WO2016113055A1 - Bipolarplatte und brennstoffzelle mit einer solchen - Google Patents

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WO2016113055A1
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coolant
flow field
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Matej KUSY
Ian Stewart
Brian Dickson
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Volkswagen AG
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell and a fuel cell with such a bipolar plate.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged 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 anode where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " )
  • the reaction chambers are separated from each other in a gas-tight manner and electrically isolated, thus transporting the protons H + from the anode compartment into the cathode compartment
  • the electrons e " provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical lead.
  • the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of the oxygen taking place of the electrons takes place (2 0 2 + 2 e -> 0 2 ⁇ ).
  • the fuel cell is formed by a plurality of stack (stack) arranged membrane electrode assemblies whose electrical power is added.
  • a bipolar plate is arranged in each case between two membrane-electrode assemblies in a fuel cell stack, which on the one hand serves to supply the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and, on the other hand, the
  • Bipolar plates also consist of an electrically conductive material to produce the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply of the membrane-electrode units, the cooling and the electrical connection.
  • Bipolar plates for fuel cells usually have equipment through-openings (often called ports), namely two anode gas openings for each and Removal of the anode gas, two cathode gas openings for the supply and discharge of the
  • Cathode gas and two coolant openings for supply and discharge of the coolant are congruent to each other, so that they form the entire stack passing through main supply lines for the corresponding resources.
  • the coolant openings are fluid-conductively connected to one another by means of an internal coolant flow field running inside the bipolar plate.
  • An anode-side open anode gas flow field connects the two anode gas openings in fluid-conducting manner, while a cathode-side open cathode gas flow field connects the two cathode gas openings in a fluid-conducting manner.
  • the anode gas and cathode gas flow fields are mostly in the form of discrete channel-like channels. The anode gas flow fields and the
  • Cathode gas flow fields have a typically centrally located active region, which connects to the catalytic electrodes of the membrane-electrode assembly and where the actual fuel cell reactions take place. Between the active region and one of the two anode gas openings, a distributor region is arranged. Between the active area and the other of the two anode gas openings is another
  • the cathode-side active region is also arranged between two distributor regions, which surrounds the active region with the
  • the distributor regions serve for uniformly distributing a flow onto the active region or for "collecting" the flow after it leaves the active region.
  • bipolar plates Fundamental goals in the development of bipolar plates are the reduction of weight, the installation space and the costs as well as the increase of the power density. These criteria are particularly important for the mobile use of fuel cells,
  • US Pat. No. 7,294,414 B2 discloses a bipolar plate with embossed and one another
  • the bipolar plate has a greater thickness outside the active area than within the active area. This is made possible because a gas diffusion layer is arranged only in the active region.
  • Bipolar plates are also known in which channels of the anode gas flow field in the active region extend mirror-symmetrically to channels of the cathode gas flow field.
  • the invention is based on the object to provide a bipolar plate for fuel cells, which is characterized despite a comparatively thin design by a homogeneous distribution of resources.
  • the bipolar plate for a fuel cell according to the invention comprises:
  • An internal coolant flow field comprising a coolant channel
  • Bipolar plate are arranged, and
  • the first and the second channel structure each form a trunk channel and branch channels, wherein
  • branch branch branch branches in a branching region from the respective trunk channel, and between the branch channels of the first channel structure a first
  • a second intermediate region is formed between the intermediate region and between the branch channels of the second channel structure, with normal projections of the first and second intermediate regions partially overlapping on a central plane of the bipolar plate which is arranged between the two flat sides of the bipolar plate, so that an overlapping region is formed.
  • the coolant channel from an outer region, which is located outside of the first and the second intermediate region, in the
  • Overlap area extends by traversing a transit area, wherein the transit area is a partial area of the normal projection of the first intermediate area on the center plane, which protrudes from the overlap area.
  • the coolant channel into a region in which the two intermediate regions overlap (the overlap region) Transit area, ie an area in which only the first intermediate area is arranged, traverses. Due to the fact that the coolant channel does not abruptly enter the overlap region from the outer region, but rather enters the first intermediate region and an offset into the second intermediate region, the coolant channel has more space in a thickness direction, ie in a direction perpendicular to the flat sides available.
  • the coolant passage may pass through (transit through) the transit area
  • the stated ranges can be understood as regions in a rectangular plan view of one of the flat sides of the bipolar plate. Areas inside the bipolar plate, or those facing away from the view, seem to pass through the bipolar plate in this type of viewing. The regions can also be viewed overall as normal projections on the middle plane arranged between the two flat sides of the bipolar plate, in particular between the two halves of the bipolar plate. Also that the
  • Transit area crossed can in the rectangular plan view (so that a
  • Coolant openings of the bipolar plate are
  • the coolant holes typically penetrate the bipolar plate in the thickness direction, so that coolant lines (main supply lines for coolant) are formed inside the fuel cell, which penetrate the bipolar plate in the thickness direction.
  • the coolant flow field is
  • the reactant flow fields typically connect at least two associated ones
  • the first reactant flow field connects two first reactant openings, while the second reactant flow field connects two second reactants
  • Reactant openings connects. Also, the reactant openings are
  • Operational passage openings and serve within the fuel cell for supplying reactants to the bipolar plate and for discharging a reaction product (especially water) and unused reactants from the bipolar plate. Also, the reactant openings typically penetrate the bipolar plate in the thickness direction, so that within the fuel cell first and second reactant lines (main lines for a first
  • Reactants and main reactants for a second reactant which penetrate the bipolar plate in the thickness direction.
  • the reactant flow fields are typically open flow fields on the respective flat side.
  • the individual channels ie, the trunk channels and branch channels
  • the individual channels form the coolant flow field, the first reactant flow field, and / or the second
  • Reactant flow field discrete flow channels This may be preferred
  • Flow fields can be realized with multiple channel structures, each two
  • Bipolar plate which have the largest amounts in terms of amount.
  • the flat sides have the reactant flow fields and their channel structures and, if necessary, further structures. Further, the flat sides are penetrated by the equipment through holes.
  • the trunk channels of the channel structures are preferably fluid-conductively connected to the respective reactant openings.
  • the trunk channel of the at least one first channel structure is connected to one of the first reactant openings
  • the trunk channel of the at least one second channel structure is connected to one of the second reactant openings.
  • the branch channels lead (farther) into the active area.
  • the term "branch channels” is understood to mean at least two branch channels, ie the trunk channels of the channel structures are typically arranged closer to the reactant openings as the branch channels branching off from it. In other words, the stem channels lead from the branching regions to the reactant openings and the branch channels away from the reactant openings.
  • the transit region is in a boundary region of an active region of
  • Bipolar plate arranged with a distribution region of the bipolar plate. An area of the
  • Limit range is preferably at most 10%, in particular at most 5% of an area of the active area.
  • the transit area can thus be arranged both in the active area and alternatively or additionally in the distributor area.
  • Transit area arranged particularly space-saving.
  • the branch channels are preferably arranged in the active region of the bipolar plate and the trunk channels in the (inactive) distributor region of the bipolar plate. This may be the case additionally or alternatively to the above-described arrangement of the transit area in the border area.
  • the active region preferably forms a central region of the bipolar plate.
  • Reactant openings and within the distributor areas only a few trunk channels necessary, while in the active area, a uniform distribution of the reactants by means of a larger number of branch channels.
  • the overlapping area is elongated and the transit area is arranged on an end face of the overlapping area. This configuration also reduces the space requirement of the transit area.
  • Coolant channel thus extends from the transit area coming over the front side of the overlap region in this.
  • the cooling channel can be from the outside via a
  • End face or a lateral side of the overlap region in the transit area extend.
  • two trunk channels are interconnected by means of at least two branch channels.
  • both the supply of reactants and the discharge of unused reactants or reaction products by means of fewer trunk channels.
