WO2015150524A1 - Bipolar plate, fuel cell, and motor vehicle - Google Patents

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WO2015150524A1
WO2015150524A1 PCT/EP2015/057325 EP2015057325W WO2015150524A1 WO 2015150524 A1 WO2015150524 A1 WO 2015150524A1 EP 2015057325 W EP2015057325 W EP 2015057325W WO 2015150524 A1 WO2015150524 A1 WO 2015150524A1
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recesses
plates
bipolar plate
fuel cell
flow
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PCT/EP2015/057325
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Benno Andreas-Schott
Markus Ritter
Christian Martin ZILLICH
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Volkswagen Ag
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, a fuel cell and a motor vehicle.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as a core component the so-called membrane-electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode disposed on both sides of the membrane (anode and cathode).
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • an electrochemical oxidation takes place with emission of electrons
  • Via the membrane which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment.
  • the electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
  • the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen takes place with absorption of the electrons
  • these oxygen anions react with the protons transported through the membrane to form water.
  • the cathode reaction represents u. a. due to the lower compared to hydrogen diffusion rate of oxygen is the rate-limiting element of the fuel cell reaction.
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane-electrode arrangements whose electrical powers add up.
  • bipolar plates are arranged, which has channels for supplying the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and cooling channels for dissipating heat.
  • Bipolar plates are made of an electrically conductive material to make the electrical connection. They thus have the triple function of Process gas supply to the membrane electrode assemblies, the cooling and the electrical connection.
  • Bipolar plates have different areas in a main flow direction
  • the main channels or fluid ports via which the reactants and / or the coolant are supplied. This is followed by an inflow region, which leads to a distribution structure.
  • the distribution structure distributes the fluids, which are then fed to a flow field where the chemical reactions take place.
  • WO 2008024400 A1 discloses a metallic bipolar plate which, however, has a considerable pressure loss in the distribution structure. Although the flow field is already experiencing a high pressure drop, here the distribution structure accounts for about 80% of the bipolar plate pressure drop.
  • DE 101 63 631 A1 discloses a bipolar plate for a fuel cell with a
  • Distribution structure of several adjacent rows in a row arranged elongated webs Distribution structure of several adjacent rows in a row arranged elongated webs.
  • the invention is based on the object to reduce the pressure loss of a bipolar plate.
  • the bipolar plate according to the invention designed for use in fuel cells, comprises a structure of two plates arranged with one another. In this case, each of the two plates in the
  • the distributor structure which may also be referred to as a collector downstream of the flow field, is preferably arranged directly on or next to the flow field.
  • the pressure loss is significantly reduced by improving the hydraulic diameter of the flow cross sections.
  • the length and width ratio of the formed channel cross sections can now tend to the ideal ratio of 1: 1.
  • the uniform distribution in the flow field is significantly improved, since now the flow field and not the distribution area causes the largest part of the pressure loss.
  • the invention also ensures a support or clamping of the membrane electrode assembly with the bipolar plate in the distribution area.
  • plates are thus used for the construction of the bipolar plate, which have no channel-like, continuous recesses as in the prior art, but partially overlapping, periodic structures with recesses.
  • recess is understood to mean a bulge or embossing of an otherwise flat plate which has a continuous circumferential contour with respect to the flat background of the plate.
  • the recesses allow not only the longitudinal main flow but also a transversely or perpendicularly extending transverse or secondary flow, which the
  • the recesses are preferably rounded cross or rhombic structures.
  • Rounded or rounded cross or rhombic structures are particularly suitable for generating the coordinated longitudinal and transverse flow of the coolant.
  • the pressure loss of the coolant and the reactants in the longitudinal and transverse directions can be influenced by the length, width and the intersection of the recesses or stampings.
  • the discharge of water, critical for a frost start, is favored by the rounded structures.
  • the rounding consists of rounding sharp corners and / or forming straight side regions of the structures concave, that is, inwards into the structure.
  • an oval shape or ellipse is suitable, wherein an oval or round shape represents a maximum rounded structure or contour.
  • such forms can become a recess or structure be combined. This can be realized for example by two orthogonal and penetrating ellipse shapes.
  • the recesses of the two plates are in edge regions and / or in corner regions of the recesses
  • the recesses can be made identical on both plates.
  • the recesses of the two plates can be arranged offset by half a recess, for example, a half width or length. A smaller offset is also possible, which is then unbalanced.
  • the recesses may have a height between half the height and the total height of the structure. This optimizes flow and minimizes pressure loss as the height of the channel is maximized.
  • the wall thicknesses or thicknesses of the plates of the plates or the plates can be disregarded.
  • a recess may have half the height or the full height of the total flow volume. The full height will be in the area
  • the recesses are embossed in the plates.
  • a deep drawing process can also be used.
  • the provision of the two plates to a bipolar plate is preferably carried out by welding the two plates. This is preferably done in the form of continuous welds, whereby a seal of the coolant channels formed by the recesses is obtained.
  • a particularly suitable welding process is the laser welding.
  • the recesses partially overlap along the main flow direction and along a transverse flow direction.
  • the Oberschneidung in two preferably mutually perpendicular directions simultaneously optimizes the longitudinal and transverse flow.
  • the invention further relates to a fuel cell comprising a stack of a plurality of previously described bipolar plates and a plurality of membrane-electrode assemblies, the bipolar plates and the membrane-electrode assemblies
  • the membrane electrode units rest on the recesses.
  • the recesses thus act - as well as their function for coolant channel formation - as
  • the passage of the anode and / or the cathode operating medium flow takes place parallel to the coolant flow within the channels formed by the recesses.
  • the main flow directions or the longitudinal flows are parallel or substantially parallel. This can be done in cocurrent or countercurrent.
  • the fuel cell can be used for mobile or stationary applications. In particular, it serves to supply power to an electric motor for driving a vehicle.
  • another aspect of the invention relates to a vehicle having a fuel cell as described above. The advantages and modifications described above apply.
  • FIG. 1 shows a plan view of a schematized bipolar plate according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a detail of the distribution structure »
  • Figure 3 is a schematic representation of a detail of the distribution structure with hidden
  • FIG. 4 shows a sectional view along section A-A according to FIG. 1
  • FIG. 5 shows a sectional view along section B-B according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a detail of a rounded distribution structure
  • 7 shows a schematic representation of a detail of the rounded distribution structure with hidden edges of the underlying plate
  • FIG. 8 shows a perspective view of the bipolar plate according to the invention
  • FIG. 9 shows a perspective view of a section of the bipolar plate from FIG. 8, FIG.
  • the bipolar plate 10 usually has a rectangular extent, wherein the longitudinal direction in a
  • Main flow direction X runs and the transverse side parallel to a direction Y of
  • Cathode main gas channel 14 and a coolant main gas channel 16 are located. Above the channels 12, 14 and 16, the respective fluids of the bipolar plate 10 are supplied. Further downstream is the distribution area or manifold structure 18, which will be described in more detail below.
