distribution structures for the introduction and discharge of the reaction gases are. A bypass channel is formed in the intermediate plate and runs winding from the inlet port to the outlet port in order to collect condensed water.
  • the object of the present invention is to provide a bipolar plate in which the flow through a reaction gas bypass can be set in a simplified manner.
  • the bipolar plate mentioned at the beginning offers the advantage that, on the one hand, by specifically allowing a mass flow in the edge region of the flow field, better uniform distribution is achieved and, moreover, there is a reduction in the cavities through which the coolant could flow. This results in a reduction in the thermal mass of the coolant, that is to say a reduced absolute heat capacity of the coolant in the fuel cell stack, so that improved frost start properties are provided. By dispensing with blocking elements, installation space advantages can also be achieved. Finally, it is possible to optimize the undesired leakage currents from the reaction gases and the coolant.
  • the bypass channel itself runs in an area of the plate that lies outside the active area in which the electrochemical reaction takes place.
  • the length of the bypass channel is increased by repeated changes in direction between the inlet port and the outlet port, since a parameter for setting the flow resistance is available in a simple and easy-to-manufacture manner by increasing the contact area of the flow through the Bypass channel with the channel wall.
  • the changes of direction take place regularly distributed between the inlet port and the outlet port and are shaped according to a shape selected from a group consisting of a sawtooth profile, a rectangular profile , a double serpentine profile, comprises a tongue profile.
  • the profiles have in common that changes in direction of the flow are forced in the bypass channel, each change in direction increasing the flow resistance, in particular if the change in direction includes large angles between the branches of the bypass channel.
  • the double serpentine profile with the basic shape of a large omega provides many sharp changes in direction in a small space with a strong increase in the length of the bypass channel.
  • the cross section of the bypass channel is shaped according to a cross-sectional shape that is selected from a group consisting of a V-profile, a rectangular profile Semicircular profile, a trapezoidal profile, a hammer head profile includes.
  • these profiles do not provide the maximum for the channel content in relation to its wall surface, so that the increased wall surface in turn increases the flow resistance for a given flow volume.
  • edges of the profiles can be rounded with Ra dia.
  • the increase in the flow resistance is also served by the fact that the surface in the bypass channel is roughened, it being possible for this to be achieved by a suitable surface treatment or by a coating.
  • bypass channel has at least one branch between the inlet port and the outlet port, then the flow resistance is also increased, namely by increasing the wall area in relation to nis to the flow volume.
  • the branching can take place in two, three or more branches and also repeat itself.
  • the purpose of improving the control of the flow through the bypass channel is when the start of the bypass channel is formed by a branch from an edge channel of the flow field.
  • the start of the bypass channel is formed in a distribution area of the inlet port, upstream of the flow field. This serves in particular to increase the length of the bypass channel and to introduce the leakage flow before it reaches areas in which it is undesirable or disadvantageous.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell device with a plurality of fuel cells have the fuel cell stack, the fuel cells of which have bipolar plates,
  • FIG. 2 shows a plan view of a schematic representation of a bipolar plate known from the prior art
  • FIG. 3 is a plan view of a schematic representation of a known from the prior art bipolar plate with the cal matically shown concentration drop of the Reaktantenga ses in a flow field and indicated bypass flows
  • FIG. 4 shows a cross section through a bipolar plate known from the prior art in the channel direction of the flow field
  • FIG. 5 shows a representation corresponding to FIG. 4 of a bipolar plate with a reaction gas bypass and a coolant bypass
  • Fig. 8 is a schematic diagram for the beginning of the reaction gas bypass be adjacent to a medium port for the reaction gas
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of the course of the reaction gas bypass next to the flow field
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of the course of the reaction gas bypass next to the flow field according to a further embodiment
  • FIG. 11 is a schematic representation of the course of the reaction gas bypass next to the flow field according to a further embodiment
  • 12 shows a schematic illustration of the course of the reaction gas bypass next to the flow field according to a further embodiment
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of the course of the reaction gas bypass next to the flow field according to a further embodiment
  • FIG. 14 shows an illustration corresponding to FIG. 9 of an embodiment with variants with regard to a branching of the reaction gas bypass
  • a fuel cell device 1 is shown schematically in FIG. 1, which has a fuel cell or a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack 2.
  • the fuel cell stack 2 consists of a plurality of fuel cells connected in series.
  • Each of the fuel cells comprises an anode and a cathode as well as a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode.
