WO2007062639A2 - Bipolarplatte und brennstoffzelleneinheit - Google Patents

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WO2007062639A2
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Thomas Kunick
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Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate and a fuel cell unit according to the preambles of the independent claims.
  • the volume of the fuel cell stack is determined essentially by the height or the thickness of the bipolar plates installed in the fuel cell stack. Typically, these are between 0.9 and 1.2 mm thick for mobile applications. Larger thicknesses are also possible for non-mobile applications, since the power density of the fuel cell stack is less relevant here.
  • a typical thickness of a membrane electrode assembly (MEA) of the fuel cell is about 0.5 mm. Thus, about 65% of the cell block height of the fuel cell stack is determined by the height of the bipolar plates.
  • a bipolar plate in which a crossing of fluids in thin bipolar plates is realized, whereby a cooling fluid is guided transversely over a structure of the gas guiding channels arranged at right angles.
  • the channel depth can be reduced on the anode and cathode side in the areas in which the cooling fluid crosses.
  • a uniform arrangement of raised, positive support points is provided in the distribution region and / or collection region of at least one of the partial plates, wherein, apart from marginal support points, within the distributor region and / or of the collecting area next to each raised, positive support point, a similar, negative support point is formed, which forms a free space between the positive support points for the fluid.
  • a simplified embodiment results when the support points have an elongated, approximately elliptical cross-section. Due to the resulting elongated expression of the support points and open spaces advantageously results in a flow with preferential direction. Preferably, adjacent support points are arranged at a varying angle to the fluid channels so that the flowing fluid undergoes a deflection in a preferred direction.
  • This embodiment is particularly suitable for fluid ports at the corners of the bipolar plates, since a better distribution of the most remote fluid channels can be achieved.
  • the ellipsoidal support points are expediently assigned to fluid ports close to the corners.
  • a further improvement in the uniform distribution results when the support points and free spaces near the fluid port close to an associated fluid port have a higher flow resistance than fluid port remote.
  • the support points can be seen in the flow direction fluid portnah formed with a larger diameter than fluid portfern.
  • the support points can be seen in the direction of flow fluid portnah be arranged closer than fluid portfernfern.
  • An improvement in the uniform distribution of the fluids can be achieved if the flow of the fluid in the distributor region and / or in the collecting region essentially forms a transverse flow to the fluid channels.
  • the distributor area and / or the collecting area are tapered in the flow direction.
  • the distributor area and the collecting area are asymmetrical with respect to one another, a uniform distribution of the respective fluid to the fluid channels results.
  • the mechanical strength is increased.
  • a better discharge of water from the fuel cell stack is possible, for example during cold start of the associated fuel cell system.
  • the Distributor area and the collection area should occupy as little space as possible, since these usually do not belong to the electrochemically active area of the fuel cell stack and thus worsen the power density.
  • the distributor area and the collecting area have a different size.
  • the distributor area occupies a smaller area on the partial plate than the collecting area.
  • a favorable development of the invention provides that a passage opening is provided on at least one of the partial plates, which allow a passage of the fluid between the space enclosed by the partial plates interior and the respective flat side.
  • Partially closed fluid guide allows compact design and maximum utilization of the overall height. The introduction of the fluids from the fluid port to the distributor area or the discharge of the fluids from the fluid channels of the flow field area to the collecting area can take place without influencing the channel cross section and without impairing the fluid separation.
  • the passage opening is expediently provided between the fluid port area and the distributor area and / or between the collecting area and the outlet-side fluid port area.
  • the at least one fluid port is surrounded by a circumferential sealing groove.
  • This is an implementation by designing circumferential sealing grooves on all existing fluid ports with offset of the grooves in the desired fluid supply line between the two partial plates possible.
  • the offset is expediently chosen according to the channel depths to ensure a minimum required channel cross section.
  • the sealing groove of one sub-plate is supported by a support structure of the other sub-plate.
  • the mechanical support of the sealing grooves is conveniently carried out by structuring the adjacent part plate. This can be done particularly well by hollow embossed structures. A favorable compromise between mechanical stability and minimum required channel cross-section can be found.
  • a reliable separation of the fluids can be achieved in a development, if a welded joint for connecting the two sub-plates is located outside of an area enclosed by fluid port and passage opening. Furthermore, a circumferential sealing groove is not affected.
  • the weld joint is arranged adjacent to the passage opening to the interior of the sub-plates.
  • An inventive fuel cell stack with a stack of fuel cells, each separated by bipolar plates, has at least one bipolar plate with one or more of the features described above.
  • FIG. 1 a, b in plan view details of a first
  • FIG. 3 shows a preferred alternative embodiment of
  • FIG. 4 shows schematically a preferred embodiment of
  • FIG. 5 is a side sectional view of a preferred embodiment
  • Fig. 6 is a perspective view of a partial section of
  • the bipolar plate 10 serves in a known manner as a separator between individual fuel cells. It separates fluid spaces of the adjacent fuel cells and serves for the mechanical support of the ion-conducting fuel cell membrane, which is preferably formed from a polymer. According to a customary embodiment, the fuel cell membrane is integrated in a so-called membrane electrode unit (MEA).
  • MEA membrane electrode unit
  • the preferred bipolar plate 10 with the first anode-side sub-plate 11 and the second, cathode-side sub-plate 12 has on the sub-plate 11 an upper flat side 30 and on the sub-plate 12 has a lower outer flat side 31.
  • the partial plates 11, 12 enclose an inner space 13 (FIG. 5).
  • an input-side fluid port region 55 of the bipolar plate 10 with three fluid ports 14, 14 ', 14 " is arranged, via which a fluid can be supplied via each fluid port 14, 14', 14", for example hydrogen, oxygen and a coolant
  • An output-side fluid port region 56 of FIG. 4 conducts the fluids away from or away from the bipolar plate 10, which then, for example, can also carry product water from the fuel cell reaction.
  • contacts 31, 37 are contacts 31, 37 "arranged at which, for example, electrical voltage can be tapped at the bipolar plate 10.
  • a distributor region 29 is provided, via which the fluid can be distributed to its associated fluid channels 34, 34 ''.
  • a corresponding resonant region 50 is arranged (FIG. 4), which collects the fluid emerging from the fluid channels and feeds it to the corresponding output-side fluid component.
  • the flow of the fluid in the distributor region 29 and / or in the collecting region 50 preferably forms substantially a transverse flow to the fluid channels 34.
  • the corresponding fluid is first passed between the sub-plates 11, 12 to a passage opening 16, through which the fluid reaches the flat side 30 and is distributed uniformly in the associated fluid channels 34 via the distributor region 29.
  • the passage opening 16 is stabilized along its width with webs 27 and arranged in an edge of a survey 23. Upstream of the fluid channels is located in front of the passage opening 16, a survey 36.
  • a bridge 23 '' is provided which forms a survey in the flat side 31 of the sub-plate 12.