  • the flow field 20 of the bipolar plate 10 adjoins the distributor structure 18. Between the channels 12, 14 and 16 and the distributor structure 18, one or more inflow regions 22 are provided, via which the respective fluid passes from the corresponding channel into the distributor structure.
  • the distributor structure 18 has the task of distributing the fluids from the width of the associated channel in the Y direction to the entire width of the flow field 20, in order to enable surface-wide chemical reactions or cooling. For this purpose, a plurality of recesses 24 are arranged in the distributor structure 18.
  • the recesses 24 are formed in a periodic structure 26.
  • the recesses 24 have a diamond-shaped structure, with the diamonds being arranged with their longitudinal axis parallel to the main flow direction X.
  • the recesses 24 are arranged relatively close to each other, so that a plurality of recesses 24 are provided in the distributor structure 18.
  • the distance between two recesses 24 corresponds approximately to 3 to 7 times, preferably 5 times, an outer edge or side of the recess 24.
  • the recesses 24 are also offset such that the distances between the recesses 24 are approximately equal are.
  • the recesses 24 may be arranged in rows, wherein the rows are each offset by the dimension of half a recess 24 to each other.
  • the rows may be formed in the longitudinal flow direction X and / or in the transverse flow direction Y.
  • the periodic structure 26 of FIG. 2 is extended by a further periodic structure 26, which is arranged below the periodic structure 26 shown in FIG.
  • recesses 24a of a first plate corresponding to the recesses 24 of FIG. 2 are shown in full.
  • Recesses 24b of an underlying second plate are shown hatched. As can be seen, the two plates are offset from each other so that the recesses 24a of the first plate and the recesses 24b of the second plate partially overlap. Since the recesses 24a and 24b are formed symmetrically, a symmetrical overlapping structure results.
  • each diamond-shaped recess 24 has four
  • the two recesses 24a and 24b lie one above the other, so that here a relatively high flow cross-section is formed.
  • Figure 4 shows the sectional view of the bipolar plate 10 along the line AA in Figure 1.
  • the first plate 32 and the second plate 34 form a cooling channel or
  • Coolant flow region 36 in the example of the coolant flow 38 in
  • Main flow direction X is shown. As can be seen, the two plates 32 and 34 are arranged to each other such that the recesses 24a and 24b are arranged facing away from each other. In other words, the two plates 32 and 34 are with their
  • Coolant flow region 36 is designated.
  • the structure of the first plate 32 and the associated second plate 34 has a total height H.
  • the height of a recess 24, calculated from an inner side of the plate to an outer side of the plate in the areas of the recess 24 is h, wherein the height of the recess h corresponds to half the height H of the structure.
  • Manifold 18 a high height h for the coolant flow area 36, which leads to a favorable hydraulic cross section and thus low pressure drop. Also, the flow volumes or channels for the reactants have a height that corresponds to half the total height H. These flow areas are formed on the outer sides of the two plates 32 and 34 between the recesses 24, respectively. There is then in a stack of a complete Brennstoffelleelle a membrane-electrode assembly on the recesses 24.
  • FIG. 5 shows a cross section according to the line BB in FIG. 1 of the bipolar plate 10. Analogous to FIG. 4, here too the first plate 32 and the second plate 34 are shown, which with their respective recesses 24a and 24b one between the two plates
  • Coolant in the coolant flow area 36 is also shown. While the flow profile in the longitudinal direction X is shown in FIG. 4, the flow profile in the transverse direction Y or the transverse component of the coolant flow is shown here in FIG.
  • the coolant path 38 thus has a longitudinal component as well as a transverse component in a continuous flow space which is interrupted by the support regions 30.
  • Flow region or coolant channel 36 has due to the large height h and the formation and the arrangement of the recesses 24 has a favorable hydraulic diameter.
  • FIGS. 6 and 7 a periodic structure 26 of the recesses 24 is shown analogously to FIGS. 2 and 3. While in Figures 2 and 3, the recesses 24 have the shape or contour of a rhombus, the recesses 24 are formed in Figure 6 and 7 as a rounded cross pattern. This embodiment can also be used as a rounded cross or
  • Diamond structure are called. As shown in Figure 8, the side surfaces of the recesses 24 are now concave, so curved inward. As a result, the cathode and / or anode course takes a wave-shaped or meandering course, which is the
  • Recess 24b is formed.
  • Figure 9 shows a perspective view of the bipolar plate 10.
  • the top of Figure 1 is shown below.
  • the first one Plate 32 arranged below, while the second plate 34 is arranged at the top.
  • a plurality of recesses 24 are arranged in the distributor structure 18
  • FIG. 9 shows a detail according to section C of FIG. 8.
  • the recesses 24b are formed outwardly in the second plate 34, so that the outer walls of the recesses 24b project as protrusions from the plane of the second plate 34.
  • the recesses 24a of the first plate 32 are formed.
  • the staggered recesses 24a and 24b form the
  • Coolant flow region 36 in which the coolant flows controlled by the shape and arrangement of the recesses 24 in a favorable hydraulic diameter or cross-section in the longitudinal and transverse directions. This causes the pressure loss across the manifold structure 18 to be low.
  • a plurality of the bipolar plates 10 are stacked alternately with a membrane-electrode assembly. That is, each membrane-electrode assembly is sandwiched by two bipolar plates 10. Likewise, each bipolar plate 10 is sandwiched by two membrane-electrode assemblies.
  • Each membrane-electrode assembly may comprise a polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, namely an anode and a cathode.
  • the polymer electrolyte membrane may be a per se conductive polymer, for example, the polymer known under the trade name Nafion, or a polymer by
  • Doping with an electrolyte receives its proton conductivity.
  • An example of the latter embodiment is phosphoric acid doped polybenzimidazole (PBI).
  • the electrodes typically comprise a particulate supported catalytically active noble metal. Externally to the electrodes each includes a diffusion layer, which is a porous, gas-permeable and electrically conductive medium.
  • the catalytic layers of the electrodes may either be applied directly to the polymer electrolyte membrane or to the gas diffusion layer.
  • the plate 10 is made of an electrically conductive material, for example a metal or a carbon-based material or a composite material of such. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell, comprising a structure consisting of two plates (32, 34) joined to each other, wherein each of the two plates (32, 34) has, in the cross-section, a periodic structure having cavities (24), wherein recesses of the cavities (24) of the two plates (32, 34) are arranged pointing away from each other such that a coolant flow region (36) is formed. According to the invention the cavities (24) are formed exclusively in a distribution structure (18) of the bipolar plate (10) arranged before a flow field (20) in a main flow direction (X) and the cavities (24) of the two plates (32, 34) overlap with each other partially such that a coolant flow region (36) allowing a longitudinal and transverse flow is provided. The invention further relates to a fuel cell having such a bipolar plate (10).