  • the intermediate areas are areas between the branch channels, which are typically for the most part (or completely) limited by the associated branch channels. If the intermediate regions are projected at right angles onto the middle plane of the bipolar plate, the intermediate regions partially overlap, so that an overlap region is formed.
  • the coolant channel extends on the way from the outer region, which is outside the first and the second
  • a coolant flow field has a plurality of coolant channels, while the reactant flow fields each have a plurality of channel structures.
  • the operating media are distributed very homogeneously.
  • Each trunk channel can branch out into at least two branch channels, in particular three, preferably four branch channels, in the branching region.
  • the branch channels coming from the respective branching region preferably extend in the same direction, in particular in the direction of the same narrow side of the bipolar plate.
  • the branching region of the second channel structure is arranged offset to the branching region of the first channel structure along a direction running parallel to the center plane (in particular along one of the branch channels of the first channel structure).
  • the advantageous offset thus takes place along an extension of the second flat side of the bipolar plate. As a result, particularly space-saving arranged transit areas are formed.
  • the coolant channel part of the first channel structure which separates the outer region from the transit region, on a side facing the second flat side, in particular in a half facing the second flat side
  • Transit area arranged part of the first channel structure separates the outside of
  • Transit area It must therefore be crossed by the coolant channel so that the coolant channel can penetrate from the outer area into the transit area. This is done via the second Flat side facing the first channel structure, ie on the side facing away from an open side of the channel structure side. With this configuration, a sufficient thickness of the coolant channel can be ensured during the transition to the transit area.
  • the coolant channel crosses a part of the second channel structure, which separates the transit region from the overlapping region, on a side facing the first flat side, in particular in a half of the bipolar plate facing the first flat side.
  • the part of the second channel structure arranged between the transit area and the overlapping area separates the transit area from the transit area
  • Coolant channel can penetrate from the transit area in the overlap area. This takes place via the side of the second channel structure facing the first flat side, that is to say on the side facing away from the one open side of the second channel structure. By means of this configuration, a sufficient thickness of the coolant channel can be ensured during the transition into the overlapping region.
  • the coolant channel extends in the transit region within both half-plates of the bipolar plate.
  • the coolant channel thus has such a thickness in the transit region that it occupies space both within the first half-plate and within the second half-plate. Thereby, a pressure loss of the coolant is lowered on the way through the transit area.
  • the second half-plate may be formed such that the coolant channel and a channel (a gas channel) of the second reactant flow field share a space provided in the thickness direction.
  • the channel of the reactant flow field is therefore where it crosses the coolant channel, flatter (that is slightly limited locally) formed.
  • Coolant channel fanned ie branched or branched
  • a single coolant channel thus fans out into at least two coolant channels.
  • the coolant channel fans out on leaving the outer area (ie before entering the transit area). This will be a
  • the fanning takes place preferably in the direction of the second flat side, whereby a further space saving is effected.
  • that part of the coolant channel which connects the fanning with the coolant opening extends in the direction of the first flat side Half (half-plate) of the bipolar plate, whereby in the second flat side facing half (half-plate) of the bipolar plate space for the second channel structure.
  • Transit area (ie before entering the overlap area) fanned out.
  • a trunk channel ramifies in more than two branch channels, and each space between the branch channels to be cooled with coolant.
  • the coolant channel in the transit region fanning out (again) immediately upon leaving the transit region in the overlap region, whereby a fanning of the coolant channel takes place in a space-saving manner only when a further channel is required.
  • the transit area can be dimensioned as small as possible.
  • the fanning takes place preferably in the direction of the first flat side, whereby a further
  • the bipolar plate comprises two half-plates, between which the coolant flow field is arranged.
  • the half plates are in particular embossed metal plates.
  • the middle plane is arranged between the two half-plates.
  • the two halves of the bipolar plate are formed by the two half-plates.
  • the overlap region is delimited by the branch channels of the first channel structure and the branch channels of the second channel structure.
  • the overlap region is bounded on both sides both by a branch channel of the first channel structure, and by a branch channel of the second channel structure.
  • Branch channels of the first channel structure and the branch channels of the second channel structure is limited.
  • a space provided by the overlapping area is optimally utilized by the cooling passage.
  • the coolant channel is advantageously dimensioned so that it extends between the branch channels both within one of the first flat side, as well as within a half of the bipolar plate facing the second flat side of the bipolar plate.
  • the coolant channel is separated from the branch channels by means of a material of the bipolar plate.
  • the branch channels of the first flat side and / or the branch channels of the second flat side run parallel to one another.
  • the fact that the branch channels of the respective flat side are parallel to each other, remains Distance between the branch channels of the respective flat side constant.
  • the coolant channel between the branch channels can be dimensioned so that it has a constant width.
  • the first flat side is thus an anode flat side and the second flat side is a cathode flat side.
  • the first channel structure may be referred to as an anode channel structure and the second channel structure as a cathode channel structure.
  • the first intermediate region may also be referred to as an anode intermediate region, while the second intermediate region may be referred to as a cathode intermediate region.
  • the first reactant openings are anode gas openings and the second reactant openings are cathode gas openings.
  • a fuel cell comprising a bipolar plate according to the invention. It is preferably provided that the bipolar plate is arranged between two membrane electrode units of the fuel cell.
  • the fuel cell according to the invention is characterized by an increased volumetric power density.
  • an aspect of the invention relates to a motor vehicle having such a fuel cell, in particular as a power source for an electric motor drive.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a bipolar plate according to the prior
  • Figure 2 is a plan view of channel structures to illustrate the problem
  • Figure 3 is a view of a portion of the bipolar plate according to a first
  • Figure 4 is a plan view of a coolant channel according to the first embodiment of the
  • Figure 5 is a view of a portion of the bipolar plate according to a second
  • FIG. 6 shows a three-dimensional representation according to the second embodiment of FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a generic bipolar plate 10.
  • the bipolar plate 10 is intended for use in a fuel cell 100 and has a first flat side 11 and a second flat side 12, the view being directed towards the second flat side 12 in FIG ,
  • the flat sides 1 1 and 12 are arranged on opposite sides of the bipolar plate 10.
  • a reference arrow of the flat side 1 1 is shown in dashed lines.
  • the bipolar plate 10 has agent through-holes, which as first reactant openings 21, second reactant openings 22 or
  • Coolant openings 23 are formed and penetrate the bipolar plate 10 in the direction of view shown.
  • Flow fields fluidly connected to each other.
  • Flow fields include a first reactant flow field 31 fluidly interconnecting the first reactant openings 21 and a second reactant flow field 32 fluidly interconnecting the second reactant openings 22.
  • the first and the second reactant flow field 31 fluidly interconnecting the first reactant openings 21 and a second reactant flow field 32 fluidly interconnecting the second reactant openings 22.
  • Reactant flow field 31, 32 form the respective flat side 1 1, 12 out open channels.
  • the bipolar plate 10 can be subdivided into a (chemically) active region 16 and two distributor regions 14. For example, in boundary regions 18 of the active region 16 with the manifold regions 14, channels of the reactant flow fields 31, 32 may be branched exhibit. Through the ramifications, individual trunk channels 44 of the
  • the distribution of the trunk channel 44 in the at least two branch channels 46 takes place in
  • Bipolar plate 10 is such a branching in the transition from one of
  • Distributor areas 14 shown in the active area 16 The transition from the active region 16 into the other distributor region 14 can be designed analogously.
  • Bipolar plates 10 may have two half-plates 19, which each form one half of the bipolar plate 10 and together the bipolar plate 10, or a base body of the bipolar plate 10.
  • the half plates 19 are stacked with their flat sides and sealed to each other, for example, welded, whereby the coolant flow field 33 is sealed against the environment.
  • the half plates 19 are the reactant flow fields 31, 32, while between the half plates 19, the coolant flow field 33 is formed.
  • the half plates 19 may be embossed, for example, from a metal sheet.