  • the membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE sulfonated tetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the membrane can be formed as a sulfonated Flydrocarbon membrane.
  • the anodes and / or the cathodes can additionally be mixed with a catalyst, the membranes preferably having a catalyst layer made of a noble metal or of mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like on their first side and / or on their second side are coated, which serve as an accelerator in the reaction of the respective fuel cell.
  • the fuel for example hydrogen
  • the fuel is supplied to the anode via anode spaces within the fuel cell stack 2.
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the membrane lets the protons (for example H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-).
  • the following reaction takes place at the anode: 2H2 -> 4H + + 4e _ (oxidation / electron donation). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are routed to the cathode or an energy store via an external circuit.
  • Cathode gas for example oxygen or air containing oxygen
  • Cathode gas can be supplied to the cathode via cathode spaces within the fuel cell stack 2, so that the following reaction takes place on the cathode side: O2 + 4H + + 4e _ -> 2H2O (reduction / electron uptake).
  • Air compressed by a compressor 4 is fed to the fuel cell stack 2 via a cathode fresh gas line 3.
  • the fuel cell is connected to a cathode exhaust gas line 6.
  • hydrogen held ready in a hydrogen tank 5 is supplied to the fuel cell stack 2 to provide the reactants required for the electrochemical reac tion in a fuel cell.
  • These gases are transferred to bipolar plates 10, in which channels 11 are formed and combined to form a flow field 12 for the distribution of the gases to the membrane.
  • the bipolar plates 10 are provided for the Naturallei device of a cooling medium channel 19, so that three different media are performed in a very small space. Bipolar plates 10 known from the prior art are shown in FIGS. 2 to 4, FIG.
  • the length of the bypass channel 18 is increased by repeated changes in direction 20 between the inlet port 13 and the outlet port 14, the changes in direction 20 being regularly distributed between the inlet port 13 and the outlet port 14.
  • FIGs 9 to 13 different changes in direction 20 of the bypass channel 18 are shown, which are shaped according to a shape selected from a group comprising a sawtooth profile 21, a rectangular profile 22, a double serpentine profile 23, a tongue profile 24.
  • the angle of the change in direction 20 can also vary, so that the sawtooth profile 21 can be present, for example, symmetrically as a zigzag line.
  • the tongue profile from Figure 9 also improves the frost start properties of a fuel cell stack 2, since the volume for a coolant flow between an edge channel 25 of the flow field 12 and the bypass channel 18 is reduced and so the thermal mass of the coolant in the fuel cell stack 2 is low.
  • the cross-section of the bypass channel 18 is shaped (from top to bottom) in accordance with a cross-sectional shape with a V-profile, a rectangular profile, a semicircular profile, a T rapez profile, a hammer head profile, with for a simplified production through forming processes the edges of the profiles are rounded with radii.
  • the surface in the bypass channel 18 is roughened.
  • FIG. 14 shows alternatives in which the bypass channel 18 has branches 26 between the inlet port 13 and the outlet port 14, namely a branch 26 into two branches (left), into three branches (center) or a repeated branch 26 into two branches (right ).
  • FIG. 6 shows a variant in which the beginning of the bypass channel is formed by a branch 27 from an edge channel 25 of the flow field 12, while FIGS. 7 and 8 indicate that the beginning of the bypass channel 18 is in a distribution area 28 of the inlet port 13 , is formed upstream of the flow field 12 with different approaches to the inlet port 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) mit mindestens einer Kombination eines Einlassports (13) und einem eine Mehrzahl von Kanälen (11) aufweisenden Flussfeld (12) zur Verbindung des Einlassports (13) mit einem Auslassport (14) für einen Reaktanten, wobei randseitig von mindestens einem der Flussfelder (12) mindestens ein Bypasskanal (18) vorliegt. Der Strömungswiderstand in dem Bypasskanal (18) ist, unter Verzicht auf ein in den Querschnitt des Bypasskanals (18) ragendes blockierendes Element, durch die Gestaltung des Bypasskanals (18) bestimmt.

Description

Bipolarplatte
BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit mindestens einer Kombination eines Einlassports und einem eine Mehrzahl von Kanälen aufweisenden Flussfeld zur Verbindung des ersten Einlassports mit einem Auslassport für einen ersten Reaktanten, wobei randseitig von mindestens einem der Fluss felder mindestens ein Bypasskanal vorliegt, wobei der Strömungswiderstand in dem Bypasskanal, unter Verzicht auf ein in den Querschnitt des Bypass kanals ragendes blockierendes Element, durch die Gestaltung des Bypass kanals bestimmt ist.