Description

Beschreibung  description
Bipolarplatte, Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug. The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, a fuel cell and a motor vehicle.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet
Figure imgf000002_0004
Figure imgf000002_0003
Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet
Figure imgf000002_0001
Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische
Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane-electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode disposed on both sides of the membrane (anode and cathode). During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with emission of electrons
Figure imgf000002_0004
Figure imgf000002_0003
Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen takes place with absorption of the electrons
Figure imgf000002_0001
At the same time, in the cathode compartment, these oxygen anions react with the protons transported through the membrane to form water. Through the direct conversion of chemical into electrical
Figure imgf000002_0002
Figure imgf000002_0002
Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt u. a. aufgrund der gegenüber von Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das geschwindigkeitsiimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.  Energy fuel cells achieve compared to other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency. The cathode reaction represents u. a. due to the lower compared to hydrogen diffusion rate of oxygen is the rate-limiting element of the fuel cell reaction.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane-electrode arrangements whose electrical powers add up.
Zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen und Kühlkanäle zur Abführung von Wärme aufweist. Bipolarplatten bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf. Between two membrane electrode assemblies of a fuel cell stack, a respective bipolar plate is arranged, which has channels for supplying the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and cooling channels for dissipating heat. Bipolar plates are made of an electrically conductive material to make the electrical connection. They thus have the triple function of Process gas supply to the membrane electrode assemblies, the cooling and the electrical connection.
Bipolarplatten haben verschiedene Bereiche, die in einer Hauptströmungsrichtung Bipolar plates have different areas in a main flow direction
hintereinander angeordnet sind. Dies sind zunächst die Hauptkanäle oder Fluidports, über welche die Reaktanden und/oder das Kühlmittel zugeführt werden. Dann schließt sich ein Einströmbereich an, der zu einer Verteilstruktur überleitet. Die Verteilstruktur verteilt die Fluide, die dann einem Flussfeld zugeführt werden, wo die chemischen Reaktionen stattfinden. arranged one behind the other. These are first the main channels or fluid ports, via which the reactants and / or the coolant are supplied. This is followed by an inflow region, which leads to a distribution structure. The distribution structure distributes the fluids, which are then fed to a flow field where the chemical reactions take place.
WO 2008024400 A1 offenbart eine metallische Bipolarplatte, die jedoch in der Verteilstruktur einen erheblichen Druckverlust aufweist. Obwohl das Flussfeld bereits einen hohen Druckabfall verzeichnet, ist hier die Verteilstruktur für etwa 80% des Druckabfalls der Bipolarplatte verantwortlich. WO 2008024400 A1 discloses a metallic bipolar plate which, however, has a considerable pressure loss in the distribution structure. Although the flow field is already experiencing a high pressure drop, here the distribution structure accounts for about 80% of the bipolar plate pressure drop.
DE10 2005 057 045 A1 offenbart eine Bipolarplatte, bei welcher die Bauhöhe des DE10 2005 057 045 A1 discloses a bipolar plate in which the overall height of the
Einströmbereichs reduziert ist. Dies wird erreicht durch eine regelmäßige Anordnung von Stützstellen und gleichartigen Freiräumen, Inflow is reduced. This is achieved by a regular arrangement of support points and similar free spaces,
DE 101 63 631 A1 offenbart eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit einer DE 101 63 631 A1 discloses a bipolar plate for a fuel cell with a
Verteilerstruktur aus mehreren in benachbarten Reihen hintereinander angeordneten länglichen Stegen. Distribution structure of several adjacent rows in a row arranged elongated webs.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Druckverlust einer Bipolarplatte zu verringern. The invention is based on the object to reduce the pressure loss of a bipolar plate.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1 , Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 beziehungsweise ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a bipolar plate according to claim 1, a fuel cell according to claim 8 or a motor vehicle according to claim 10. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße, für den Einsatz in Brennstoffzellen ausgelegte Bipolarplatte umfasst ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten. Dabei weist jede der zwei Platten im The bipolar plate according to the invention, designed for use in fuel cells, comprises a structure of two plates arranged with one another. In this case, each of the two plates in the
Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen auf, wobei Vertiefungen der Ausnehmungen beider Platten einen Kühlmittelströmungsbereich bildend voneinander wegweisend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen Cross-section depending on a periodic structure with recesses, wherein recesses of the recesses of both plates forming a coolant flow area are arranged facing away from one another, characterized in that the recesses
ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung vor und/oder nach einem Flussfeld angeordneten Verteilerstruktur der Bipolarplatte ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen der beiden Platten sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender Kühlmittelströmungsbereich vorgesehen ist. Die Verteilerstruktur, die stromabwärts des Flussfeldes auch als Sammler bezeichnet werden kann, ist vorzugsweise direkt an oder neben dem Flussfeld angeordnet. are formed exclusively in a arranged in the main flow direction before and / or after a flow field distribution structure of the bipolar plate and that the recesses the two plates partially overlap, so that a longitudinal and transverse flow allowing coolant flow area is provided. The distributor structure, which may also be referred to as a collector downstream of the flow field, is preferably arranged directly on or next to the flow field.
Im Verteilbereich beziehungsweise in der Verteilerstruktur wird der Druckverlust durch die Verbesserung der hydraulischen Durchmesser der Strömungsquerschnitte deutlich reduziert. Das Längen- und Breitenverhältnis der ausgebildeten Kanalquerschnitte kann nun zum idealen Verhältnis von 1 :1 tendieren. Die Gleichverteilung im Flussfeld wird signifikant verbessert, da nun das Flussfeld und nicht der Verteilbereich den größten Anteil am Druckverlust verursacht. Die Erfindung gewährleistet zudem eine Abstützung bzw. Einspannung der Membran- Elektroden-Anordnung mit der Bipolarplatte auch im Verteilbereich. In the distribution area or in the distribution structure, the pressure loss is significantly reduced by improving the hydraulic diameter of the flow cross sections. The length and width ratio of the formed channel cross sections can now tend to the ideal ratio of 1: 1. The uniform distribution in the flow field is significantly improved, since now the flow field and not the distribution area causes the largest part of the pressure loss. The invention also ensures a support or clamping of the membrane electrode assembly with the bipolar plate in the distribution area.
Erfindungsgemäß werden somit Platten für den Aufbau der Bipolarplatte verwendet, die keine kanalartigen, durchgehenden Vertiefungen wie im Stand der Technik aufweisen, sondern sich teilweise überschneidende, periodische Strukturen mit Ausnehmungen. Dabei wird unter dem Begriff Ausnehmung eine Auswölbung oder Verprägung einer ansonsten ebenen Platte verstanden, die eine durchgehende umlaufende Kontur bezüglich des ebenen Untergrunds der Platte aufweist. Die Ausnehmungen erlauben neben der längs gerichteten Hauptströmung auch eine quer oder senkrecht dazu verlaufende Quer- oder Nebenströmung, was die According to the invention plates are thus used for the construction of the bipolar plate, which have no channel-like, continuous recesses as in the prior art, but partially overlapping, periodic structures with recesses. The term recess is understood to mean a bulge or embossing of an otherwise flat plate which has a continuous circumferential contour with respect to the flat background of the plate. The recesses allow not only the longitudinal main flow but also a transversely or perpendicularly extending transverse or secondary flow, which the
Strömungseigenschaften weiter verbessert. Durch die Quer- und Längsströmung entsteht ein verbundenes Strömungsvolumen, wobei die Ausnehmungen oder Verprägungen den Flow properties further improved. By the transverse and longitudinal flow creates a connected flow volume, the recesses or stampings the
Druckverlust steuern beziehungsweise einstellen. Control or adjust pressure loss.