  • the trunk channels 44 extend as a plurality of elongated channels, so that elongated ridges 50, which are arranged between the trunk channels 44 and the
  • These cooling channels 43 can also be continued as cooling channels 43 in the active region 16 and then run parallel to the branch channels 46 - see detail D. It can also be seen in detail D that an elevation 50, which the two branch channels 46 of a channel structure 41, 42 from each other separates, in the branching 48 finds its beginning.
  • Bipolar plates 10 are optimized so that they have in their thickness direction 60 (thus perpendicular to the extent of their flat sides 1 1, 12) the smallest possible extent, so a total of the smallest possible (plate) thickness. Thereby, a cell gap between single cells (not shown) of the fuel cell 100 is reduced, which makes it possible to accommodate more single cells with the same thickness of the fuel cell 100. Without falling below a minimum to be complied wall thickness of a material of the half plates 19 and an at least required channel height, the channels of the two
  • Reactant flow fields 31, 32 and the coolant flow field 33 in the thickness direction 60 are not stacked on top of each other.
  • Reactant flow fields 31, 32 and the coolant flow field 33 in the thickness direction 60 are not stacked on top of each other.
  • parts of the reactant flow fields 31, 32 and of the coolant flow field 33 are shown translucent one above the other in the direction of view corresponding to the top view in FIG. Out of the flow fields 31, 32, 33 regions in the vicinity of one of the branching regions 48 are shown.
  • the boundary lines of the flow fields 31, 32, 33 are drawn according to their visibility. Symbols illustrating the course of the flow fields 31 (points for the coolant flow field, circles for the first flow field and stars for the second
  • Flow field are translucently represented by overlying flow fields in order to understand the course of the underlying flow fields can.
  • those branch channels 46 which have a partially congruent profile on the first flat side 11 and on the second flat side 12 can be represented.
  • a free space 49 within the elevation 50 between the two branch channels 46 of the channel structures 31, 32 could not be connected to the coolant flow field 33 according to the prior art.
  • the free space 49 could therefore not be supplied with coolant during operation of the fuel cell 100.
  • Coolant channel 43 as shown in Figure 2 can be seen.
  • Figure 3 shows a view of a portion of the bipolar plate 10 according to a first
  • the bipolar plate 10 according to the first preferred embodiment of the invention differs from the bipolar plate 10 shown in FIGS. 1 and 2 in that coolant channels 43 are also provided between the branch channels 46 of the respective channel structure 31, 32.
  • a first intermediate region 51 is formed between the branch channels 46 of the first channel structure 31 and a second intermediate region 52 is formed between the branch channels 46 of the second channel structure 32.
  • the intermediate regions 51 and 52 are represented by differently oriented hatchings. However, the hatchings apparent in detail D of FIG. 1 merely serve to depict the cut surface.
  • the center plane 56 extends between the two flat sides 11 and 12 of the bipolar plate 10, ie parallel to the surface thereof. In a structure of the bipolar plate 10, as shown in detail D of Figure 1, the center plane 56 extends between the two half plates 19th
  • Intermediate region 51 protrudes from the overlapping region 53.
  • the partial area of the first intermediate area 51 is referred to below as the transit area 55.
  • a coolant channel 43 extends from an outer region 54, which is located outside of the first and the second intermediate region 51, 52, into the overlapping region 53, in which case the
  • Transit area 55 passes through.
  • the coolant channel 43 does not have to be passed through between the first and the second channel structure 41, 42 at the same time, as would be necessary according to the prior art according to FIGS. 1 and 2. Rather, the coolant channel 43 traverses a part of the first channel structure 41, which separates the outer region 54 from the transit region 55, on one of the second flat side 12
  • the coolant channel 43 traverses one of the branch channels 46 of the first channel structure 41. This takes place in one of the second flat side 12 facing half of the bipolar plate 10, ie in the second
  • FIG 4 is a plan view of a coolant channel 43 according to the first embodiment of the invention. From the coolant channel 43, a free volume of the coolant channel 43 (ie a "channel content") is shown.
  • Overlap region 53 separates the coolant channel 43 at one of the first flat side 1 1 facing side of the channel structure 42. This takes place in one of the first flat side 1 1 facing half of the bipolar plate 10, ie in the first flat side 1 1 facing half plate 19 of the bipolar plate 10th 4, as can be seen in FIG. 4, the trunk channel 44 of the second channel structure 42 also crosses the coolant channel 43 in the half of the bipolar plate 10 facing the second flat side 12. Otherwise, the coolant channel 43 can extend on both halves of the bipolar plate 10 in that it extends both between the branch channels 46 of the first channel structure 41 and between the branch channels 46 of the second channel structure 42.
  • the branching regions 48 are arranged offset along a direction parallel to the center plane 56.
  • the branching region 48 of the second channel structure 42 is arranged offset along the branch channels 46 of the first channel structure 41.
  • the branch channels 46 of the first and the second channel structure 41, 42 have a substantially mirror-symmetrical course to the center plane 56.
  • Channel structure 41 to the branch channels 46 of the second channel structure 42 is due to the representability.
  • the overlapping area 53 is elongated, and the transit area 55 is arranged on an end face (ie, on a narrow side) of the overlapping area 53 in the boundary area 18 of the active area 16 and the distributor area 14.
  • Coolant channel 43 via an end face of the overlap region 53 in this one. It can be seen from Figure 3 and also Figure 5 that the reactant flow fields 31 and 32 are formed therethrough can be, by the subregions shown are juxtaposed side by side.
  • the trunk channels 44 are in turn arranged in the distributor region 14 of the bipolar plate 10, while the branch channels 46 are arranged in the active region 16 of the bipolar plate 10.
  • the coolant channel 43 fans out on leaving the outer region 54 on the way into the transit region 55, whereby a space-saving fanning of the coolant channel 43 is given.
  • Two coolant channels 43 thus run parallel to the two branch channels 46 of the first and second channel structures 41, 42. This causes a respective coolant channel 43 between the four branch channels 46 of the first and second channel structures 41, 42 and a coolant channel 43 between them two adjacent first channel structures 41 and two adjacent second channel structures 42 extends.
  • the coolant channel 43 in the overlapping region 53 is delimited by the branch channels 46 of the first channel structure 41 and the branch channels 46 of the second channel structure 42.
  • the branch channels 46 and the coolant channel 43 are separated from each other only by a common wall.
  • the first reactant flow field 31 may be within the fuel cell 100 as a
  • Anodengasströmungsfeld 31 and the second reactant flow field 32 as a
  • the first flat side 1 1 can thus be referred to as the anode flat side 1 1 and the second flat side as the cathode flat side 12.
  • the first channel structure 41 may be referred to as an anode channel structure 41 and the second channel structure 42 may be referred to as a cathode channel structure 42.
  • the first intermediate region 51 may also be referred to as an anode intermediate region 51, while the second intermediate region 52 may be referred to as a cathode intermediate region 52.
  • first reactant ports 21, which may be referred to as anode gas ports 21, and second reactant ports 22, which may be referred to as cathode gas ports 22, achieve relatively simple guidance of the coolant flow field 33.
  • the operating medium passage openings 21, 22, 23, as can be seen in FIG. 1, can be arranged on opposite sides of the bipolar plate 10.
  • the active region 16 is arranged between the operating medium openings 21, 22, 23.
  • Figure 5 shows a view of a portion of the bipolar plate 10 according to a second preferred embodiment of the invention. Unlike the first one explained above preferred embodiment of the invention, the coolant passage 43 crosses the first
  • the trunk channel 44 of the second channel structure 42 extends in sections on one of the second flat side 12 facing side of the coolant channel 43 until it merges into the branching region 48. This also results in an offset of the two branching regions 48 in a longitudinal direction of the branch channels 46.
  • FIG. 6 shows a three-dimensional representation of a partial section of flow fields 31, 32, 33 according to the second embodiment of the invention shown in FIG.
  • free volumes of the flow fields 31, 32, 33 ie "channel contents" are shown by the flow fields 31, 32, 33.