Eine Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung gebildet aus einer protonenleitenden Membran, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist. In einer Brennstoffzel lenvorrichtung sind in der Regel mehrere Brennstoffzellen linear zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, um eine ausreichend große Leis tungsabgabe zu ermöglichen.
Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten Reaktan tengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und ka thodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über einen Kanal in die Platte geleitet, die unter Nutzung des Kanals oder einer Mehrzahl von Kanälen eine Verteilung der Reaktanten in einen aktiven Bereich bewirken soll, um mittels eines Flussfeldes die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen. Aufgrund der auf der gan zen Fläche des aktiven Bereichs ablaufenden chemischen Reaktion werden die frischen Reaktantengase immer weiter aufgebraucht, so dass die Partial drücke der Reaktantengase vom Einlass zum Auslass hin abnehmen, wäh rend der Anteil der Produktgase ansteigt.
Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatte durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien technisch dicht getrennt geführt werden müssen. Deshalb werden in der Regel zwei metallische Umformteile zu einer Bipolarplatte verschweißt, wobei aufgrund des Bauraumbedarfs rund um das aktive Flussfeld ein Über lappbereich vorgehalten werden muss, in dem wegen der Fertigungs- und Montagetoleranzen Flohlräume entstehen, durch welche Reaktantengase am Flussfeld vorbei strömen können, was durch blockierende Elemente für die Leckströme verringert werden soll. Da aber auch das Kühlmedium durch die Bipolarplatte strömt, muss bei dem Einsatz der blockierenden Elemente ein Kompromiss zwischen dem Vermeiden der Leckströme für die Reaktionsga se und das Kühlmedium eingegangen werden.
In der DE 10 2017 118 143 A1 ist in einem Umgehungskanal einer ersten Bipolarplatte eine Prägung als blockierendes Element ausgebildet, die die Richtung der Reaktionsmittelströmung stört und Turbulenzen sowie Drucker höhungen bewirkt, die das Reaktionsmittel aus dem Umgehungskanal in eine Gasdiffusionsschicht umlenken, die zwischen der ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte angeordnet ist. Die WO 2003/041199 A2 be schreibt eine Bipolarplatte aus einer elektrisch leitfähigen Platte, auf deren einen Seite ein erstes Flussfeld und auf deren anderen Seite ein zweites Flussfeld ausgebildet ist, und zwar derart, dass die Gestalt des ersten Fluss feldes und des zweiten Flussfeldes so gewählt ist, dass diese nicht direkt Übereinanderliegen. Die Kanäle der Flussfelder sind zur Vergrößerung der Kanallänge mäanderförmig gestaltet. In der US 2018/0342744 A1 ist der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels offenbart, bei dem Brennstoffzellen in mehreren Lagen zusammengefasst und zwischen Endplatten angeordnet sind. Zwischen jeder Endplatte und der benachbarten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels ist eine Zwischenplatte angeordnet, in der Verteil strukturen für das Einleiten und das Ausleiten der Reaktionsgase ausgebildet sind. In der Zwischenplatte ist ein Bypass-Kanal ausgebildet, der gewunden von dem Einlassport zu dem Auslassport verläuft, um kondensiertes Wasser zu sammeln.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte bereit zu stel len, bei der die Strömung durch einen Reaktionsgas-Bypass vereinfacht ein gestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbil dungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die eingangs genannte Bipolarplatte bietet den Vorteil, dass zum einen durch das gezielte Zulassen von einem Massenstrom im Randbereich des Flussfeldes eine bessere Gleichverteilung erzielt wird und darüber hinaus eine Verringerung der Hohlräume gegeben ist, die von dem Kühlmittel durchströmt werden könnten. Daraus folgt eine Verringerung der thermi schen Masse des Kühlmittels, also eine verringerte absolute Wärmekapazität des Kühlmittels in dem Brennstoffzellenstapel, so dass verbesserte Frost starteigenschaften gegeben sind. Auch können durch den Verzicht auf blo ckierende Elemente Bauraumvorteile erzielt werden. Schließlich ist eine Op timierung der unerwünschten Leckströme von den Reaktionsgasen und dem Kühlmittel möglich. Der Bypasskanal selbst verläuft in einem Bereich der Platte, der außerhalb des aktiven Bereichs liegt, in welchem die elektroche mische Reaktion abläuft.