  • a welded connection 15 is provided, which connects the two sub-plates 11, 12 with each other.
  • Support points 20, which are preferably designed like a knob and in the assembled state of the bipolar plate 10 are directed inwardly, which form recesses in the sub-plate 11, support the survey 23 on the lower part plate 12 from.
  • the corresponding fluid is first passed between the sub-plates 11, 12 to a passage opening 16 '', through which the fluid reaches the flat side 31 of the sub-plate 12 and through the distributor region 29 '' evenly into the associated fluid channels 34th '' is distributed.
  • the passage opening 16 '' is stabilized along its width with webs 27 '' and in an edge of a survey 36 '' arranged.
  • a bridge 36 which forms a survey in the flat side 30 is provided.
  • a survey 40 arranged with inwardly directed support points 20 on the sub-plate 11.
  • a uniform arrangement of raised, positive support points 41 is provided, of course, apart from edge-side support points 41, within the distributor region 29 next to each raised, positive support point 41, a similar, negative support point 42 is formed, for the Fluid forms a space between the positive support points 41.
  • a comparable arrangement is expediently provided in the collecting area 50.
  • the partial plate 12 has a corresponding structure in the distributor region 29 '' with raised, positive support points 43 and negative support points 44.
  • the support points 41, 43 and 42, 44 are formed as round or hemispherical knobs. Due to the uniform distribution of positive and negative support points 41, 43 and 42, 44, which serve on the one hand for mechanical support and on the other hand as a free space for the flowing fluid, the fluid distribution can be optimized so that the fluid channels 34 and 34 '' evenly Fluid to be supplied. Furthermore, the pressure loss is reduced by the gentle deflections of the aerodynamically favorable curves.
  • the support points 41, 43 and 42, 44 are also production-friendly structures for a preferred embossing of the partial plates 11, 12th
  • Figures 2a and 2b show a transparent view of the bipolar plate 10, in which structures on and between the sub-plates 11, 12 can be seen in phantom.
  • To illustrate the fluid guidance of the coolant between the sub-plates 11, 12 is as a detail of the fluid port 14 ' highlighted ( Figure 2b) with an arranged between the raised edge 38 and the survey 35 media feedthrough 45 inside the bipolar plate 10.
  • the spatial allocation of the various structures between fluid ports 14, 14 ', 14''and fluid channels 34 can be seen more clearly. Their description in detail can be taken from the preceding description of the figures.
  • FIG. 3 shows a simplified embodiment of structures for fluid distribution between a fluid port 14 and fluid channels 34 by way of example for the distributor region 29 of the partial plate 11.
  • the support points 46 and 47 have an elongate, approximately elliptical cross-section, wherein two transverse to the fluid channels 34 aligned , raised support points 47, the elongated, a recess forming ⁇ support point 46 extends perpendicular to these and connects the two support points 47 with each other.
  • the support points 46 form guide ribs for the fluid.
  • the paired support points 47 with the connecting support points 46 are arranged at the same height relative to the fluid channels 34 of the bipolar plate 10 at a uniform distance side by side from one edge of the bipolar plate 10 to the opposite edge.
  • a variant of the arrangement of the guide webs 46 ' is indicated by bars.
  • the guide webs 46 'of successive pairs of support points 47 are arranged at a varying angle to the fluid channels so that the flowing fluid deflects in a preferred direction experiences.
  • the ellipsoidal support points 46, 47 are preferably associated with fluid ports 14, 14 "close to the corners.
  • FIG. 4 shows, in plan view of a preferred bipolar plate 10, an advantageous development of the invention, in which the distributor region 29 and the collecting region 50 of the bipolar plate 10 are asymmetrical to one another. Conveniently, both partial plates 11, 12 are configured.
  • the bipolar plate 10 has at its edge on two opposite edges each a fluid port region 55 or 56 indicated by broken lines.
  • a fluid port 14 is indicated in the fluid port area 55 with a broken line.
  • Between the fluid port areas 55, 56 extends on a flat side 30 of the sub-plate 11 of the bipolar plate 10, a so-called flow field with parallel fluid channels 34 which are aligned parallel to edges 59, 60 of the bipolar plate 10, and flows through the homogeneously distributed fluid.
  • a segment 57 or 58 extending between the two edges 59, 60 of the bipolar plate 10 is arranged, in which the distributor region 29 in the segment 57 and the collection region 50 in the segment 58 are arranged.
  • the flow direction is indicated by arrows in the fluid port area 55, 56.
  • the distributor region 29 is formed asymmetrically with respect to the collecting region 50.
  • the distributor area 29 occupies a smaller area on the flat side 30 than the collecting area 50, which tapers in the flow direction. Both are within their segments 57, 58 with an edge 51 and 52 sharply defined.
  • 50 flow-conducting structures in the manifold region 29 and the Samiriel Jardin arranged, which guide the flow of fluid in these areas accordingly.
  • the distributor area 29 and the sun blind area 50 have a course at their respective edge 51, 52.
  • the manifold portion 29 has approximately a triangular surface, while the collection area 50 almost fills the segment 58 and only a slight rounding on one side, which borders on the same edge 60 as the fluid port 14 through which the fluid passes to the bipolar plate 10.
  • a width 53 of the distributor region 29 along the edges 59, 60 is less than a width 54 of the collecting region 50.
  • the aim is to minimize the width 53, 54 of the distributor region 29 and collecting region 50 as far as possible.
  • FIG. 5 shows a section through a bipolar plate 10 according to the invention.
  • the bipolar plate 10 consists of at least a first, cathode-side sub-plate 11 and a second, anode-side sub-plate 12, which are arranged with their flat sides 30, 31 parallel to each other.
  • the partial plates 11, 12, each of which preferably consists of a thin metal plate various structures are embossed.
  • the partial plates 11, 12 are preferably thin, hollow-embossed metal plates. There are Elevations and depressions embossed in the sub-plate 11 and elevations and depressions in the sub-plate 12.
  • the partial plate 11 has the upper, outer flat side 30 and the partial plate 12 has the lower, outer flat side 31.
  • the sub-plates 11, 12 include an interior space 13. Furthermore, at least one fluid port 14 is arranged on the edge, via which a fluid can be conducted to fluid channels arranged on at least one of the flat sides 30, 31. For the respective partial plate 11, 12, the fluid port 14 has a bead 21 or 23 '.
  • a first fluid path section 17 of the fluid extends from the fluid port 14 between the sub-plates 11 and 12 to a passage opening 16 of the sub-plate 11, through which the fluid exits to the outer flat side 30 of the sub-plate 11 and an adjacent second
  • Fluid path portion 18 extends on the flat side 30 of the respective sub-plate 11.
  • the indicated by arrows fluid flows from there in on the flat side 30 located in the flow direction, graphically not executed fluid channels of the flow field area.