  • the half plates 19 provide trapezoidal cross sections for the channels 43, 44, 46.
  • the trapezoidal cross sections facilitate the production the half plates 19 and at the same time increase an exit area of reactants from the
  • trunk channels 44 In the two preferred embodiments, only branching of a trunk channel 44 to two branch channels 46 are shown for the sake of simplicity. However, it is also possible, for example, on the cathode side 12 or both sides 1 1, 12, trunk channels 44 divided into three, four or more branch channels 46.
  • Anodic gas for example hydrogen, enters the first reactant flow field 31 and is conducted in the manifold region 14 from the trunk channels 44 of the first reactant flow field 31 to the branch region 48.
  • the anode gas is split onto the branch channels 46 of the first reactant flow field 31 - see arrow directions in FIG. 4.
  • the fuel cell 100 passes through one of the second
  • Reactant flow field 32 and is in the manifold region 14 from the trunk channels 44 of the second reactant flow field 32 to the branching region 48 of the second
  • Reactant flow field 32 passed.
  • the cathode gas is distributed to the branch channels 46 of the second reactant flow field 32 - see also Arrow directions in Figure 4.
  • the two reactants do not have to flow in the same direction, they can flow, for example, in countercurrent.
  • a coolant such as a water-antifreeze mixture, is passed through one of the
  • Coolant openings 23 introduced into the coolant flow field 33 and divided into the transit area 55 shortly before entry.
  • the flow direction of the coolant can be directed within the distributor region 14 both in the flow direction shown in FIG. 6 and in the opposite flow direction.
  • the anode and cathode gases exit from the bipolar plate 10 and are typically directed through a gas diffusion layer (not shown) to a membrane-electrode assembly where the fuel cell process takes place.
  • Fuel cell process creates (waste) heat, which is absorbed by the coolant.
  • coolant channels 43 are now also provided in the overlapping regions 53, a temperature in the fuel cell 100 is homogenized, ie, there are fewer local temperature fluctuations.
  • Channel structures 41, 42 can be arranged. This is done by the coolant channel 53 extends on both sides 1 1, 12 of the bipolar plate 10. For this, the cooling channel 53 adopts a negative shape of a geometry of the anode channel structure 41 or the cathode channel structure 42. The coolant channel 43 therefore winds through between the channel structures 41 and 42 in order to reach the overlap region 53.
  • Thinner bipolar plates are realized by the invention. Furthermore, with an equally distributed coolant flow distribution, fewer channels may be provided in the manifold region 14 than in the active region 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend - ein internes Kühlmittelströmungsfeld (33), welches einen Kühlmittelkanal (43) umfasst, und - eine erste und eine zweite Flachseite (11, 12) mit einem ersten bzw. zweiten Reaktantenströmungsfeld (31, 32), welches wenigstens eine erste bzw. zweite Kanalstruktur (41, 42) aufweist, wobei - die erste und die zweite Kanalstruktur (41, 42) jeweils einen Stammkanal (44) und Astkanäle (46) ausbilden, wobei die Astkanäle (46) in einem Verästelungsbereich (48) von dem jeweiligen Stammkanal (44) abzweigen, und zwischen den Astkanälen (46) der ersten Kanalstruktur (31) ein erster Zwischenbereich (51) und zwischen den Astkanälen (46) der zweiten Kanalstruktur (32) ein zweiter Zwischenbereich (52) ausgebildet wird, wobei sich Normalprojektionen des ersten und des zweiten Zwischenbereichs (51, 52) auf eine Mittenebene (56) der Bipolarplatte (10), welche zwischen den beiden Flachseiten (11, 12) der Bipolarplatte (10) angeordnet ist, teilweise überlappen, sodass ein Überlappungsbereich (53) gebildet wird. Es ist vorgesehen, dass sich der Kühlmittelkanal (43) von einem Außenbereich (54), welcher sich außerhalb des ersten und zweiten Zwischenbereichs (51, 52) befindet, in den Überlappungsbereich (53) erstreckt, indem er dabei einen Transitbereich (55) durchquert, wobei der Transitbereich (55) ein Teilbereich der Normalprojektion des ersten Zwischenbereichs (51) auf die Mittenebene ist, welcher aus dem Überlappungsbereich (53) herausragt.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte und Brennstoffzelle mit einer solchen
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte.
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-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere 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 (H2 -> 2 H+ + 2 e"). 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 e" 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 ( 2 02 + 2 e -> 02~).
Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + O2" -> H20).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten dient und andererseits der
Zuführung eines Kühlmittels zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf.
Bipolarplatten für Brennstoffzellen weisen üblicherweise Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (oftmals auch Ports genannt) auf, nämlich jeweils zwei Anodengasöffnungen zur Zu- und Abführung des Anodengases, zwei Kathodengasöffnungen zur Zu- und Abführung des
Kathodengases und zwei Kühlmittelöffnungen zur Zu- und Abführung des Kühlmittels. Im Brennstoffzellenstapel liegen diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich aufeinander, sodass sie den gesamten Stapel durchsetzende Hauptversorgungsleitungen für die entsprechenden Betriebsmittel ausbilden. Die Kühlmittelöffnungen sind mittels eines innerhalb der Bipolarplatte verlaufenden internen Kühlmittelströmungsfelds fluidleitend miteinander verbunden. Ein anodenseitig offenes Anodengasströmungsfeld verbindet die beiden Anodengasöffnungen fluidleitend miteinander, während ein kathodenseitig offenes Kathodengasströmungsfeld die beiden Kathodengasöffnungen fluidleitend miteinander verbindet. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder sind zumeist in Form diskreter rinnenartiger Kanäle ausgebildet. Die Anodengasströmungsfelder und die
Kathodengasströmungsfelder weisen einen üblicherweise zentral angeordneten aktiven Bereich auf, der an die katalytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit anschließt und an dem die eigentlichen Brennstoffzellenreaktionen stattfinden. Zwischen dem aktiven Bereich und einer der beiden Anodengasöffnungen ist ein Verteilerbereich angeordnet. Zwischen dem aktiven Bereich und der anderen der beiden Anodengasöffnungen ist ein weiterer
Verteilerbereich angeordnet. Analog dazu ist der kathodenseitige aktive Bereich ebenfalls zwischen zwei Verteilerbereichen angeordnet, welche den aktiven Bereich mit den
Kathodengasöffnungen verbinden. Die Verteilerbereiche dienen je nach Strömungsrichtung der Reaktanten zum gleichmäßigen Verteilen einer Strömung auf den aktiven Bereich oder zum „Sammeln" der Strömung nach einem Austritt aus dem aktiven Bereich.
Grundsätzliche Ziele bei der Entwicklung von Bipolarplatten stellen die Reduzierung des Gewichts, des Bauraums und der Kosten sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig,
beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
So offenbart die US 7291414 B2 eine Bipolarplatte mit geprägten und ineinander
geschachtelten Halbplatten. Um eine Verbindung von Anoden-, Kathoden- und
Kühlmittelkanälen mit den zugehörigen Betriebsmittelöffnungen zu ermöglichen, weist die Bipolarplatte außerhalb des aktiven Bereichs eine größere Dicke auf als innerhalb des aktiven Bereichs. Dies wird ermöglicht, da eine Gasdiffusionslage nur im aktiven Bereich angeordnet ist.