Besonders ausgeprägt sind diese Vorteile, wenn auf beiden Seiten beider Flussfelder jeweils ein entsprechend gestalteter Bypasskanal vorliegt.
Bevorzugt ist dabei, wenn die Länge des Bypasskanals vergrößert ist durch wiederholte Richtungsänderungen zwischen dem Einlassport und dem Aus lassport, da so in einfacher und einfach zu fertigender Weise ein Parameter zur Einstellung des Strömungswiderstand zur Verfügung steht durch eine Vergrößerung der Kontaktfläche von der Strömung durch den Bypass-Kanal mit der Kanalwandung. Wiederum im Sinne einer vereinfachten Fertigung und einer Maximierung der Länge des Bypass-Kanals ist vorgesehen, dass die Richtungsänderungen regelmäßig verteilt zwischen dem Einlassport und dem Auslassport erfolgen und geformt sind entsprechend einer Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein Sägezahnprofil, ein Rechteckprofil, ein Doppelserpentinen profil, ein Zungenprofil umfasst. Den Profilen ist gemeinsam, dass Rich tungsänderungen der Strömung in dem Bypass-Kanal erzwungen werden, wobei jede Richtungsänderung den Ström ungswiderstand erhöht, insbeson dere wenn die Richtungsänderung große Winkel zwischen den Zweigen den Bypass-Kanals einschließt. Insbesondere das Doppelserpentinen-Profil mit der Grundform eines großen Omega stellt viele scharfe Richtungsänderun gen auf kleinem Raum bei einer starken Vergrößerung der Länge des By pass-Kanals bereit.
Neben der Länge des Bypass-Kanals steht ein weiterer Parameter zur Erhö hung des Strömungswiderstandes zur Verfügung, so dass der Querschnitt des Bypasskanals geformt ist entsprechend einer Querschnittsgestalt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein V-Profil, ein Rechteck-Profil, ein Halbkreis-Profil, ein Trapez-Profil, ein Hammerkopf-Profil umfasst. Diese Profile stellen insbesondere nicht das Maximum für den Kanalinhalt im Ver hältnis zu seiner Wandfläche zur Verfügung, so dass durch die vergrößerte Wandfläche bei gegebenen Strömungsvolumen wiederum der Strömungswi derstand steigt.
Insbesondere aus Fertigungsgründen können die Kanten der Profile mit Ra dien abgerundet sein.
Der Erhöhung des Strömungswiderstandes dient auch, dass die Oberfläche in dem Bypasskanal aufgerauht ist, wobei dies durch eine geeignete Ober flächenbearbeitung oder durch eine Beschichtung erzielt werden kann.
Wenn der Bypasskanal zwischen dem Einlassport und dem Auslassport mindestens eine Verzweigung aufweist, dann ist auch der Strömungswider stand erhöht, nämlich durch eine Vergrößerung der Wandfläche im Verhält- nis zu dem Strömungsvolumen. Die Verzweigung kann in zwei, drei oder mehr Äste erfolgen und sich auch wiederholen.
Einer Verbesserung der Kontrolle der Strömung durch den Bypass-Kanal dient, wenn der Beginn des Bypasskanals durch einen Abzweig aus einem Randkanal des Flussfeldes gebildet ist.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass der Beginn des Bypasskanals in einem Verteilbereich des Einlassports, stromauf des Flussfeldes gebildet ist. Dies dient insbesondere einer Steigerung der Länge des Bypass-Kanals und der Einleitung des Leckstromes, bevor dieser Bereiche erreicht, in denen er unerwünscht oder nachteilig ist.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrich tung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisen den Brennstoffzellenstapel, dessen Brennstoffzellen Bipolar platten aufweisen,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte, Fig. 3 eine Draufsicht auf eine schematischen Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte mit dem sche matisch dargestellten Konzentrationsabfall des Reaktantenga ses in einem Flussfeld und angedeuteten Bypass-Strömen,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine aus dem Stand der Technik be kannte Bipolarplatte in Kanalrichtung des Flussfeldes, Fig. 5 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung einer Bipolarplatte mit einem Reaktionsgas-Bypass und einem Kühlmittel-Bypass,
Fig. 6 ein Prinzipbild für die Ableitung des Reaktionsgas-Bypass aus einem Randkanal des Flussfeldes,
Fig. 7 ein Prinzipbild für die Ableitung des Reaktionsgas-Bypass aus einem Verteilbereich,
Fig. 8 ein Prinzipbild für den Beginn des Reaktionsgas-Bypass be nachbart zu einem Mediumport für das Reaktionsgas,
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas- Bypass neben dem Flussfeld, Fig. 10 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas- Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungs form,
Fig. 11 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas- Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungs form, Fig. 12 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas- Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungs form, Fig. 13 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas- Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungs form,
Fig. 14 eine der Figur 9 entsprechende Darstellung einer Ausführungs form mit Varianten hinsichtlich einer Verzweigung des Reakti onsgas-Bypass,
Fig. 15 eine Darstellung der Varianten hinsichtlich des Querschnittspro fils des Reaktionsgas-Bypass.