Die Ausnehmungen sind vorzugsweise verrundete Kreuz- oder Rautenstrukturen. Verrundete oder abgerundete Kreuz- oder Rautenstrukturen eignen sich besonders zur Erzeugung der aufeinander abgestimmten Längs- und Querströmung des Kühlmittels. Der Druckverlust des Kühlmittels und der Reaktanden in Längs- und Querrichtung kann durch die Länge, Breite sowie die Überschneidung der Ausnehmungen beziehungsweise Verprägungen beeinflusst werden. Der Austrag von Wasser, kritisch für einen Froststart, wird durch die verrundeten Strukturen begünstigt. Je stärker die Strukturen beziehungsweise Ausnehmungen verrundet oder ausgerundet sind, desto größere Kanalquerschnitte werden gebildet. Die Verrundung besteht darin, spitze Ecken zu verrunden und/oder gerade Seitenbereiche der Strukturen konkav, also nach Innen in die Struktur hinein, auszubilden. Auch eine ovale Form oder Ellipse ist geeignet, wobei eine ovale beziehungsweise runde Form eine maximal verrundete Struktur oder Kontur darstellt. Schließlich können derartige Formen zu einer Ausnehmung oder Struktur kombiniert werden. Dies kann zum Beispiel durch zwei rechtwinklig angeordnete und sich durchdringende Ellipsenformen realisiert sein. The recesses are preferably rounded cross or rhombic structures. Rounded or rounded cross or rhombic structures are particularly suitable for generating the coordinated longitudinal and transverse flow of the coolant. The pressure loss of the coolant and the reactants in the longitudinal and transverse directions can be influenced by the length, width and the intersection of the recesses or stampings. The discharge of water, critical for a frost start, is favored by the rounded structures. The more strongly the structures or recesses are rounded or rounded, the larger channel cross sections are formed. The rounding consists of rounding sharp corners and / or forming straight side regions of the structures concave, that is, inwards into the structure. Also, an oval shape or ellipse is suitable, wherein an oval or round shape represents a maximum rounded structure or contour. Finally, such forms can become a recess or structure be combined. This can be realized for example by two orthogonal and penetrating ellipse shapes.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen der beiden Platten sich in Randbereichen und/oder in Eckbereichen der Ausnehmungen In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the recesses of the two plates are in edge regions and / or in corner regions of the recesses
überschneiden. Dazu können die Ausnehmungen auf beiden Platten identisch ausgeführt sein. Die Ausnehmungen der beiden Platten können um eine halbe Ausnehmung, zum Beispiel eine halbe Breite oder Länge, versetzt angeordnet sein. Ein geringerer Versatz ist ebenso möglich, der dann unsymmetrisch ist. overlap. For this purpose, the recesses can be made identical on both plates. The recesses of the two plates can be arranged offset by half a recess, for example, a half width or length. A smaller offset is also possible, which is then unbalanced.
Die Ausnehmungen können eine Höhe zwischen der Hälfte der Höhe und der gesamten Höhe des Gefüges aufweisen. Dies optimiert den Strömungsverlauf und minimiert den Druckverlust, da die Höhe des Kanals maximiert ist. Bei dieser Betrachtung können die Wandstärken oder Dicken der Bleche der Platten beziehungsweise der Platten unberücksichtigt sein. Anders ausgedrückt kann eine Ausnehmung die Hälfte der Höhe oder die vollständige Höhe des gesamten Strömungsvolumens haben. Die vollständige Höhe wird im Bereich sich The recesses may have a height between half the height and the total height of the structure. This optimizes flow and minimizes pressure loss as the height of the channel is maximized. In this consideration, the wall thicknesses or thicknesses of the plates of the plates or the plates can be disregarded. In other words, a recess may have half the height or the full height of the total flow volume. The full height will be in the area
überschneidender Ausnehmungen erzielt, während die Hälfte der Höhe im Bereich einzelner Ausnehmungen vorliegt. overlapping recesses, while half of the height is in the range of individual recesses.
Für die Herstellung der Platten ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Ausnehmungen in die Platten geprägt sind. Alternativ kann auch ein Tiefziehverfahren verwendet werden. Das Verfügen der beiden Platten zu einer Bipolarplatte erfolgt vorzugsweise durch Verschweißung der beiden Platten. Vorzugsweise erfolgt dies in Form durchgehender Schweißnähte, wodurch eine Abdichtung der durch die Ausnehmungen ausgebildeten Kühlmittelkanäle erhalten wird. Ein besonders geeignetes Schweißverfahren stellt das Laserschweißen dar. For the production of the plates is advantageously provided that the recesses are embossed in the plates. Alternatively, a deep drawing process can also be used. The provision of the two plates to a bipolar plate is preferably carried out by welding the two plates. This is preferably done in the form of continuous welds, whereby a seal of the coolant channels formed by the recesses is obtained. A particularly suitable welding process is the laser welding.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen sich entlang der Hauptströmungsrichtung und entlang einer Querströmungsrichtung teilweise überschneiden. Die Oberschneidung in zwei vorzugsweise zueinander senkrechten Richtungen optimiert gleichzeitig die Längs- und Querströmung. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the recesses partially overlap along the main flow direction and along a transverse flow direction. The Oberschneidung in two preferably mutually perpendicular directions simultaneously optimizes the longitudinal and transverse flow.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von zuvor beschriebenen Bipoiarplatten und einer Mehrzahl von Membran-Elektroden- Anordnungen, wobei die Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Anordnungen The invention further relates to a fuel cell comprising a stack of a plurality of previously described bipolar plates and a plurality of membrane-electrode assemblies, the bipolar plates and the membrane-electrode assemblies
abwechselnd aufeinander gestapelt sind. Es gelten die zuvor beschriebenen Vorteile und Modifikationen. In dieser Anordnung liegen die Membranelektrodeneinheiten auf den Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen fungieren somit -neben ihrer Funktion zur Kühlmittelkanalbildung - als are stacked alternately. The advantages and modifications described above apply. In this arrangement, the membrane electrode units rest on the recesses. The recesses thus act - as well as their function for coolant channel formation - as
Abstandshalter zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Bipolarplatte, wodurch Räume für die Betriebsmittelversorgung in Form von Betriebsmittelf lussfeldern ausgebildet werden. Spacer between the membrane-electrode assembly and the bipolar plate, whereby spaces for the resource supply are formed in the form of Betriebsfuss fields.