  • the passage opening 16 is arranged, for example, upstream of a distributor region 29, via which the fluid can be fed to the fluid channels and distributed so that the fluid channels are homogeneously charged with the fluid and a uniform distribution of the fluid in the fluid channels on the flat side 30 of the sub-plate 11 can.
  • the passage region 16 can also be arranged in a random-type region, from which the fluid is emitted the fluid channels can be discharged.
  • the collecting area is expediently designed accordingly in order to ensure a homogeneous distribution of the fluid in the fluid channels.
  • the fluid port 14 is surrounded on the upper part plate 11 by a circumferential sealing groove 25 and on the lower part plate 12 by a circumferential sealing groove 26.
  • the sealing groove 25 of the fluid port 14 on the one sub-plate 11 encloses a smaller area and extends partially within the seal groove 26 of the respective fluid port 14 on the other sub-plate 12, so that an offset of the two sealing grooves 25, 26 against each other, which expediently after one Channel depth 33 between the sub-plates 11, 12 directed to ensure a minimum required channel cross-section.
  • the sealing groove 25 of a sub-plate 11 is supported by a support point 20 '' of the other sub-plate 12, while the sealing groove 26 of the other sub-plate 12 is supported by a support point 20 of the sub-plate 11.
  • the support structures 20, 20 '' are embossed into the respective sub-plate 12, 11 and protrude into the interior 13 of the bipolar plate 10th
  • FIG. 6 illustrates a plan view of a detail of the bipolar plate 10 from FIG.
  • Unexplained elements are referred to the description of the figures Ia, Ib to avoid unnecessary repetition.
  • the fluid port 14 which is surrounded by a recess forming a sealing groove 25 in the sub-plate 11.
  • the passage opening 16 is arranged in an edge of an elevation 23 and has webs 21 for stabilization.
  • support structures 20, which are embossed as projecting into the interior 13 recesses in the sub-plate 11 and the lower part plate 12 in the region of their not visible here sealing groove 26 ( Figure Ia, Ib) are supported.
  • a distributor region 29 can be seen with positive and negative nubs 41, 42, which ensure a targeted distribution of the fluid into the fluid channels of the flow field, not shown, which adjoin the distributor region 29.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus wenigstens einer ersten, kathodenseitigen und einer zweiten, anodenseitigen Teilplatte (11, 12), sowie einem durch die Teilplatten (11, 12) eingeschlossenen Innenraum (13) , mit einem randseitig angeordneten Fluidportbereich (55) mit wenigstens einem Fluidport (14, 14', 14''), über den ein Fluid zu auf wenigstens einer der Flachseiten (30, 31) angeordneten Fluidkanälen (34, 34'') leitbar ist, sowie einem Verteilerbereich (29, 29''), über den das Fluid zu seinen zugeordneten Fluidkanälen verteilbar ist und einem Sammelbereich (50) , über den das Fluid aus den Fluidkanälen (34) zu einem weiteren Fluidportbereich (56) wegleitbar ist. Erfindungsgemäß ist im Verteilerbereich (29, 29'') und/oder im Sammelbereich (50) wenigstens einer der Teilplatten (11, 12) eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen Stützstellen (41, 43) vorgesehen ist, wobei, abgesehen von randseitigen Stützstellen (41, 43) , innerhalb des Verteilerbereichs (29, 29'') und/oder des Sammelbereichs (50) neben jeder erhabenen Stützstelle (41, 43) eine gleichartige, negative Stützstelle (42, 44) ausgebildet ist.

Description

Bipolarplatte und Brennstoffzelleneinheit
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzelleneinheit nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Für mobile Anwendungen von Brennstoffzellen ist eine Reduktion des Volumens .notwendig, um die Größe der zu Brennstoffzellenstapeln zusammengefassten Brennstoffzellen den engen Bauraumverhältnissen in Fahrzeugen anzupassen und die Leistungsdichten zu optimieren. Das Volumen des Brennstoff-zellenstapels wird im Wesentlichen durch die Höhe bzw. die Dicke der im Brennstoffzellenstapel verbauten Bipolarplatten bestimmt. Typischerweise sind diese für mobile Anwendungen zwischen 0,9 und 1,2 mm dick. Für nichtmobile Anwendungen sind auch größere Dicken möglich, da hier die Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels weniger relevant ist. Eine typische Dicke einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) der Brennstoffzelle liegt bei etwa 0,5 mm. Somit sind etwa 65% der Zellblockhöhe des Brennstoffzellenstapels durch die Höhe der Bipolarplatten bestimmt. Es gibt daher Ansätze, die Höhe der Bipolarplatten weiter zu reduzieren, besonders im Bereich der so genannten Flowfieldkanäle, durch welche beispielsweise die Reaktionsfluide flächig an die Membran in der MEA herangeführt werden und Kühlfluid Reaktionswärme aus dem Membranbereich abführt. Aus der Reduktion der Höhe der Bipolarplatten ergibt sich die Problematik, dass auch in Einströmbereichen der Fluide von den randseitig angeordneten Ports zu den eigentlichen Fluidkanälen, die Bauhöhe reduziert werden muss, um die Höhe der gesamten Bipolarplatte reduzieren zu können. Der Einströmbereich sollte einerseits einen möglichst kleinen Bauraum einnehmen, andererseits groß sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Fluide zu gewährleisten. Gleichzeitig muss der Einströmbereich eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen und eine Abstützung der MEA gewährleisten. Dies ist insbesondere für hohlgeprägte Bipolarplatten, etwa aus dünnen Metallplatten, problematisch, weil die Fluide sich in dem Einströmbereich kreuzen. Dies bedeutet, dass die Höhe des Einströmbereichs noch weiter reduziert werden muss.
Aus der Offenlegungsschrift DE 100 150360 Al ist eine Bipolarplatte bekannt, bei der eine Kreuzung von Fluiden in dünnen Bipolarplatten realisiert ist, wobei ein Kühlfluid quer über eine rechtwinklig angeordnete Struktur der Gasführungskanäle geführt ist. Dabei kann die Kanaltiefe auf der Anoden- und Kathodenseite in den Bereichen reduziert werden, in denen sich das Kühlfluid kreuzt.