In der Figur 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzel lenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 2 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalte ter Brennstoffzellen. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfo- nierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluo- rierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Flydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige mischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladi um, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbe schleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen. Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Ano den Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelekt rolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber un durchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 -> 4H+ + 4e_ (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Pro tonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektro nen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energie speicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellensta pels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sau erstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die fol gende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e_ -> 2H2O (Redukti on/Elektronenaufnahme).
Dem Brennstoffzellestapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist die Brenn stoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 in einem Wasserstofftank 5 bereitgehaltener Wasserstoff zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reak tion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 10 übergeben, in denen Kanäle 11 ausgebildet und zu ei nem Flussfeld 12 zusammengefasst sind für die Verteilung der Gase an die Membran. Zusätzlich sind die Bipolarplatten 10 vorgesehen für die Durchlei tung eines Kühlmediumkanales 19, so dass auf kleinstem Raum drei ver schiedene Medien geführt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatten 10 sind in den Figuren 2 bis 4 gezeigt, wobei Figur 2 für ein Medium die Einleitung durch einen Einlassport 13 zeigt mit der Übergabe an das Flussfeld 12 und die Ausleitung durch einen ersten Auslassport 14. Für den zweiten Reaktanten steht in vergleichbarer Weise die Rückseite der Bi polarplatte 10 zur Verfügung. Die Einlassports 13 können zusammen mit ei nem Mediumport 15 für das Kühlmittel in einem Einlassheader 16 zusam mengefasst sein. Analog steht ein Auslassheader 17 zur Verfügung. Am Flussfeld 12 vorbei strömt ein Bypass-Strom, der auch durch Bypass blockierende Strukturen nicht vollständig unterbunden werden kann, deren Fertigung zusätzlichen Aufwand darstellt. Zur Vermeidung derartiger Bypass blockierender Strukturen ist bei einer aus der Figur 5 ersichtlichen Bipolar platte 10 die Gestaltung so getroffen, dass randseitig von mindestens einem der Flussfelder 12 mindestens ein Bypasskanal 18 vorliegt, wobei der Strö mungswiderstand in dem Bypasskanal 18, unter Verzicht auf ein in den Querschnitt des Bypasskanals 18 ragendes blockierendes Element, durch die Gestaltung des Bypasskanals 18 bestimmt ist. In dem bevorzugten Aus führungsbeispiel liegt auf beiden Seiten beider Flussfelder 12 jeweils ein ent sprechend gestalteter Bypasskanal 18 vor.
Dabei ist die Länge des Bypasskanals 18 vergrößert durch wiederholte Rich tungsänderungen 20 zwischen dem Einlassport 13 und dem Auslassport 14, wobei die Richtungsänderungen 20 regelmäßig verteilt zwischen dem Ein lassport 13 und dem Auslassport 14 erfolgen. In den Figuren 9 bis 13 sind unterschiedliche Richtungsänderungen 20 des Bypass-Kanals 18 gezeigt, die geformt sind entsprechend einer Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein Sägezahnprofil 21 , ein Rechteckprofil 22, ein Doppelserpen tinenprofil 23, ein Zungenprofil 24 umfasst. Der Winkel der Richtungsände rung 20 kann dabei gleichfalls variieren, so dass das Sägezahnprofil 21 bei spielsweise symmetrisch als Zick-Zacklinie vorliegen kann. Das Zungenprofil aus Figur 9 verbessert zudem die Froststarteigenschaften eines Brennstoff zellenstapels 2, da das Volumen für eine Kühlmitteldurchströmung zwischen einem Randkanal 25 des Flussfeldes 12 und dem Bypass-Kanal 18 reduziert ist und so die thermische Masse des Kühlmittels im Brennstoffzellenstapel 2 gering ist.