Auch sind Bipolarplatten bekannt, bei welchen Kanäle des Anodengasströmungsfelds im aktiven Bereich spiegelsymmetrisch zu Kanälen des Kathodengasströmungsfelds verlaufen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen bereitzustellen, welche sich trotz einer vergleichsweise dünnen Bauform durch eine homogene Verteilung von Betriebsmitteln auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst:
Ein internes Kühlmittelströmungsfeld, welches einen Kühlmittelkanal umfasst,
eine erste Flachseite mit einem ersten Reaktantenströmungsfeld, welches wenigstens eine erste Kanalstruktur aufweist, und
eine zweite Flachseite mit einem zweiten Reaktantenströmungsfeld, welches wenigstens eine zweite Kanalstruktur aufweist,
wobei
die erste Flachseite und die zweite Flachseite an gegenüberliegenden Seiten der
Bipolarplatte angeordnet sind, und
die erste und die zweite Kanalstruktur jeweils einen Stammkanal und Astkanäle ausbilden, wobei
die Astkanäle in einem Verästelungsbereich von dem jeweiligen Stammkanal abzweigen, und zwischen den Astkanälen der ersten Kanalstruktur ein erster
Zwischenbereich und zwischen den Astkanälen der zweiten Kanalstruktur ein zweiter Zwischenbereich ausgebildet wird, wobei sich Normalprojektionen des ersten und des zweiten Zwischenbereichs auf eine Mittenebene der Bipolarplatte, welche zwischen den beiden Flachseiten der Bipolarplatte angeordnet ist, teilweise überlappen, sodass ein Überlappungsbereich gebildet wird.
Kennzeichnend ist vorgesehen, dass sich der Kühlmittelkanal von einem Außenbereich, welcher sich außerhalb des ersten und des zweiten Zwischenbereichs befindet, in den
Überlappungsbereich erstreckt, indem er dabei einen Transitbereich durchquert, wobei der Transitbereich ein Teilbereich der Normalprojektion des ersten Zwischenbereichs auf die Mittenebene ist, welcher aus dem Überlappungsbereich herausragt.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal bei einem Übergang von einem Bereich außerhalb beider Zwischenbereiche (dem Außenbereich) in einen Bereich, in welchem sich die beiden Zwischenbereiche überlappen (den Überlappungsbereich) einen Transitbereich, also einen Bereich in welchem lediglich der erste Zwischenbereich angeordnet ist, durchquert. Dadurch, dass der Kühlmittelkanal nicht abrupt vom Außenbereich in den Überlappungsbereich eintritt, sondern vielmehr zunächst in den ersten Zwischenbereich und mit einem Versatz in den zweiten Zwischenbereich eintritt, steht dem Kühlmittelkanal in einer Dickenrichtung, also in einer Richtung senkrecht zu den Flachseiten, mehr Platz zur Verfügung. Der Kühlmittelkanal kann beim Durchqueren (Durchdringen) des Transitbereichs eine
Richtungskomponente parallel zur Mittenebene und/oder eine Richtungskomponente senkrecht zur Mittenebene aufweisen.
Dies ist besonders dann der Fall, wenn sich ein Platzbedarf der ersten Kanalstruktur und/oder der zweiten Kanalstruktur in der Dickenrichtung auf eine Hälfte der Bipolarplatte beschränkt. Somit bleibt für den Kühlkanal die jeweils andere Hälfte der Bipolarplatte übrig, um sich zunächst an der ersten Kanalstruktur vorbei in den ersten Zwischenbereich (in den
Transitbereich) und sich anschließend an der zweiten Kanalstruktur vorbei auch in den zweiten Zwischenbereich, und somit in den Überlappungsbereich, zu erstrecken.
Die angeführten Bereiche können als Bereiche in einer rechtwinkligen Draufsicht auf eine der Flachseiten der Bipolarplatte verstanden werden. Bereiche im Inneren der Bipolarplatte oder solche, die dem Blick abgewandt sind, scheinen bei dieser Art der Betrachtung durch die Bipolarplatte durch. Die Bereiche können auch insgesamt als Normalprojektionen auf die zwischen den beiden Flachseiten der Bipolarplatte, insbesondere zwischen den beiden Hälften der Bipolarplatte, angeordnete Mittenebene angesehen werden. Auch dass sich der
Kühlmittelkanal von einem Außenbereich, welcher sich außerhalb des ersten und des zweiten Zwischenbereichs befindet, in den Überlappungsbereich erstreckt, indem er dabei den
Transitbereich durchquert, kann in der rechtwinkeligen Draufsicht (sodass sich ein
zweidimensionales Bild innerhalb einer Ebene ergibt) verstanden werden.
Das interne Kühlmittelströmungsfeld verbindet typischerweise wenigstens zwei
Kühlmittelöffnungen der Bipolarplatte. Die Kühlmittelöffnungen sind
Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und dienen innerhalb der Brennstoffzelle zur Zu- und Abführung von Kühlmittel zu und von der Bipolarplatte. Die Kühlmittelöffnungen durchdringen die Bipolarplatte typischerweise in der Dickenrichtung, sodass innerhalb der Brennstoffzelle Kühlmittelleitungen (Hauptversorgungsleitungen für Kühlmittel) gebildet werden, welche die Bipolarplatte in der Dickenrichtung durchdringen. Das Kühlmittelströmungsfeld ist
typischerweise ein zwischen den Kühlmittelöffnungen nach außen hin geschlossenes
Strömungsfeld. Die Reaktantenströmungsfelder verbinden typischerweise wenigstens zwei zugehörige
Reaktantenöffnungen der Bipolarplatte. So verbindet das erste Reaktantenströmungsfeld zwei erste Reaktantenöffnungen, während das zweite Reaktantenströmungsfeld zwei zweite
Reaktantenöffnungen verbindet. Auch die Reaktantenöffnungen sind
Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und dienen innerhalb der Brennstoffzelle zur Zuführung von Reaktanten zu der Bipolarplatte und zur Abführung eines Reaktionsprodukts (insbesondere Wasser) und unverbrauchter Reaktanten von der Bipolarplatte. Auch die Reaktantenöffnungen durchdringen die Bipolarplatte typischerweise in der Dickenrichtung, sodass innerhalb der Brennstoffzelle erste und zweite Reaktantenleitungen (Hauptleitungen für einen ersten
Reaktanten und Hauptleitungen für einen zweiten Reaktanten) gebildet werden, welche die Bipolarplatte in der Dickenrichtung durchdringen. Die Reaktantenströmungsfelder sind typischerweise auf der jeweiligen Flachseite offene Strömungsfelder.
Typischerweise bilden die einzelnen Kanäle (also die Stammkanäle und Astkanäle) des Kühlmittelströmungsfelds, des ersten Reaktantenströmungsfelds und/oder des zweiten
Reaktantenströmungsfelds diskrete Strömungskanäle aus. Dadurch können bevorzugt
Strömungsfelder mit mehreren Kanalstrukturen realisiert werden, welche jeweils zwei
Betriebsmitteldurchgangsöffnungen miteinander verbinden, jedoch außerhalb der
Betriebsmitteldurchgangsöffnung keine Verbindung zueinander aufweisen. Damit kann eine Gleichverteilung des Kühlmittels und der Reaktanten entlang der Bipolarplatte sichergestellt werden.
Die Flachseiten bezeichnen im Rahmen der vorliegenden Erfindung jene Seiten der
Bipolarplatte, welche die betragsmäßig größten Flächen aufweisen. Die Flachseiten weisen dabei die Reaktantenströmungsfelder und deren Kanalstrukturen und bei Bedarf noch weitere Strukturen auf. Ferner werden die Flachseiten von den Betriebsmitteldurchgangsöffnungen durchdrungen.
Die Stammkanäle der Kanalstrukturen sind bevorzugt mit den jeweiligen Reaktantenöffnungen fluidleitend verbunden. Somit ist der Stammkanal der wenigstens einen ersten Kanalstruktur mit einer der ersten Reaktantenöffnungen verbunden, während der Stammkanal der wenigstens einen zweiten Kanalstruktur mit einer der zweiten Reaktantenöffnungen verbunden ist. Somit führen die Astkanäle (weiter) in den aktiven Bereich. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff„Astkanäle" wenigstens zwei Astkanäle verstanden. Die Stammkanäle der Kanalstrukturen sind also typischerweise näher bei den Reaktantenöffnungen angeordnet als die davon abzweigenden Astkanäle. Mit anderen Worten führen die Stammkanäle ausgehend von den Verästelungsbereichen zu den Reaktantenöffnungen und die Astkanäle von den Reaktantenöffnungen weg.