In der Offenlegungsschrift US 2002/0081477 Al sind weitere Möglichkeiten aufgezeigt, wie Fluide quer, beispielsweise in einem Flussgeld mit parallel geführten Fluidkanälen verteilt werden können. Es wird dabei jeweils die Höhe des gegenüberliegenden Fluidkanals beschnitten, damit eine Querverbindung realisiert werden kann. Eine besondere Problematik stellt jedoch eine zusätzlich notwendige Kühlfluidverteilung neben der Gasverteilung in den Fluidkanälen dar. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bipolarplatte anzugeben, die eine geringe Bauhöhe ausweist und dabei besonders steif ausgebildet ist und zur Verteilung von drei Fluiden besonders geeignet ist. Ebenso soll ein Brennstoffzellenstapel mit einer geringen Bauhöhe angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Bei einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Bipolarplatte zwei Teilplatten umfasst, ist in deren Verteilerbereich und/oder Sammelbereich wenigstens einer der Teilplatten eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen, positiven Stützstellen vorgesehen, wobei, abgesehen von randseitigen Stützstellen, innerhalb des Verteilerbereichs und/oder des Sammelbereichs neben jeder erhabenen, positiven Stützstelle eine gleichartige, negative Stützstelle ausgebildet ist, die für das Fluid einen Freiraum zwischen den positiven Stützstellen bildet. Es zeigt sich, dass die regelmäßige Anordnung der Stützstellen und Freiräume für eine Gleichverteilung eines durchströmenden Fluids in die Fluidkanäle der Bipolarplatte besonders günstig ist. Weiterhin ist die Abstützwirkung der Teilplatten untereinander verbessert bei gleichzeitiger Optimierung der Freiräume für das strömende Fluid. Besonders bei dünnen, hohlgeprägten metallischen Bipolarplatten bzw. Teilplatten tritt eine hervorragende Steifigkeit und Abstützung auf. Ein Druckverlust kann minimiert werden, wenn die Stützstellen gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als runde oder halbkugelige Noppen ausgebildet sind. Durch die gerundete Form kann eine sanfte Umlenkung der Strömung erfolgen. Die Noppenform stellt strömungstechnisch eine günstige Formgebung dar. Die Form ist ferner günstig für eine Prägetechnik, die bei der Herstellung dünnster und stabiler Bipolarplatten vorteilhaft ist. Durch die verbesserte Festigkeit bzw. Steifigkeit der geprägten Bipolarplatte ist kein zusätzliches Bauteil zum Abstützen der Brennstoffzellenmembran bzw. der Membran-Elektrodeneinheit notwendig.
Eine vereinfachte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Stützstellen einen länglichen, ungefähr elliptischen Querschnitt aufweisen. Durch die daraus resultierende längliche Ausprägung der Stützstellen und Freiräume ergibt sich vorteilhaft eine Strömung mit Vorzugsrichtung. Bevorzugt sind benachbarte Stützstellen unter einem variierenden Winkel so zu den Fluidkanälen angeordnet, dass das strömende Fluid eine Ablenkung in einer Vorzugsrichtung erfährt. Diese Ausgestaltung ist besonders für Fluidports an den Ecken der Bipolarplatten geeignet, da eine bessere Verteilung besonders der entferntesten Fluidkanäle erreicht werden kann. Zweckmäßigerweise sind die ellipsoiden Stützstellen eckennahen Fluidports zugeordnet.
Weisen direkt benachbarte positive und negative Stützstellen wenigstens eine durchgehende Flanke auf bilden und eine wabenartige Struktur, ergibt sich eine besonders steife, leicht zu prägende Bipolarplatte. Bei einer wabenartigen Struktur gehen die positiven und negativen Noppen direkt ineinander über. Im Extremfall, wenn kein Radius der Kanten notwendig wäre, würden die Noppen in dieser Ausgestaltung einen achteckigen Querschnitt annehmen. Vier Seiten würden in eine Schräge übergehen, die dann am anderen Ende in die jeweils benachbarte Noppe mit entgegengesetzter (negativer) Ausrichtung überginge. Die anderen vier Seiten würden an eine Schräge grenzen, die an der einen Seite in eine Ebene auf tiefem Niveau überginge und zur nächsten Noppe wieder ansteigen würde.
Eine weitere Verbesserung der Gleichverteilung ergibt sich, wenn die Stützstellen und Freiräume fluidportnah zu einem zugeordneten Fluidport einen höheren Strömungswiderstand aufweisen als fluidportfern. So können die Stützstellen in Strömungsrichtung gesehen fluidportnah mit einem größeren Durchmesser ausgebildet sein als fluidportfern. Alternativ oder zusätzlich können die Stützstellen in Strömungsrichtung gesehen fluidportnah dichter angeordnet sein als fluidportfern .
Eine Verbesserung der Gleichverteilung der Fluide kann erreicht werden, wenn die Strömung des Fluids im Verteilerbereich und/oder im Sammelbereich im Wesentlichen eine Querströmung zu den Fluidkanälen bildet. Vorteilhaft verjüngen sich der Verteilerbereich und/oder der Sammelbereich in Strömungsrichtung.
Sind der Verteilerbereich und der Sammelbereich zueinander asymmetrisch ausgebildet, ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des jeweiligen Fluids auf die Fluidkanäle . Es sind weniger Stützstellen im Verteilerbereich bzw. Sammelbereich notwenige, beispielsweise Noppen zwischen den Teilplatten und zwischen der Brennstoffzellenmembran bzw. MEA und der Bipolarplatte. Die mechanische Festigkeit ist erhöht. Weiterhin ist ein besserer Wasseraustrag aus dem Brennstoffzellenstapel möglich, beispielsweise bei Kaltstart des zugeordneten Brennstoffzellensystems . Der Verteilerbereich und der Sammelbereich sollten sowenig Fläche einnehme wie möglich, da diese meist nicht zur elektrochemisch aktiven Fläche des Brennstoffzellenstapels gehören und somit die Leistungsdichte verschlechtern.
Besonders vorteilhaft weisen der Verteilerbereich und der Sammelbereich eine unterschiedliche Größe auf.
Vorteilhaft ist dafür auch, wenn der Verteilerbereich eine geringere Fläche auf der Teilplatte einnimmt als der Sammelbereich .
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf wenigstens einer der Teilplatten eine Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, die einen Durchtritt des Fluids zwischen dem von den Teilplatten eingeschlossenen Innenraum und der jeweiligen Flachseite ermöglichen. Teilweise geschlossene Fluidführung erlaubt kompakte Bauweise und maximale Ausnutzung der Bauhöhe. Die Einleitung der Fluide vom Fluidport zum Verteilerbereich bzw. die Ableitung der Fluide aus den Fluidkanälen des Flow Field Bereichs zum Sammelbereich kann ohne Beeinflussung des Kanalquerschnitts sowie ohne Beeinträchtigung der Fluidseparation erfolgen.
Günstigerweise ist die Durchtrittsöffnung zwischen dem Fluidportbereich und dem Verteilerbereich und/oder zwischen dem Sammelbereich und dem ausgangsseitigen Fluidportbereich vorgesehen .
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens eine Fluidport von einer umlaufenden Dichtungsnut umgeben. Dadurch ist eine Realisierung durch Gestaltung umlaufender Dichtungsnuten an allen vorhandenen Fluidports mit Versatz der Nuten im Bereich der gewünschten Fluidzuleitung zwischen den beiden Teilplatten möglich. Der Versatz wird zweckmäßigerweise entsprechend den Kanaltiefen zur Gewährleistung eines minimal erforderlichen Kanalquerschnitts gewählt .