In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Durchleitung des Anoden- und/oder des Kathoden- betriebsmittelstroms parallel zu dem Kühlmittelfluss innerhalb der durch die Ausnehmungen ausgebildeten Kanäle. Anders ausgedrückt verlaufen die Hauptströmungsrichtungen oder die Längsströmungen parallel oder im Wesentlichen parallel. Dieses kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom erfolgen. Vorzugsweise werden sämtliche der drei Ströme, Anoden- und In a preferred embodiment, the passage of the anode and / or the cathode operating medium flow takes place parallel to the coolant flow within the channels formed by the recesses. In other words, the main flow directions or the longitudinal flows are parallel or substantially parallel. This can be done in cocurrent or countercurrent. Preferably, all of the three streams, anode and
Kathodenbetriebsmittelströme sowie der Kühlmittelstrom parallel im Gleichstrom geleitet. Cathode fluid streams and the coolant flow passed in parallel in the DC.
Die Brennstoffzelle kann für mobile oder stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere dient sie der Stromversorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Fahrzeugs. Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Fahrzeug, das eine zuvor beschriebene Brennstoffzelle aufweist. Es gelten die zuvor beschriebenen Vorteile und Modifikationen. The fuel cell can be used for mobile or stationary applications. In particular, it serves to supply power to an electric motor for driving a vehicle. Thus, another aspect of the invention relates to a vehicle having a fuel cell as described above. The advantages and modifications described above apply.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine schematisierte erfindungsgemäße Bipolarplatte, FIG. 1 shows a plan view of a schematized bipolar plate according to the invention,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Details der Verteilstruktur» Figure 2 is a schematic representation of a detail of the distribution structure »
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Details der Verteilstruktur mit verdeckten Figure 3 is a schematic representation of a detail of the distribution structure with hidden
Kanten der darunterliegenden Platte,  Edges of the underlying plate,
Figur 4 eine Schnittansicht nach Schnitt A-A gemäß Figur 1 FIG. 4 shows a sectional view along section A-A according to FIG. 1
Figur 5 eine Schnittansicht nach Schnitt B-B gemäß Figur 1 , 5 shows a sectional view along section B-B according to FIG. 1, FIG.
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Details einer verrundeten Verteilstruktur, Figur 7 eine schematische Darstellung eines Details der verrundeten Verteilstruktur mit verdeckten Kanten der darunterliegenden Platte, FIG. 6 shows a schematic illustration of a detail of a rounded distribution structure, 7 shows a schematic representation of a detail of the rounded distribution structure with hidden edges of the underlying plate, FIG.
Figur 8 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und FIG. 8 shows a perspective view of the bipolar plate according to the invention and FIG
Figur 9 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Bipolarplatte aus Figur 8, 9 shows a perspective view of a section of the bipolar plate from FIG. 8, FIG.
Figur 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 10. Die Bipolarplatte 10 hat üblicherweise eine rechteckförmige Erstreckung, wobei die Längsrichtung in einer 1 shows schematically a plan view of a bipolar plate 10. The bipolar plate 10 usually has a rectangular extent, wherein the longitudinal direction in a
Hauptströmungsrichtung X verläuft und die Querseite parallel zu einer Richtung Y der Main flow direction X runs and the transverse side parallel to a direction Y of
Querströmung verläuft. Im Verlauf der Hauptströmung X ist stromaufwärts zunächst ein Einlassoder Kanalbereich angeordnet, in dem sich ein Anodenhauptgaskanal 12, ein Cross flow runs. In the course of the main flow X upstream of an inlet or channel region is arranged, in which an anode main gas channel 12, a
Kathodenhauptgaskanal 14 und ein Kühlmittelhauptgaskanal 16 befinden. Ober die Kanäle 12, 14 und 16 werden die jeweiligen Fluide der Bipolarplatte 10 zugeführt. Weiter stromabwärts liegt der Verteilbereich oder die Verteilerstruktur 18, die im Weiteren detaillierter beschrieben wird. Weiter in Hauptstromrichtung X schließt sich an die Verteilerstruktur 18 das Flussfeld 20 der Bipolarplatte 10 an. Zwischen den Kanälen 12, 14 und 16 und der Verteilerstruktur 18 sind ein oder mehrere Einströmbereiche 22 vorgesehen, über welche das jeweilige Fluid von dem entsprechenden Kanal in die Verteilerstruktur gelangt. Die Verteilerstruktur 18 hat die Aufgabe, die Fluide von der Breite des dazugehörigen Kanals in Y-Richtung auf die gesamte Breite des Flussfeldes 20 zu verteilen, um dort flächendeckend chemische Reaktionen beziehungsweise Kühlung zu ermöglichen. Dazu sind in der Verteilerstruktur 18 eine Vielzahl von Ausnehmungen 24 angeordnet. Cathode main gas channel 14 and a coolant main gas channel 16 are located. Above the channels 12, 14 and 16, the respective fluids of the bipolar plate 10 are supplied. Further downstream is the distribution area or manifold structure 18, which will be described in more detail below. Next in the main flow direction X, the flow field 20 of the bipolar plate 10 adjoins the distributor structure 18. Between the channels 12, 14 and 16 and the distributor structure 18, one or more inflow regions 22 are provided, via which the respective fluid passes from the corresponding channel into the distributor structure. The distributor structure 18 has the task of distributing the fluids from the width of the associated channel in the Y direction to the entire width of the flow field 20, in order to enable surface-wide chemical reactions or cooling. For this purpose, a plurality of recesses 24 are arranged in the distributor structure 18.
Wie in Figur 2 dargestellt sind die Ausnehmungen 24 in einer periodischen Struktur 26 ausgebildet. Wie hier dargestellt ist, haben die Ausnehmungen 24 eine rautenförmige Struktur, wobei die Rauten mit ihrer Längsachse parallel zu der Hauptströmungsrichtung X angeordnet sind. Die Ausnehmungen 24 sind relativ dicht beieinander angeordnet, sodass eine Vielzahl von Ausnehmungen 24 in der Verteilerstruktur 18 vorgesehen sind. So entspricht der Abstand zwischen zwei Ausnehmungen 24 etwa dem 3- bis 7-fachen, vorzugsweise dem 5-fachen einer Außenkante oder -seite der Ausnehmung 24. Die Ausnehmungen 24 sind zudem derart versetzt angeordnet, dass die Abstände zwischen den Ausnehmungen 24 jeweils annähernd gleich sind. Dazu können die Ausnehmungen 24 in Reihen angeordnet sein, wobei die Reihen jeweils um die Abmessung einer halben Ausnehmung 24 versetzt zueinander angeordnet sind. Die Reihen können dabei in Längsströmungsrichtung X und/oder in Querströmungsrichtung Y ausgebildet sein. In Figur 3 ist die periodische Struktur 26 aus Figur 2 um eine weitere periodische Struktur 26, die unter der in Figur 2 dargestellten periodischen Struktur 26 angeordnet ist, erweitert. As shown in FIG. 2, the recesses 24 are formed in a periodic structure 26. As shown here, the recesses 24 have a diamond-shaped structure, with the diamonds being arranged with their longitudinal axis parallel to the main flow direction X. The recesses 24 are arranged relatively close to each other, so that a plurality of recesses 24 are provided in the distributor structure 18. Thus, the distance between two recesses 24 corresponds approximately to 3 to 7 times, preferably 5 times, an outer edge or side of the recess 24. The recesses 24 are also offset such that the distances between the recesses 24 are approximately equal are. For this purpose, the recesses 24 may be arranged in rows, wherein the rows are each offset by the dimension of half a recess 24 to each other. The rows may be formed in the longitudinal flow direction X and / or in the transverse flow direction Y. In FIG. 3, the periodic structure 26 of FIG. 2 is extended by a further periodic structure 26, which is arranged below the periodic structure 26 shown in FIG.