Vorzugsweise ist der Transitbereich in einem Grenzbereich eines aktiven Bereichs der
Bipolarplatte mit einem Verteilerbereich der Bipolarplatte angeordnet. Eine Fläche des
Grenzbereichs beträgt bevorzugt höchstens 10 %, insbesondere höchstens 5 % einer Fläche des aktiven Bereichs. Der Transitbereich kann somit sowohl im aktiven Bereich und alternativ oder zusätzlich im Verteilerbereich angeordnet sein. Durch diese Ausgestaltung ist der
Transitbereich besonders platzsparend angeordnet.
Bevorzugt sind die Astkanäle im aktiven Bereich der Bipolarplatte und die Stammkanäle im (inaktiven) Verteilerbereich der Bipolarplatte angeordnet. Dies kann zusätzlich oder alternativ zur oben stehend beschriebenen Anordnung des Transitbereichs im Grenzbereich der Fall sein. Der aktive Bereich bildet bevorzugt einen mittleren Bereich der Bipolarplatte. Die typischerweise zwei beiden Verteilerbreiche grenzen insbesondere an gegenüberliegenden Seiten an den aktiven Bereich an. Durch diese Ausgestaltung sind im relativ engen Bereich um die
Reaktantenöffnungen und innerhalb der Verteilerbereiche nur wenige Stammkanäle notwendig, während im aktiven Bereich eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanten mittels einer größeren Anzahl an Astkanälen erfolgt.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Überlappungsbereich länglich ausgebildet ist und der Transitbereich an einer Stirnseite des Überlappungsbereichs angeordnet ist. Auch durch diese Ausgestaltung wird der Platzbedarf des Transitbereichs reduziert. Der
Kühlmittelkanal erstreckt sich somit vom Transitbereich kommend über die Stirnseite des Überlappungsbereichs in diesen. Der Kühlkanal kann sich vom Außenbereich über eine
Stirnseite oder eine laterale Seite des Überlappungsbereichs in den Transitbereich erstrecken.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Stammkanäle mittels wenigstens zweier Astkanäle miteinander verbunden. Dadurch erfolgt sowohl die Zuleitung von Reaktanten als auch die Ableitung von unverbrauchten Reaktanten oder Reaktionsprodukten mittels weniger Stammkanäle. Dadurch, dass die Zahl der Astkanäle die Zahl der Stammkanäle übersteigt, wird eine bessere Verteilung der Reaktanten im aktiven Bereich der Brennstoffzelle erreicht. Die Zwischenbereiche sind Bereiche zwischen den Astkanälen, welche typischerweise zum größten Teil (oder auch komplett) durch die zugehörigen Astkanäle begrenzt werden. Projiziert man die Zwischenbereiche rechtwinkelig auf die Mitten ebene der Bipolarplatte, so überlappen sich die Zwischenbereiche teilweise, sodass ein Überlappungsbereich gebildet wird.
Dort wo sich einer der Zwischenbereiche über eine Grenze des Überlappungsbereichs hinaus erstreckt, wird ein Bereich gebildet, welcher lediglich einen der beiden Zwischenbereiche aufweist. Durch einen solchen Bereich (Transitbereich) erstreckt sich der Kühlmittelkanal auf dem Weg vom Außenbereich, welcher sich außerhalb des ersten und des zweiten
Zwischenbereichs befindet, in den Überlappungsbereich.
Vorzugsweise weist ein Kühlmittelströmungsfeld eine Vielzahl an Kühlmittelkanälen auf, während die Reaktantenströmungsfelder jeweils eine Vielzahl an Kanalstrukturen aufweisen. Dadurch werden die Betriebsmedien besonders homogen verteilt. Jeder Stammkanal kann sich im Verästelungsbereich in wenigstens zwei Astkanäle, insbesondere drei, bevorzugt vier Astkanäle verästeln.
Bevorzugt erstrecken sich die von dem jeweiligen Verästelungsbereich kommenden Astkanäle in die gleiche Richtung, insbesondere in Richtung der gleichen Schmalseite der Bipolarplatte. Somit kann besonders einfach eine Gleichstrom- oder Gegenstromversorgung der
Brennstoffzellen mit Reaktanten erfolgen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Verästelungsbereich der zweiten Kanalstruktur zu dem Verästelungsbereich der ersten Kanalstruktur entlang einer parallel zur Mittenebene verlaufenden Richtung (insbesondere entlang einem der Astkanäle der ersten Kanalstruktur) versetzt angeordnet ist. Der vorteilhafte Versatz erfolgt also entlang einer Erstreckung der zweiten Flachseite der Bipolarplatte. Dadurch werden besonders platzsparend angeordnete Transitbereiche gebildet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal einen Teil der ersten Kanalstruktur, welcher den Außenbereich vom Transitbereich trennt, an einer der zweiten Flachseite zugewandten Seite, insbesondere in einer der zweiten Flachseite zugewandten Hälfte
(Halbplatte) der Bipolarplatte, überquert. Der zwischen dem Außenbereich und dem
Transitbereich angeordnete Teil der ersten Kanalstruktur trennt den Außenbereich vom
Transitbereich. Er muss vom Kühlmittelkanal somit gekreuzt werden, damit der Kühlmittelkanal vom Außenbereich in den Transitbereich vordringen kann. Dies erfolgt über die der zweiten Flachseite zugewandten Seite der ersten Kanalstruktur, also an der einer offenen Seite der Kanalstruktur abgewandten Seite. Durch diese Ausgestaltung kann eine ausreichende Dicke des Kühlmittelkanals beim Übergang in den Transitbereich gewährleistet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal einen Teil der zweiten Kanalstruktur, welcher den Transitbereich vom Überlappungsbereich trennt, an einer der ersten Flachseite zugewandten Seite, insbesondere in einer der ersten Flachseite zugewandten Hälfte der Bipolarplatte, überquert. Der zwischen dem Transitbereich und dem Überlappungsbereich angeordnete Teil der zweiten Kanalstruktur trennt den Transitbereich vom
Überlappungsbereich. Er muss vom Kühlmittelkanal somit gekreuzt werden, damit der
Kühlmittelkanal vom Transitbereich in den Überlappungsbereich vordringen kann. Dies erfolgt über die der ersten Flachseite zugewandten Seite der zweiten Kanalstruktur, also an der einen offenen Seite der zweiten Kanalstruktur abgewandten Seite. Durch diese Ausgestaltung kann eine ausreichende Dicke des Kühlmittelkanals beim Übergang in den Überlappungsbereich gewährleistet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der Kühlmittelkanal im Transitbereich innerhalb beider Halbplatten der Bipolarplatte erstreckt. Der Kühlmittelkanal weist somit im Transitbereich eine derartige Dicke auf, dass er sowohl innerhalb der ersten Halbplatte, als auch innerhalb der zweiten Halbplatte Platz einnimmt. Dadurch wird ein Druckverlust des Kühlmittels auf dem Weg durch den Transitbereich gesenkt. Dazu kann die zweite Halbplatte derart geformt sein, dass sich der Kühlmittelkanal und ein Kanal (ein Gaskanal) des zweiten Reaktantenströmungsfelds einen in der Dickenrichtung vorhandenen Platz teilen. Der Kanal des Reaktantenströmungsfelds ist somit dort, wo er den Kühlmittelkanal kreuzt, flacher (also lokal leicht eingeschränkt) ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der
Kühlmittelkanal auffächert (also verästelt oder verzweigt), wodurch eine verbesserte
Kühlwirkung erzielt wird. Ein einzelner Kühlmittelkanal fächert sich also in wenigstens zwei Kühlmittelkanäle auf. Vorzugsweise fächert sich der Kühlmittelkanal beim Verlassen des Außenbereichs (also vor einem Eintritt in den Transitbereich) auf. Dadurch erfolgt eine
Auffächerung des Kühlmittelkanals platzsparend erst dort, wo ein weiterer Kanal benötigt wird. Die Auffächerung erfolgt bevorzugt in Richtung der zweiten Flachseite, wodurch eine weitere Platzersparnis bewirkt wird. Insbesondere verläuft jener Teil des Kühlmittelkanals, welcher die Auffächerung mit der Kühlmittelöffnung verbindet, in der der ersten Flachseite zugewandten Hälfte (Halbplatte) der Bipolarplatte, wodurch in der der zweiten Flachseite zugewandten Hälfte (Halbplatte) der Bipolarplatte Platz für die zweite Kanalstruktur ist.