Verläuft die Dichtungsnut des Fluidports auf der einen Teilplatte wenigstens bereichsweise innerhalb der Dichtungsnut des betreffenden Fluidports auf der anderen Teilplatte, kann beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet werden, da die Dichtungsnuten auf der einen Teilplatte von der benachbarten Teilplatte abgestützt werden können und umgekehrt.
Vorteilhafterweise ist die Dichtungsnut der einen Teilplatte durch eine Stützstruktur der anderen Teilplatte abgestützt. Die mechanische Abstützung der Dichtungsnuten erfolgt günstigerweise durch eine Strukturierung der angrenzenden Teilplatte. Besonders günstig kann dies durch hohlgeprägte Strukturen erfolgen. Es kann ein günstiger Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und minimal erforderlichem Kanalquerschnitt gefunden werden.
Eine zuverlässige Trennung der Fluide kann in einer Weiterbildung erreicht werden, wenn eine Schweißverbindung zum Verbinden der beiden Teilplatten sich außerhalb eines von Fluidport und Durchtrittsöffnung eingeschlossenen Bereichs befindet. Weiterhin wird eine umlaufende Dichtungsnut nicht beeinträchtigt .
Zweckmäßigerweise ist die Schweißverbindung angrenzend an die Durchtrittsöffnung zum Inneren der Teilplatten hin angeordnet. Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von Brennstoffzellen, welche jeweils durch Bipolarplatten getrennt sind, weist wenigstens eine Bipolarplatte mit einem oder mehreren der vorstehen beschriebenen Merkmale auf.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf darauf beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
Fig. 1 a, b; in Draufsicht Ausschnitte aus einer ersten
Teilplatte einer bevorzugten Bipolarplatte (a) und aus einer zweiten, der ersten Teilplatte zugeordneten Teilplatte (b) , Fig. 2 a, b; , in transparenter Darstellung in Draufsicht einen Ausschnitt aus eine bevorzugte Bipolarplatte mit einer ersten und zweiten Teilplatte (a) und ein
Detail einer Fluidzuführung eines mittleren
Fluidports, Fig. 3 eine bevorzugte alternative Ausbildung von
Stützstellen in einem Verteilerbereich, Fig. 4 schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung von
Verteilerbereich und Sammelbereich, Fig. 5 einen seitlichen Schnitt durch eine bevorzugte
Bipolarplatte im Bereich zwischen Fluidportbereich und Verteilerbereich, und Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teilschnitts des
Bereichs aus Figur 5. In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Bei einer größeren Mehrzahl von gleichartigen Elementen sind der Übersichtlichkeit wegen nur einzelne der gleichartigen Elemente bezeichnet.
Aus den Figuren Ia und Ib sind ausschnittsweise zwei Teilplatten 11 und 12 ersichtlich, die zusammengesetzt eine bevorzugte Bipolarplatte 10 für einen Brennstoffzellenstapel bilden. Die Bipolarplatte 10 dient in bekannter Weise als Separatorplatte zwischen einzelnen Brennstoffzellen. Sie trennt dabei Fluidräume der benachbarten Brennstoffzellen und dient der mechanischen Abstützung der ionenleitenden Brennstoffzellenmembran, die vorzugsweise aus einem Polymer gebildet ist. Nach einer üblichen Ausgestaltung ist die Brennstoffzellenmembran in eine so genannte Membran- Elektrodeneinheit (MEA) integriert.
Die bevorzugte Bipolarplatte 10 mit der ersten, anodenseitigen Teilplatte 11 und der zweiten, kathodenseitigen Teilplatte 12, weist an der Teilplatte 11 eine obere Flachseite 30 und an der Teilplatte 12 eine untere außen liegenden Flachseite 31 auf. Die Teilplatten 11, 12 schließen einen Innenraum 13 ein (Figur 5) . Randseitig ist ein eingangseitiger Fluidportbereich 55 der Bipolarplatte 10 mit drei Fluidports 14, 14', 14'' angeordnet, über den über jeden Fluidport 14, 14', 14" ein Fluid zuleitbar ist, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff und ein Kühlmittel. Zu auf der Flachseite 30 der anodenseitigen Teilplatte 11 und auf der Flachseite 31 der kathodenseitigen Teilplatte 12 angeordneten Fluidkanälen 34, 34'', dem jeweiligen so genannten Flow Field Bereich, sind die entsprechenden anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Fluide zuleitbar, während das Kühlfluid vorzugsweise zwischen den Teilplatten 11, 12 strömt. Ein ausgangsseitiger Fluidportbereich 56 der Bipolarplatte (Figur 4) leitet die Fluide aus bzw. von der Bipolarplatte 10 weg, die dann beispielsweise auch Produktwasser aus der Brennstoffzellenreaktion mit sich führen können .
Seitlich sind Kontakte 31, 37" angeordnet, an denen beispielsweise elektrische Spannung an der Bipolarplatte 10 abgegriffen werden kann.
Zwischen dem Fluidportbereich 55 und den Fluidkanälen 34 , 34'' ist ein Verteilerbereich 29 vorgesehen, über den das Fluid zu seinen zugeordneten Fluidkanälen 34, 34'' verteilbar ist. Zwischen dem ausgangsseitigen Fluidportbereich 56 und den Fluidkanälen 34 ist ein entsprechender Saπunelbereich 50 angeordnet (Figur 4), welcher das aus dem Fluidkanälen austretende Fluid sammelt und dem entsprechenden ausgangsseitigen Fluidpσrt zuleitet. Die Strömung des Fluids im Verteilerbereich 29 und/oder im Sammelbereich 50 bildet vorzugsweise im Wesentlichen eine Querströmung zu den Fluidkanälen 34.
Vom eckseitigen Fluidport 14 wird das entsprechende Fluid zunächst zwischen den Teilplatten 11, 12 zu einer Durchtrittsöffnung 16 geleitet, durch die das Fluid auf die Flachseite 30 gelangt und über den Verteilerbereich 29 gleichmäßig in die zugeordneten Fluidkanäle 34 verteilt wird. Die Durchtrittsöffnung 16 ist entlang ihrer Breite mit Stegen 27 stabilisiert und in einer Flanke einer Erhebung 23 angeordnet. Stromauf der Fluidkanäle liegt vor der Durchtrittsöffnung 16 eine Erhebung 36. In der Teilplatte 12 ist stromab der Durchtrittsöffnung 16 eine Brücke 23'' vorgesehen, die in der Flachseite 31 der Teilplatte 12 eine Erhebung bildet. Stromab der Durchtrittsöffnung 16 vor dem Verteilerbereich 29 ist eine Schweißverbindung 15 vorgesehen, welche die beiden Teilplatten 11, 12 miteinander verbindet. Stützstellen 20, die bevorzugt noppenartig ausgebildet und im zusammengesetzten Zustand der Bipolarplatte 10 nach innen gerichtet sind, die in der Teilplatte 11 Vertiefungen bilden, stützen die Erhebung 23 auf der unteren Teilplatte 12 ab. Die Fluidports 14, 14', 14'' sind von einer umlaufenden Dichtungsnut 25 (Teilplatte 11) und einer teilweise versetzt dazu verlaufende Dichtungsnut 26 (Teilplatte 12) umgeben. Weitere Details hierzu sind in den Figuren 5 und 6 ausführlicher beschrieben.