In den Alternativen der Figur 15 ist (von oben nach unten) der Querschnitt des Bypasskanals 18 geformt entsprechend einer Querschnittsgestalt mit einem V-Profil, einem Rechteck-Profil, einem Halbkreis-Profil, einem T rapez- Profil, einem Hammerkopf-Profil, wobei für eine vereinfachte Fertigung durch Umform prozesse die Kanten der Profile mit Radien abgerundet sind. Es besteht die Möglichkeit, dass die Oberfläche in dem Bypasskanal 18 auf gerauht ist.
Figur 14 zeigt Alternativen, bei denen der Bypasskanal 18 zwischen dem Einlassport 13 und dem Auslassport 14 Verzweigungen 26 aufweist, nämlich eine Verzweigung 26 in zwei Äste (links), in drei Äste (mittig) oder eine wie derholte Verzweigung 26 in zwei Äste (rechts).
Die Figur 6 zeigt eine Variante, bei der der Beginn des Bypasskanals durch einen Abzweig 27 aus einem Randkanal 25 des Flussfeldes 12 gebildet ist, während die Figuren 7 und 8 darauf verweisen, dass der Beginn des By passkanals 18 in einem Verteilbereich 28 des Einlassports 13, stromauf des Flussfeldes 12 gebildet ist mit unterschiedlichen Annäherungen an den Ein lassport 13.
BEZUGSZEICHENLISTE:
1 Brennstoffzellenvorrichtung
2 Brennstoffzellenstapel
3 Kathodenfrischgasleitung
4 Verdichter
5 Wasserstofftank
6 Kathodenabgasleitung
7 Anodenrezirkulationsleitung
8 Anodenfrischgasleitung
9 Anodenabgasleitung
10 Bipolarplatte
11 Kanäle
12 Flussfeld
13 Einlassport
14 Auslassport
15 Mediumport
16 Einlassheader
17 Auslassheader
18 Bypass-Kanal
19 Kühlmediumkanal
20 Richtungsänderung
21 Sägezahnprofil
22 Rechteckprofil
23 Doppelserpentinenprofil
24 Zungenprofil
25 Randkanal
26 Verzweigung
27 Abzweig
28 Verteilbereich

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Bipolarplatte (10) mit mindestens einer Kombination eines Ein lassports mit einem eine Mehrzahl von Kanälen (11) aufweisenden Flussfeld (12) zur Verbindung des Einlassports (13) mit einem Aus lassport (14) für einen ersten Reaktanten, wobei randseitig von min destens einem der Flussfelder (12) mindestens ein Bypasskanal (18) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand in dem Bypasskanal (18), unter Verzicht auf ein in den Querschnitt des Bypasskanals (18) ragendes blockierendes Element, durch die Gestal tung des Bypasskanals (18) bestimmt ist.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten beider Flussfelder (12) jeweils ein entsprechend ge stalteter Bypasskanal (18) vorliegt.
3. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Bypasskanals (18) vergrößert ist durch wiederhol te Richtungsänderungen (20) zwischen dem Einlassport (13) und dem Auslassport (14).
4. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsänderungen (20) regelmäßig verteilt zwischen dem Ein lassport (13) und dem Auslassport (14) erfolgen und geformt sind ent sprechend einer Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein Sägezahnprofil (21), ein Rechteckprofil (22), ein Doppelserpentinen profil (23), ein Zungenprofil (24) umfasst.
5. Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Querschnitt des Bypasskanals (18) geformt ist entsprechend einer Querschnittsgestalt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein V-Profil, ein Rechteck-Profil, ein Halbkreis-Profil, ein Trapez-Profil, ein Hammerkopf-Profil umfasst.
6. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten der Profile mit Radien abgerundet sind.
7. Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die Oberfläche in dem Bypasskanal (18) aufge rauht ist.
8. Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der Bypasskanal (18) zwischen dem Einlassport (13) und dem Auslassport (14) mindestens eine Verzweigung (26) aufweist.
9. Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Beginn des Bypasskanals (18) durch einen Abzweig (27) aus einem Randkanal (25) des Flussfeldes (12) gebildet ist.
10. Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Beginn des Bypasskanals (18) in einem Ver teilbereich (28) des Einlassports (13), stromauf des Flussfeldes (12) gebildet ist.
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