Zudem oder alternativ ist insbesondere vorgesehen, dass sich der Kühlmittelkanal im
Transitbereich (also vor einem Eintritt in den Überlappungsbereich) auffächert. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn sich ein Stammkanal in mehr als zwei Astkanäle verästelt, und jeder Zwischenraum zwischen den Astkanälen mit Kühlmittel gekühlt werden soll. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der Kühlmittelkanal im Transitbereich unmittelbar bei einem Verlassen des Transitbereichs in den Überlappungsbereich (erneut) auffächert, wodurch eine Auffächerung des Kühlmittelkanals platzsparend erst dann erfolgt, wenn ein weiterer Kanal benötigt wird. Dadurch kann der Transitbereich möglichst klein dimensioniert werden. Die Auffächerung erfolgt bevorzugt in Richtung der ersten Flachseite, wodurch eine weitere
Platzersparnis bewirkt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte zwei Halbplatten umfasst, zwischen welchen das Kühlmittelströmungsfeld angeordnet ist. Die Halbplatten sind insbesondere geprägte Metallplatten. Die Mittenebene ist dabei zwischen den beiden Halbplatten angeordnet. Somit werden die beiden Hälften der Bipolarplatte durch die beiden Halbplatten gebildet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Überlappungsbereich von den Astkanälen der ersten Kanalstruktur und den Astkanälen der zweiten Kanalstruktur begrenzt wird. Somit wird der Überlappungsbereich beidseitig sowohl von einem Astkanal der ersten Kanalstruktur, als auch von einem Astkanal der zweiten Kanalstruktur begrenzt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal im Überlappungsbereich von den
Astkanälen der ersten Kanalstruktur und den Astkanälen der zweiten Kanalstruktur begrenzt wird. Somit wird ein durch den Überlappungsbereich zur Verfügung gestellter Platz optimal von dem Kühlkanal ausgenutzt. Der Kühlmittelkanal wird mit Vorteil so dimensioniert, dass er zwischen den Astkanälen sowohl innerhalb einer der ersten Flachseite, als auch innerhalb einer der zweiten Flachseite der Bipolarplatte zugewandten Hälfte der Bipolarplatte verläuft. Dabei ist der Kühlmittelkanal von den Astkanälen mittels eines Materials der Bipolarplatte getrennt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Astkanäle der ersten Flachseite und/oder die Astkanäle der zweiten Flachseite parallel zueinander verlaufen. Dadurch, dass die Astkanäle der jeweiligen Flachseite parallel zueinander verlaufen, bleibt ein Abstand zwischen den Astkanälen der jeweiligen Flachseite konstant. Somit kann auch der Kühlmittelkanal zwischen den Astkanälen so dimensioniert werden, dass er eine konstante Breite aufweist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Reaktantenströmungsfeld ein
Anodengasströmungsfeld und das zweite Reaktantenströmungsfeld ein
Kathodengasströmungsfeld ist. Die erste Flachseite ist somit eine Anodenflachseite und die zweite Flachseite eine Kathodenflachseite. Ferner können somit die erste Kanalstruktur als eine Anodenkanalstruktur und die zweite Kanalstruktur als eine Kathodenkanalstruktur bezeichnet werden. Der erste Zwischenbereich kann ferner als ein Anodenzwischenbereich bezeichnet werden, während der zweite Zwischenbereich als ein Kathodenzwischenbereich bezeichnet werden kann. Ferner sind somit die ersten Reaktantenöffnungen Anodengasöffnungen und die zweiten Reaktantenöffnungen Kathodengasöffnungen. Somit wird bei gebräuchlichen
Anordnungen von Betriebsmitteldurchgangsöffnungen eine relativ einfache Führung des Kühlmittelströmungsfelds erreicht.
Ferner wird eine Brennstoffzelle umfassend eine erfindungsgemäße Bipolarplatte zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte zwischen zwei Membran- Elektroden-Einheiten der Brennstoffzelle angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich durch eine erhöhte volumetrische Leistungsdichte aus.
Ferner betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Brennstoffzelle aufweist, insbesondere als Energieversorgungsquelle für einen elektromotorischen Antrieb.
Sämtliche Ausgestaltungen der Erfindung sind mit Vorteil miteinander kombinierbar, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß dem Stand der
Technik;
Figur 2 eine Draufsicht auf Kanalstrukturen zur Verdeutlichung des Problems; Figur 3 eine Ansicht eines Teilbereichs der Bipolarplatte gemäß einer ersten
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
Figur 4 eine Draufsicht auf einen Kühlmittelkanal gemäß der ersten Ausgestaltung der
Erfindung;
Figur 5 eine Ansicht eines Teilbereichs der Bipolarplatte gemäß einer zweiten
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung; und
Figur 6 eine dreidimensionale Darstellung gemäß der zweiten Ausgestaltung der
Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine gattungsgemäße Bipolarplatte 10. Die Bipolarplatte 10 ist zur Verwendung in einer Brennstoffzelle 100 vorgesehen und weist eine erste Flachseite 1 1 und eine zweite Flachseite 12 auf, wobei der Blick in Figur 1 auf die zweite Flachseite 12 gerichtet ist. Die Flachseiten 1 1 und 12 sind an gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 10 angeordnet. Zur Verdeutlichung, dass die erste Flachseite 1 1 auf einer dem Blick abgewandten Seite der Figuren angeordnet ist, ist ein Bezugszeichenpfeil der Flachseite 1 1 gestrichelt dargestellt. Die Bipolarplatte 10 weist Betriebsmitteldurchgangsöffnungen auf, welche als erste Reaktantenöffnungen 21 , zweite Reaktantenöffnungen 22 oder
Kühlmittelöffnungen 23 ausgebildet sind und die Bipolarplatte 10 in der gezeigten Blickrichtung durchdringen.
Die jeweiligen Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 21 , 22, 23 werden von zugehörigen
Strömungsfeldern fluidleitend miteinander verbunden. Zu den Strömungsfeldern gehört ein erstes Reaktantenströmungsfeld 31 , welches die ersten Reaktantenöffnungen 21 fluidleitend miteinander verbindet, und ein zweites Reaktantenströmungsfeld 32, welches die zweiten Reaktantenöffnungen 22 fluidleitend miteinander verbindet. Das erste und das zweite
Reaktantenströmungsfeld 31 , 32 bilden zur jeweiligen Flachseite 1 1 , 12 hin offene Kanäle aus. Ein im Inneren der Bipolarplatte 10 angeordnetes, also internes Kühlmittelströmungsfeld 33, welches die Kühlmittelöffnungen 23 miteinander fluidleitend verbindet, wird durch eine Vielzahl an Kühlkanälen 43 gebildet.
Die Bipolarplatte 10 kann in einen (chemisch) aktiven Bereich 16 und zwei Verteilerbereiche 14 unterteilt werden. Beispielsweise in Grenzbereichen 18 des aktiven Bereichs 16 mit den Verteilerbereichen 14 können Kanäle der Reaktantenströmungsfelder 31 , 32 Verästelungen aufweisen. Durch die Verästelungen werden einzelne Stammkanäle 44 der
Reaktantenströmungsfelder 31 , 32 in mehrere (wenigstens zwei) Astkanäle 46 aufgeteilt. Die Aufteilung des Stammkanals 44 in die wenigstens zwei Astkanäle 46 erfolgt in
Verästelungsbereichen 48.