Vom mittleren Fluidport 14' aus gesehen vor den Fluidkanälen 34 ist eine Erhebung 35 auf der Teilplatte 11 und eine brückenartige Erhebung 35' ' auf der Teilplatte 12 ausgebildet. Auf der Teilplatte 12 ist am Port 14' direkt angrenzend ein erhabener Rand 38 ausgebildet. Auch hier sind Stützstellen 20'' zum Abstützen der Erhebung 35 an der Teilplatte 11 vorgesehen. Vom Fluidport 14' aus gesehen wird das Fluid, vorzugsweise Kühlmittel, zwischen den Teilplatten 11 und 12 der Bipolarplatte 10 verteilt.
Vom eckseitigen Fluidport 14'' wird das entsprechende Fluid zunächst zwischen den Teilplatten 11, 12 zu einer Durchtrittsöffnung 16' ' geleitet, durch die das Fluid auf die Flachseite 31 der Teilplatte 12 gelangt und über den Verteilerbereich 29'' gleichmäßig in die zugeordneten Fluidkanäle 34'' verteilt wird. Die Durchtrittsöffnung 16'' ist entlang ihrer Breite mit Stegen 27'' stabilisiert und in einer Flanke einer Erhebung 36'' angeordnet. In der Teilplatte 11 ist stromauf der Durchtrittsöffnung 16'' eine Brücke 36, die eine Erhebung in der Flachseite 30 bildet, vorgesehen. Am Fluidport 14'' ist auf der Teilplatte 11 eine Erhebung 40 mit nach innen gerichteten Stützstellen 20 angeordnet. Weitere Stützstellen 20'', die in der Teilplatte 12 nach innen gerichtete Vertiefungen bilden, stützen die Erhebung 36'' auf der oberen Teilplatte 11 ab.
Im Verteilerbereich 29 der Teilplatte 11 ist eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen, positiven Stützstellen 41 vorgesehen, wobei, natürlich abgesehen von randseitigen Stützstellen 41, innerhalb des Verteilerbereichs 29 neben jeder erhabenen, positiven Stützstelle 41 eine gleichartige, negative Stützstelle 42 ausgebildet ist, die für das Fluid einen Freiraum zwischen den positiven Stützstellen 41 bildet. Eine vergleichbare Anordnung ist zweckmäßigerweise im Sammelbereich 50 vorgesehen. Die Teilplatte 12 weist eine entsprechende Struktur im Verteilerbereich 29' ' mit erhabenen, positiven Stützstellen 43 und negativen Stützstellen 44 auf.
Die Stützstellen 41, 43 und 42, 44 sind als runde oder halbkugelige Noppen ausgebildet. Durch die gleichmäßige Verteilung von positiven und negativen Stützstellen 41, 43 und 42, 44, die einerseits zur mechanischen Abstützung und andererseits als Freiraum für das strömende Fluid dienen, kann die Fluidverteilung optimiert werden, so dass die Fluidkanäle 34 bzw. 34'' gleichmäßig mit Fluid versorgt werden. Weiterhin wird der Druckverlust durch die sanften Umlenkungen der strömungstechnisch günstigen Rundungen vermindert. Die Stützstellen 41, 43 und 42, 44 sind auch fertigungsfreundliche Strukturen für ein bevorzugtes Prägen der Teilplatten 11, 12.
Die Figuren 2a und 2b zeigen eine transparente Ansicht der Bipolarplatte 10, bei der Strukturen auf und zwischen den Teilplatten 11, 12 in Durchsicht erkennbar sind. Zur Veranschaulichung der Fluidführung des Kühlmittels zwischen den Teilplatten 11, 12 ist als Detail der Fluidport 14' hervorgehoben (Figur 2b) mit einer zwischen dem erhabenen Rand 38 und der Erhebung 35 angeordneten Mediendurchführung 45 im Innern der Bipolarplatte 10. Die räumliche Zuordnung der verschiedenen Strukturen zwischen Fluidports 14, 14' , 14'' und Fluidkanälen 34 ist hier deutlicher zu erkennen. Deren Beschreibung im Einzelnen ist den vorangehenden Figurenbeschreibungen zu entnehmen.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Ausgestaltung von Strukturen zur Fluidverteilung zwischen einem Fluidport 14 und Fluidkanälen 34 beispielhaft für den Verteilerbereich 29 der Teilplatte 11. Die Stützstellen 46 bzw. 47 weisen einen länglichen, etwa elliptischen Querschnitt auf, wobei zwischen zwei quer zu den Fluidkanälen 34 ausgerichteten, erhabenen Stützstellen 47 die längliche, eine Vertiefung bildende γ Stützstelle 46 senkrecht zu diesen verläuft und die beiden Stützstellen 47 miteinander verbindet. Die Stützstellen 46 bilden Leitstege für das Fluid. Die paarweise angeordneten Stützstellen 47 mit den verbindenden Stützstellen 46 sind auf gleicher Höhe bezogen auf die Fluidkanäle 34 der Bipolarplatte 10 in gleichmäßigem Abstand nebeneinander von einer Kante der Bipolarplatte 10 zur gegenüberliegenden Kante angeordnet.
An die den Fluidkanälen 34 zugewandte Stützstelle 47 schließt sich noch eine runde, als Vertiefung ausgebildete Stützstelle
Zusätzlich ist eine Variante der Anordnung der Leitstege 46' durch Balken angedeutet. Die Leitstege 46' von aufeinander folgenden Stützstellenpaare 47 sind unter einem variierenden Winkel so zu den Fluidkanälen angeordnet sind, dass das strömende Fluid eine Ablenkung in einer Vorzugsrichtung erfährt. Die ellipsoiden Stützstellen 46, 47 sind bevorzugt eckennahen Fluidports 14, 14'' zugeordnet.
Figur 4 zeigt in Draufsicht auf eine bevorzugte Bipolarplatte 10 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der Verteilerbereich 29 und der Sammelbereich 50 der Bipolarplatte 10 zueinander asymmetrisch ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise sind beide Teilplatten 11, 12 so ausgestaltet.