Entsprechend sind Ausnehmungen 24a einer ersten Platte, die den Ausnehmungen 24 aus Figur 2 entsprechen, voll dargestellt. Ausnehmungen 24b einer darunter liegenden zweiten Platte sind schraffiert dargestellt. Wie zu sehen ist, sind die beiden Platten versetzt zueinander angeordnet, sodass sich die Ausnehmungen 24a der ersten Platte und die Ausnehmungen 24b der zweiten Platte teilweise überlappen. Da die Ausnehmungen 24a und 24b symmetrisch ausgebildet sind, ergibt sich eine symmetrische Überlappungsstruktur. Correspondingly, recesses 24a of a first plate corresponding to the recesses 24 of FIG. 2 are shown in full. Recesses 24b of an underlying second plate are shown hatched. As can be seen, the two plates are offset from each other so that the recesses 24a of the first plate and the recesses 24b of the second plate partially overlap. Since the recesses 24a and 24b are formed symmetrically, a symmetrical overlapping structure results.
Wie in Figur 3 dargestellt, überschneiden sich die Ausnehmungen 24a und 24b in Eckbereichen der Ausnehmungen 24. Somit hat hier jede rautenförmige Ausnehmung 24 vier As shown in Figure 3, the recesses 24a and 24b overlap in corner regions of the recesses 24. Thus, each diamond-shaped recess 24 has four
Überschneidungsbereiche 28, von denen einer beispielhaft mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. In den Überschneidungsbereichen 28 liegen die beiden Ausnehmungen 24a und 24b übereinander, sodass hier ein relativ hoher Strömungsquerschnitt gebildet wird. Overlapping areas 28, one of which is exemplified by the reference numeral 28. In the overlap regions 28, the two recesses 24a and 24b lie one above the other, so that here a relatively high flow cross-section is formed.
Entsprechend existieren auch Kontakt- oder Stützbereiche 30, in denen die beiden Platten direkt aufeinander liegen, also weder eine Ausnehmung 24a der ersten Platte noch eine Ausnehmung 24b der zweiten Platte vorhanden sind. Correspondingly, there are also contact or support regions 30 in which the two plates lie directly on one another, ie neither a recess 24a of the first plate nor a recess 24b of the second plate are present.
Figur 4 zeigt die Schnittdarstellung der Bipolarplatte 10 gemäß der Linie AA in Figur 1. Die erste Platte 32 und die zweite Platte 34 bilden einen Kühlkanal beziehungsweise Figure 4 shows the sectional view of the bipolar plate 10 along the line AA in Figure 1. The first plate 32 and the second plate 34 form a cooling channel or
Kühlmittelströmungsbereich 36, in dem beispielhaft der Kühlmittelverlauf 38 in Coolant flow region 36, in the example of the coolant flow 38 in
Hauptströmungsrichtung X dargestellt ist. Wie zu sehen ist, sind die beiden Platten 32 und 34 derart zueinander angeordnet, dass die Ausnehmungen 24a und 24b voneinander wegweisend angeordnet sind. Anders ausgedrückt liegen die beiden Platten 32 und 34 mit ihren Main flow direction X is shown. As can be seen, the two plates 32 and 34 are arranged to each other such that the recesses 24a and 24b are arranged facing away from each other. In other words, the two plates 32 and 34 are with their
Hauptflächen aneinander an, was links in Figur 4 dargestellt ist, wobei die Ausnehmungen 24 dann jeweils nach außen ausgeformt sind. Dadurch entsteht an Innenseiten oder Innenflächen der beiden Platten 32 und 34 ein durchgehender Strömungsbereich, der hier als Main surfaces to each other, which is shown on the left in Figure 4, wherein the recesses 24 are then formed in each case to the outside. This results in inner sides or inner surfaces of the two plates 32 and 34, a continuous flow area, here as
Kühlmittelströmungsbereich 36 bezeichnet ist. Coolant flow region 36 is designated.
Das Gefüge der ersten Platte 32 und der damit verbundenen zweiten Platte 34 hat eine Gesamthöhe H. Die Höhe einer Ausnehmung 24, berechnet von einer Innenseite der Platte bis zu einer Außenseite der Platte in den Bereichen der Ausnehmung 24 beträgt h, wobei die Höhe der Ausnehmung h der Hälfte der Höhe H des Gefüges entspricht. Somit hat die The structure of the first plate 32 and the associated second plate 34 has a total height H. The height of a recess 24, calculated from an inner side of the plate to an outer side of the plate in the areas of the recess 24 is h, wherein the height of the recess h corresponds to half the height H of the structure. Thus, the
Verteilerstruktur 18 eine große Höhe h für den Kühlmittelströmungsbereich 36, was zu einem günstigen hydraulischen Querschnitt und damit geringem Druckverlust führt. Auch die Strömungsvolumen oder -kanäle für die Reaktanden haben eine Höhe, weiche der Hälfte der Gesamthöhe H entspricht. Diese Strömungsbereiche sind an den Außenseiten der beiden Platten 32 und 34 jeweils zwischen den Ausnehmungen 24 ausgebildet. Dort liegt dann in einem Stapel einer vollständigen Brennstoffeelle eine Membran-Elektroden-Anordnung auf den Ausnehmungen 24 auf. Manifold 18 a high height h for the coolant flow area 36, which leads to a favorable hydraulic cross section and thus low pressure drop. Also, the flow volumes or channels for the reactants have a height that corresponds to half the total height H. These flow areas are formed on the outer sides of the two plates 32 and 34 between the recesses 24, respectively. There is then in a stack of a complete Brennstoffelleelle a membrane-electrode assembly on the recesses 24.
In Figur 5 ist ein Querschnitt gemäß der Linie BB in Figur 1 der Bipolarplatte 10 dargestellt. Analog zu Figur 4 sind auch hier die erste Platte 32 und die zweite Platte 34 dargestellt, welche mit ihren jeweiligen Ausnehmungen 24a und 24b einen zwischen den beiden Platten FIG. 5 shows a cross section according to the line BB in FIG. 1 of the bipolar plate 10. Analogous to FIG. 4, here too the first plate 32 and the second plate 34 are shown, which with their respective recesses 24a and 24b one between the two plates
angeordneten Kühlmittelströmungsbereich 36 ausbilden. Der Kühlmittelverlauf 38 des form arranged coolant flow region 36. The coolant path 38 of the
Kühlmittels in dem Kühlmittelströmungsbereich 36 ist ebenfalls dargestellt. Während in Figur 4 der Strömungsverlauf in Längsrichtung X dargestellt ist, ist hier in Figur 5 der Strömungsverlauf in Querrichtung Y beziehungsweise die Querkomponente des Kühlmittelverlaufs dargestellt. Der Kühlmittelverlauf 38 hat somit eine Längskomponente als auch eine Querkomponente in einem durchgängigen Strömungsraum, der von den Stützbereichen 30 unterbrochen ist. Der Coolant in the coolant flow area 36 is also shown. While the flow profile in the longitudinal direction X is shown in FIG. 4, the flow profile in the transverse direction Y or the transverse component of the coolant flow is shown here in FIG. The coolant path 38 thus has a longitudinal component as well as a transverse component in a continuous flow space which is interrupted by the support regions 30. Of the
Strömungsbereich oder Kühlmittelkanal 36 hat aufgrund der großen Höhe h und der Ausbildung und der Anordnung der Ausnehmungen 24 einen günstigen hydraulischen Durchmesser. Flow region or coolant channel 36 has due to the large height h and the formation and the arrangement of the recesses 24 has a favorable hydraulic diameter.
In den Figuren 6 und 7 ist analog zu den Figuren 2 und 3 eine periodische Struktur 26 der Ausnehmungen 24 dargestellt. Während in Figur 2 und 3 die Ausnehmungen 24 die Form oder Kontur einer Raute haben, sind die Ausnehmungen 24 in Figur 6 und 7 als ausgerundetes Kreuzmuster ausgebildet. Diese Ausgestaltung kann auch als verrundete Kreuz- oder In FIGS. 6 and 7, a periodic structure 26 of the recesses 24 is shown analogously to FIGS. 2 and 3. While in Figures 2 and 3, the recesses 24 have the shape or contour of a rhombus, the recesses 24 are formed in Figure 6 and 7 as a rounded cross pattern. This embodiment can also be used as a rounded cross or
Rautenstruktur bezeichnet werden. Wie in Figur 8 dargestellt ist, sind nun die Seitenflächen der Ausnehmungen 24 konkav ausgebildet, also nach innen gewölbt. Dadurch nimmt der Kathoden- und/oder Anodenverlauf einen wellenförmigen oder mäandrierenden Verlauf, was das Diamond structure are called. As shown in Figure 8, the side surfaces of the recesses 24 are now concave, so curved inward. As a result, the cathode and / or anode course takes a wave-shaped or meandering course, which is the
Strömungsverhalten positiv beeinflusst. In Figur 7 sind die Ausnehmungen 24a der ersten Plate voll dargestellt, während die Ausnehmungen 24b der zweiten Platte schraffiert beziehungsweise nur teilweise dargestellt sind. Auch hier befinden sich die Überschneidungsbereiche 28 zwischen den beiden Ausnehmungen 24a und 24b in Eckbereichen der Ausnehmungen 24. Stützbereiche 30 sind dort angeordnet, wo weder eine Ausnehmung 24a noch eine Flow behavior positively influenced. In Figure 7, the recesses 24a of the first plate are fully shown, while the recesses 24b of the second plate are hatched or only partially shown. Here again, the overlapping areas 28 between the two recesses 24a and 24b are located in corner regions of the recesses 24. Support areas 30 are arranged where neither a recess 24a nor a recess
Ausnehmung 24b ausgebildet ist. Recess 24b is formed.
Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung der Bipolarplatte 10. Im Vergleich zu Figur 1 ist hier die Oberseite aus Figur 1 unten dargestellt. Somit ist in der Darstellung in Figur 8 die erste Platte 32 unten angeordnet, während die zweite Platte 34 oben angeordnet ist. Entsprechend zu Figur 1 ist in der Verteilerstruktur 18 eine Vielzahl von Ausnehmungen 24 angeordnet Figure 9 shows a perspective view of the bipolar plate 10. In comparison to Figure 1, the top of Figure 1 is shown below. Thus, in the illustration in FIG. 8, the first one Plate 32 arranged below, while the second plate 34 is arranged at the top. Corresponding to FIG. 1, a plurality of recesses 24 are arranged in the distributor structure 18
In Figur 9 ist ein Detail gemäß Ausschnitt C aus Figur 8 dargestellt. In dieser Darstellung ist zu erkennen, wie die Ausnehmungen 24b nach außen in der zweiten Platte 34 ausgebildet sind, sodass die Außenwände der Ausnehmungen 24b als Erhebungen aus der Ebene der zweiten Platte 34 hervorstehen. Analog sind die Ausnehmungen 24a der ersten Platte 32 ausgebildet Somit bilden die zueinander versetzten Ausnehmungen 24a und 24b den FIG. 9 shows a detail according to section C of FIG. 8. In this illustration, it can be seen how the recesses 24b are formed outwardly in the second plate 34, so that the outer walls of the recesses 24b project as protrusions from the plane of the second plate 34. Similarly, the recesses 24a of the first plate 32 are formed. Thus, the staggered recesses 24a and 24b form the
Kühlmittelströmungsbereich 36, in dem das Kühlmittel gesteuert durch die Form und Anordnung der Ausnehmungen 24 in einem günstigen hydraulischen Durchmesser oder Querschnitt in Längs- und Querrichtung strömt. Dies bewirkt, dass der Druckverlust über die Verteilerstruktur 18 gering ist. Zur Bildung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels wird eine Vielzahl der Bipolarplatten 10 abwechselnd mit einer Membran-Elektroden-Anordnung gestapelt. Das heißt, dass jede Membran-Elektroden-Anordnung von zwei Bipolarplatten 10 sandwichartig eingeschlossen wird. Ebenso wird jede Bipolarplatte 10 durch zwei Membran- Elektroden-Anordnungen sandwichartig eingeschlossen. Coolant flow region 36, in which the coolant flows controlled by the shape and arrangement of the recesses 24 in a favorable hydraulic diameter or cross-section in the longitudinal and transverse directions. This causes the pressure loss across the manifold structure 18 to be low. To form a fuel cell or a fuel cell stack, a plurality of the bipolar plates 10 are stacked alternately with a membrane-electrode assembly. That is, each membrane-electrode assembly is sandwiched by two bipolar plates 10. Likewise, each bipolar plate 10 is sandwiched by two membrane-electrode assemblies.