Die Bipolarplatte 10 weist randseitig an zwei sich gegenüberliegenden Rändern je einen mit durchbrochenen Linien angedeuteten Fluidportbereich 55 bzw. 56 auf. Ein Fluidport 14 ist im Fluidportbereich 55 mit durchbrochener Linie angedeutet. Zwischen den Fluidportbereichen 55, 56 erstreckt sich auf einer Flachseite 30 der Teilplatte 11 der Bipolarplatte 10 ein so genanntes Flow Field mit parallelen Fluidkanälen 34, die parallel zu Kanten 59, 60 der Bipolarplatte 10 ausgerichtet sind, und durch die homogen verteilt ein Fluid strömt. Zwischen den Fluidportbereichen 55, 56 und den Fluidkanälen 34 ist jeweils ein sich zwischen den zwei Kanten 59, 60 der Bipolarplatte 10 erstreckendes Segment 57 bzw. 58 angeordnet, in dem der Verteilerbereich 29 im Segment 57 und der Sammelbereich 50 im Segment 58 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile im Fluidportbereich 55, 56 angedeutet.
Der Verteilerbereich 29 ist unsymmetrisch zu dem Sammelbereich 50 ausgebildet. Der Verteilerbereich 29 nimmt eine kleinere Fläche auf der Flachseite 30 ein als der Sammelbereich 50, der sich in Strömungsrichtung verjüngt. Beide sind innerhalb ihrer Segmente 57, 58 mit einer Kante 51 bzw. 52 scharf umgrenzt. Dazu sind in dem Verteilerbereich 29 und dem Samirielbereich 50 strömungsleitende Strukturen angeordnet, welche die Strömung des Fluids in diesen Bereichen entsprechend führen. Der Verteilerbereich 29 und der Sairunelbereich 50 weisen an ihrer jeweiligen Kante 51, 52 einen Verlauf auf. Dabei hat der Verteilerbereich 29 annähernd eine Dreieckfläche, während der Sammelbereich 50 das Segment 58 fast ausfüllt und nur an einer Seite, die an dieselbe Kante 60 grenzt wie der Fluidport 14, durch den das Fluid zur Bipolarplatte 10 gelangt, eine leichte Verrundung zeigt. Wird das Fluid im entsprechenden Verteilerbereich 29 mit einer Querströmung zu den Fluidkanälen 34 geleitet, ist die Verjüngung des Querschnitts des Verteilerbereichs deutlich zu erkennen. Weiterhin ist eine Breite 53 des Verteilerbereichs 29 entlang der Kanten 59, 60 geringer als eine Breite 54 des Sammelbereichs 50. Generell wird angestrebt, die Breite 53, 54 von Verteilerbereich 29 und Sammelbereich 50 möglichst zu minimieren.
Zur Veranschaulichung einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zeigt Figur 5 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10. Jeweils eine einer Mehrzahl solcher Bipolarplatten 10 trennt in einem zeichnerisch nicht ausgeführten bevorzugten Brennstoffzellenstapel jeweils zwei Membran- Elektrodeneinheiten (MEA) voneinander und bilden gleichzeitig eine mechanische Stabilisierung der MEAs und des Brennstoffzellenstapels insgesamt. Die Bipolarplatte 10 besteht aus wenigstens einer ersten, kathodenseitigen Teilplatte 11 und einer zweiten, anodenseitigen Teilplatte 12, die mit ihren Flachseiten 30, 31 parallel zueinander angeordnet sind. In die Teilplatten 11, 12, die jeweils vorzugsweise aus einer dünnen Metallplatte bestehen, sind verschiedene Strukturen eingeprägt. Bevorzugt sind die Teilplatten 11, 12 dünne, hohlgeprägte Metallplatten. Es sind Erhebungen und Vertiefungen in der Teilplatte 11 und Erhebungen und Vertiefungen in der Teilplatte 12 eingeprägt.
Die Teilplatte 11 weist die obere, außen liegende Flachseite 30 und die Teilplatte 12 die untere, außen liegende Flachseite 31 auf. Die Teilplatten 11, 12 schließen einen Innenraum 13 ein. Weiterhin ist randseitig wenigstens ein Fluidport 14 angeordnet, über den ein Fluid zu auf wenigstens einer der Flachseiten 30, 31 angeordneten Fluidkanälen leitbar ist. Zur jeweiligen Teilplatte 11, 12 hin weist der Fluidport 14 einen Wulst 21 bzw. 23' auf.
Ein erster Fluidpfadabschnitt 17 des Fluids verläuft von dem Fluidport 14 zwischen den Teilplatten 11 und 12 zu einer Durchtrittsöffnung 16 der Teilplatte 11, durch welche das Fluid auf die außen liegende Flachseite 30 der Teilplatte 11 austritt und über einen angrenzenden zweiten
Fluidpfadabschnitt 18 auf der Flachseite 30 der betreffenden Teilplatte 11 verläuft. Das durch Pfeile angedeutete Fluid strömt von dort in an der Flachseite 30 in Strömungsrichtung befindliche, zeichnerisch nicht ausgeführte Fluidkanäle des Flow Field Bereichs. Auf der Teilplatte 12 ist eine entsprechende Anordnung mit Durchtrittsöffnung zweckmäßigerweise versetzt zur Anordnung der Teilplatte 11 angeordnet .
Die Durchtrittsöffnung 16 ist beispielhaft stromauf eines Verteilerbereichs 29 angeordnet, über den das Fluid den Fluidkanälen zuführbar ist und so verteilt wird, dass die Fluidkanäle homogen mit dem Fluid beaufschlagt werden und eine gleichmäßige Verteilung des Fluids in den Fluidkanälen auf der Flachseite 30 der Teilplatte 11 erfolgen kann. Zweckmäßigerweise kann der Durchtrittsbereich 16 auch in einem Sartimelbereich angeordnet sein, aus dem das Fluid aus den Fluidkanälen abführbar ist. Der Sammelbereich ist zweckmäßigerweise entsprechend ausgebildet, um eine homogene Verteilung des Fluids in den Fluidkanälen zu gewährleisten.
Der Fluidport 14 ist auf der oberen Teilplatte 11 von einer umlaufenden Dichtungsnut 25 und auf der unteren Teilplatte 12 von einer umlaufenden Dichtungsnut 26 umgeben. Die Dichtungsnut 25 des Fluidports 14 auf der einen Teilplatte 11 umschließt eine kleinere Fläche und verläuft bereichsweise innerhalb der Dichtungsnut 26 des betreffenden Fluidports 14 auf der anderen Teilplatte 12, so dass ein Versatz der beiden Dichtungsnuten 25, 26 gegeneinander besteht, der sich zweckmäßigerweise nach einer Kanaltiefe 33 zwischen den Teilplatten 11, 12 richtet, um einen minimal erforderlichen Kanalquerschnitt zu gewährleisten.
Die Dichtungsnut 25 der einen Teilplatte 11 ist durch eine Stützstelle 20'' der anderen Teilplatte 12 abgestützt, während die Dichtungsnut 26 der anderen Teilplatte 12 durch eine Stützstelle 20 der Teilplatte 11 abgestützt ist. Die Stützstrukturen 20, 20'' sind in die jeweilige Teilplatte 12, 11 eingeprägt und ragen ins Innere 13 der Bipolarplatte 10.
Eine Schweißverbindung 15, mittels derer die beiden Teilplatten 11, 12 fest miteinander verbunden sind und mittels derer verschiedene Fluide in oder auf der Bipolarplatte 10 strömungsmäßig voneinander sicher getrennt werden können, befindet sich außerhalb eines von Fluidport 14 und Durchtrittsöffnung 16 eingeschlossenen Bereichs 32 und grenzt an die Durchtrittsöffnung 16 zum Innenraum 13 der Teilplatten 11, 12 hin an.
Figur 6 illustriert eine Draufsicht auf ein Detail der Bipolarplatte 10 aus Figur 5. Zur Beschreibung gleicher, nicht erläuterter Elemente wird zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die Beschreibung der Figuren Ia, Ib verwiesen. Erkennbar ist der Fluidport 14, der von einer eine Vertiefung bildenden Dichtungsnut 25 in der Teilplatte 11 umgeben ist. Die Durchtrittsöffnung 16 ist in einer Flanke einer Erhebung 23 angeordnet und weist zur Stabilisierung Stege 21 auf. Erkennbart sind auch Stützstrukturen 20, die als in den Innenraum 13 ragende Vertiefungen in die Teilplatte 11 eingeprägt sind und die untere Teilplatte 12 im Bereich ihrer hier nicht erkennbaren Dichtungsnut 26 (Figur Ia, Ib) abstützen. Weiterhin ist ein Verteilerbereich 29 zu erkennen mit positiven und negativen Noppen 41, 42 die für eine gezielte Verteilung des Fluids in die nicht dargestellten, an den Verteilerbereich 29 anschließenden Fluidkanäle des Flow Fields sorgen.

Claims

Patentansprüche
1. Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus wenigstens einer ersten, kathodenseitigen und einer zweiten, anodenseitigen Teilplatte (11, 12) , die parallel zueinander angeordneten sind, mit einer oberen und unteren außen liegenden Flachseite (30, 31), sowie einem durch die Teilplatten (11, 12) eingeschlossenen Innenraum (13) / mit einem randseitig angeordneten Fluidportbereich (55) mit wenigstens einem Fluidport (14, 14', 14' '), über den ein Fluid zu auf wenigstens einer der Flachseiten (30, 31) angeordneten Fluidkanälen (34, 34") leitbar ist, und wobei zwischen dem Fluidportbereich (55) und den Fluidkanälen (34) ein Verteilerbereich (29, 29") vorgesehen ist, über den das Fluid zu seinen zugeordneten Fluidkanälen verteilbar ist sowie einem Sammelbereich (50) über den das Fluid aus den Fluidkanälen (34, 34") zu einem weiteren Fluidportbereich (56) wegleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Verteilerbereich (29, 29") und/oder im Sammelbereich (50) wenigstens einer der Teilplatten (11, 12) eine gleichmäßige Anordnung von erhabenen, positiven Stützstellen (41, 43) vorgesehen ist, wobei, abgesehen von randseitigen Stützstellen (41, 43) , innerhalb des Verteilerbereichs (29, 29") und/oder des Sammelbereichs (50) neben jeder erhabenen, positiven Stützstelle (41, 43) eine gleichartige, negative Stützstelle (42, 44) ausgebildet ist, die für das Fluid einen Freiraum zwischen den positiven Stützstellen (41, 43) bildet.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) als runde oder halbkugelige Noppen ausgebildet sind.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) einen ellipsoiden Querschnitt aufweisen.
4. Bipolarplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Stützstellen (41, 43; 42, 44) unter einem variierenden Winkel so zu den Fluidkanälen angeordnet sind, dass das strömende Fluid eine Ablenkung in einer Vorzugsriehtung erfährt.
5. Bipolarplatte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsoiden Stützstellen (41, 43; 42, 44) eckennahen Fluidports (14, 14'') zugeordnet sind.
6. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt benachbarte positive und negative Stützstellen (41, 43; 42, 44) wenigstens eine durchgehende Flanke aufweisen und eine wabenartige Struktur bilden.
7. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) und Freiräume fluidportnah zu einem zugeordneten Fluidport (14, 14', 14' ') einen höheren Strömungswiderstand aufweisen als fluidportfern .
8. Bipolarplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) in
Strömungsrichtung gesehen fluidportnah mit einem größeren Durchmesser ausgebildet sind als fluidportfern.
9. Bipolarplatte nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstellen (41, 43; 42, 44) in
Strömungsrichtung gesehen fluidportnah dichter angeordnet sind als fluidportfern.
10. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Fluids im Verteilerbereich (29, 29'') und/oder im Sammelbereich (50) im Wesentlichen eine Querströmung zu den Fluidkanälen (34, 34'') bildet.
11. Bipolarplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') und/oder der Sammelbereich (50) sich in Strömungsrichtung verjüngen.
12. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') und der Sammelbereich (50) zueinander asymmetrisch ausgebildet sind.
13. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') und der Sammelbereich (50) eine unterschiedliche Größe aufweisen.
14. Bipolarplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (29, 29'') eine geringere Fläche auf der Teilplatte (11, 12) einnimmt als der Sammelbereich (50) .
15. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer der Teilplatten (11, 12) eine Durchtrittsöffnung (16, 16'') vorgesehen ist, die einen Durchtritt des Fluids zwischen dem von den Teilplatten (11, 12) eingeschlossenen Innenraum (13) und der jeweiligen Flachseite (30, 31) ermöglichen.
16. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (16, 16'') zwischen dem Fluidportbereich (55) und dem Verteilerbereich (29, 29") und/oder zwischen dem Sammelbereich (50) und dem ausgangsseitigen Fluidportbereich (56) vorgesehen ist.
17. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Fluidport (14, 14' , 14'') von einer umlaufenden Dichtungsnut (25, 26) umgeben ist.
18. Bipolarplatte nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsnut (25) des Fluidports (14, 14f, 14") auf der einen Teilplatte (11) wenigstens bereichsweise innerhalb der Dichtungsnut (26) des betreffenden Fluidports (14, 14', 14") auf der anderen Teilplatte (12) verläuft.
19. Bipolarplatte nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsnut (25; 26) der einen Teilplatte (11) durch eine Stützstruktur (20; 20") der anderen Teilplatte (12) abgestützt ist.
20. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißverbindung (15) zum Verbinden der beiden Teilplatten (11, 12) sich außerhalb eines von Fluidport (14, 14', 14") und Durchtrittsöffnung (16, 16") eingeschlossenen Bereichs (32) befindet.
21. Bipolarplatte nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung (15) angrenzend an die Durchtrittsöffnung (16, 16") zu den Fluidkanälen (34, 34") der Teilplatten (11, 12) hin angeordnet ist.
22. Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von Brennstoffzellen, welche jeweils durch 'Bipolarplatten
(10) getrennt sind, die nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
PCT/DE2006/002134 2005-11-30 2006-11-30 Bipolarplatte und brennstoffzelleneinheit WO2007062639A2 (de)

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