Jede Membran-Elektroden-Anordnung kann eine Polymerelektrolytmembran umfassen, die sandwichartig zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode geschichtet ist. Die Polymerelektrolytmembran kann ein an sich leitfähiges Polymer sein, beispielsweise das unter der Handelsbezeichnung Nafion bekannte Polymer, oder ein Polymer, das durch Each membrane-electrode assembly may comprise a polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, namely an anode and a cathode. The polymer electrolyte membrane may be a per se conductive polymer, for example, the polymer known under the trade name Nafion, or a polymer by
Dotierung mit einem Elektrolyten seine Protonenleitfähigkeit erhält. Ein Beispiel für die letztgenannte Ausführung stellt mit Phosphorsäure dotiertes Polybenzimidazol (PBI) dar. Die Elektroden umfassen üblicherweise ein auf Partikeln geträgertes katalytisch aktives Edelmetall. Außen an die Elektroden schließt jeweils eine Diffusionsschicht an, welche ein poröses, gasdurchlässiges und elektrisch leitfähiges Medium ist. Die katalytischen Schichten der Elektroden können entweder direkt auf die Polymerelektrolytmembran aufgebracht sein oder auf die Gasdiffusionsschicht. Doping with an electrolyte receives its proton conductivity. An example of the latter embodiment is phosphoric acid doped polybenzimidazole (PBI). The electrodes typically comprise a particulate supported catalytically active noble metal. Externally to the electrodes each includes a diffusion layer, which is a porous, gas-permeable and electrically conductive medium. The catalytic layers of the electrodes may either be applied directly to the polymer electrolyte membrane or to the gas diffusion layer.
Die Platte 10 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise einem Metall oder einem kohlenstoffbasierten Material oder einem Kompositmaterial aus solchen. Bezugszeichenliste The plate 10 is made of an electrically conductive material, for example a metal or a carbon-based material or a composite material of such. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Bipolarplatte 10 bipolar plate
12 Anodenhauptgaskanal  12 anode main gas channel
14 Kathoderthauptgaskanal  14 Cathodert main gas channel
16 Kühlmittelhauptgaskanal  16 coolant main gas channel
18 Verteilerstruktur  18 distribution structure
20 Flussfeld  20 river field
22 Einströmbereich  22 inflow area
24 Ausnehmung  24 recess
24a Ausnehmung erste Platte  24a recess first plate
24b Ausnehmung zweite Platte  24b recess second plate
26 periodische Struktur  26 periodic structure
28 Überschneidungsbereich  28 overlap area
30 Stützbereich  30 support area
32 erste Platte  32 first plate
34 zweite Platte  34 second plate
36 Kühlmittelströmungsbereich  36 coolant flow area
38 Kühlmittelverlauf h Höhe Ausnehmung  38 coolant flow h height recess
H Gesamthöhe  H total height
X Hauptströmungsrichtung  X main flow direction
Y Querströmungsrichtung  Y transverse flow direction

Claims

Patentansprüche claims
1. Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle umfassend ein Gefüge aus zwei miteinander verfügten Platten (32, 34), wobei jede der zwei Platten (32, 34) im Querschnitt je eine periodische Struktur mit Ausnehmungen (24) aufweist, wobei Vertiefungen der A bipolar plate (10) for a fuel cell comprising a structure of two plates (32, 34) disposed one on the other, each of the two plates (32, 34) each having a periodic structure with recesses (24) in cross section, with depressions of the
Ausnehmungen (24) beider Platten (32, 34) einen Kühlmittelströmungsbereich (36) bildend voneinander wegweisend angeordnet sind, dadyrch gekennzeichnet dass die  Recesses (24) of both plates (32, 34) a coolant flow region (36) are arranged facing away from each other, characterized dadyrch that the
Ausnehmungen (24) ausschließlich in einer in Hauptströmungsrichtung (X) vor und/oder nach einem Flussfeld (20) angeordneten Verteilerstruktur (18) der Bipolarplatte (10) ausgebildet sind und dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich teilweise überschneiden, sodass ein eine Längs- und Querströmung erlaubender  Recesses (24) exclusively in a main flow direction (X) before and / or after a flow field (20) arranged distributor structure (18) of the bipolar plate (10) are formed and that the recesses (24) of the two plates (32, 34) itself partially overlap, allowing a longitudinal and cross flow permitting
Kühlmittelströmungsbereich (36) vorgesehen ist,  Coolant flow region (36) is provided,
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die Ausnehmungen (24) verrundete Kreuz- oder Rautenstrukturen sind. 2. bipolar plate according to claim 1, characterized in that the recesses (24) are rounded cross or rhombic structures.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich in Randbereichen der Ausnehmungen (24) überschneiden. 3. bipolar plate according to claim 1 or 2, characterized in that the recesses (24) of the two plates (32, 34) overlap in edge regions of the recesses (24).
4. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) der beiden Platten (32, 34) sich in Eckbereichen der 4. bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses (24) of the two plates (32, 34) in corner regions of
Ausnehmungen (24) überschneiden.  Recesses (24) overlap.
5. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadyrch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) eine Höhe (h) zwischen der Hälfte der Höhe (H) und der gesamten Höhe (H) des Gefüges aufweisen. 5. bipolar plate according to one of the preceding claims, dadyrch in that the recesses (24) have a height (h) between half the height (H) and the entire height (H) of the structure.
6. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) in die Platten (32, 34) geprägt sind. 6. bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses (24) in the plates (32, 34) are embossed.
7. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) sich entlang der Hauptströmungsrichtung (X) und entlang einer Querströmungsrichtung (Y) teilweise überschneiden. 7. Bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses (24) along the main flow direction (X) and along a transverse flow direction (Y) partially overlap.
8. Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (24) konkav ausgebildete Seitenflächen aufweisen. 8. Bipolar plate according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses (24) have concave side surfaces.
9. Brennstoffzelle umfassend einen Stapel einer Mehrzahl von Bipolarplatten (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einer Mehrzahl von Membran-Elektroden- Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) und die Membran- Elektroden-Anordnungen abwechselnd aufeinander gestapelt sind. 9. A fuel cell comprising a stack of a plurality of bipolar plates (10) according to any one of the preceding claims and a plurality of membrane electrode assemblies, characterized in that the bipolar plates (10) and the membrane electrode assemblies are stacked alternately.
10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verteiierstruktur (18) der Bipolarplatte (10) ein anodenseitiger Strömungsbereich und ein kathodenseitiger Strömungsbereich durch Zwischenräume zwischen den Bipolarplatten (10) und den Membran-Elektroden-Anordnungen ausgebildet ist und dass eine Hauptströmungsrichtung eines Anoden- und/oder eines Kathodenbetriebsmittelstroms parallel zu der 10. Fuel cell according to claim 9, characterized in that in a Verteiierstruktur (18) of the bipolar plate (10) an anode-side flow region and a cathode-side flow region through gaps between the bipolar plates (10) and the membrane-electrode assemblies is formed and that a main flow direction an anode and / or a cathode resource flow parallel to the
Hauptströmungsrichtung (X) des Kühlmittels verläuft.  Main flow direction (X) of the coolant extends.
11. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 9 oder 10. 11. Motor vehicle with a fuel cell according to claim 9 or 10.
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