In Detail D, welches eine dreidimensionale Schnittansicht der in Figur 1 ersichtlichen
Bipolarplatte 10 darstellt, ist eine solche Verästelung beim Übergang von einem der
Verteilerbereiche 14 in den aktiven Bereich 16 gezeigt. Der Übergang von dem aktiven Bereich 16 in den anderen Verteilerbereich 14 kann analog dazu ausgebildet sein.
Bipolarplatten 10 können zwei Halbplatten 19 aufweisen, welche jeweils eine Hälfte der Bipolarplatte 10 und zusammen die Bipolarplatte 10, oder einen Grundkörper der Bipolarplatte 10 bilden. Dazu werden die Halbplatten 19 mit ihren Flachseiten aufeinandergestapelt und zueinander abgedichtet, zum Beispiel verschweißt, wodurch das Kühlmittelflussfeld 33 gegen die Umgebung abgedichtet wird. An den Außenseiten der zu einer Bipolarplatte 10
verbundenen Halbplatten 19 befinden sich die Reaktantenflussfelder 31 , 32, während zwischen den Halbplatten 19 das Kühlmittelflussfeld 33 gebildet wird. Die Halbplatten 19 können beispielsweise aus einem Metallblech geprägt sein.
Die Stammkanäle 44 erstrecken sich als eine Vielzahl länglicher Kanäle, sodass längliche Erhöhungen 50, welche zwischen den Stammkanälen 44 angeordnet sind und die
Stammkanäle 44 räumlich voneinander trennen, als Raum für Kühlkanäle 43 genutzt werden können. Diese Kühlkanäle 43 können auch als Kühlkanäle 43 im aktiven Bereich 16 fortgesetzt werden und verlaufen dann parallel zu den Astkanälen 46 - siehe Detail D. In Detail D ist auch ersichtlich, dass eine Erhöhung 50, welche die beiden Astkanäle 46 einer Kanalstruktur 41 , 42 voneinander trennt, im Verästelungsbereich 48 ihren Anfang findet.
Bipolarplatten 10 werden dahingehend optimiert, dass sie in ihrer Dickenrichtung 60 (somit rechtwinkelig zur Erstreckung ihrer Flachseiten 1 1 , 12) eine möglichst geringe Erstreckung, also insgesamt eine möglichst geringe (Platten-) Dicke aufweisen. Dadurch wird ein Zellabstand zwischen Einzelzellen (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 100 reduziert, was es ermöglicht, mehr Einzelzellen bei gleichbleibender Dicke der Brennstoffzelle 100 unterzubringen. Ohne Unterschreitung einer mindestens einzuhaltenden Wandstärke eines Materials der Halbplatten 19 und einer mindestens erforderlichen Kanalhöhe können die Kanäle der beiden
Reaktantenflussfelder 31 , 32 und des Kühlmittelflussfelds 33 in der Dickenrichtung 60 nicht übereinander gestapelt werden. Somit konnten in den Erhöhungen 50 zwischen den Astkanälen 46 bisher keine Kühlmittelkanäle 43 vorgesehen werden, weshalb ein Bereich zwischen zusammengehörenden Astkanälen 46 bisher nicht gekühlt wurde.
In Figur 2 sind zur Verdeutlichung der Problematik Teile der Reaktantenströmungsfelder 31 , 32, und des Kühlmittelströmungsfelds 33 mit Blickrichtung entsprechend der Draufsicht in Figur 1 durchscheinend übereinander dargestellt. Von den Strömungsfeldern 31 , 32, 33 sind Bereiche in der Nähe eines der Verästelungsbereiche 48 dargestellt.
Begrenzungslinien der Strömungsfelder 31 , 32, 33 sind entsprechend ihrer Sichtbarkeit gezeichnet. Symbole, welche den Verlauf der Strömungsfelder 31 verdeutlichen (Punkte für das Kühlmittelströmungsfeld, Kreise für das erste Strömungsfeld und Sterne für das zweite
Strömungsfeld), sind durchscheinend durch darüber liegende Strömungsfelder dargestellt, um auch den Verlauf der darunterliegenden Strömungsfelder nachvollziehen zu können. Dadurch können jene Astkanäle 46, welche auf der ersten Flachseite 1 1 und auf der zweiten Flachseite 12 einen teilweise deckungsgleichen Verlauf aufweisen, dargestellt werden.
Durch die relativ geringe Dicke der Bipolarplatte 10 konnte bisher gemäß dem Stand der Technik ein Freiraum 49 innerhalb der Erhöhung 50 zwischen beiden Astkanälen 46 der Kanalstrukturen 31 , 32 nicht an das Kühlmittelströmungsfeld 33 angeschlossen werden. Der Freiraum 49 konnte im Betrieb der Brennstoffzelle 100 also nicht mit Kühlmittel versorgt werden.
Das Problem entsteht also primär, wenn die Anzahl der Kanäle im aktiven Bereich 16 vorteilhafterweise die Anzahl der Kanäle in dem angrenzenden Verteilerbereich 14 übersteigt. Die dazu notwendige Verästelung (Aufteilung), welche an der Grenze zwischen dem aktiven Bereich 16 und den Verteilerbereichen 14 erfolgt, erschwert eine Aufteilung eines
Kühlmittelkanals 43, wie in Figur 2 ersichtlich ist.
Bei dickeren Bipolarplatten 10 wäre ein Eindringen des Kühlmittelkanals 43 zwischen die beiden Astkanäle 46 theoretisch möglich, da die Bipolarplatte 10 in der Dickenrichtung 60 dick genug dimensioniert werden könnte, um eine Aufteilung aller drei Betriebsmedien (Fluide) am selben Ort zu gewährleisten. Dies ist aufgrund der bei aktuellen Bipolarplatten verringerten Dicke nicht möglich oder zumindest nicht erstrebenswert.
Figur 3 zeigt eine Ansicht eines Teilbereichs der Bipolarplatte 10 gemäß einer ersten
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Es wird im Folgenden hauptsächlich auf Unterscheidungsmerkmale der Bipolarplatte 10 gemäß der Erfindung zu den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Bipolarplatten 10 eingegangen.
Die Bipolarplatte 10 gemäß der ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung unterscheidet sich von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Bipolarplatte 10 dadurch, dass auch zwischen den Astkanälen 46 der jeweiligen Kanalstruktur 31 , 32 Kühlmittelkanäle 43 vorgesehen sind.
Wie auch in den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, sind zwischen den Astkanälen 46 der ersten Kanalstruktur 31 ein erster Zwischenbereich 51 und zwischen den Astkanälen 46 der zweiten Kanalstruktur 32 ein zweiter Zwischenbereich 52 ausgebildet. In den Figuren 1 , 2, 3 und 5 sind die Zwischenbereiche 51 und 52 durch unterschiedlich orientierte Schraffuren dargestellt. Die im Detail D von Figur 1 ersichtlichen Schraffuren dienen jedoch lediglich der Darstellung der Schnittfläche.
Normalprojektionen des ersten und des zweiten Zwischenbereichs 51 , 52 auf eine zwischen den beiden Flachseiten 1 1 , 12 der Bipolarplatte 10 angeordnete Mittenebene 56 überlappen sich teilweise, sodass ein Überlappungsbereich 53 gebildet wird. Die in den Figuren 1 , 2, 3 und 5 dargestellten Zwischenbereiche 51 , 52 sind als solche Normalprojektionen dargestellt. In den Figuren 1 und 2 sind die gesamten Zwischenbereiche 51 und 52 innerhalb des
Überlappungsbereichs 53 dargestellt. Die Mittenebene 56 erstreckt sich zwischen den beiden Flachseiten 1 1 und 12 der Bipolarplatte 10, also parallel zu deren Oberfläche. Bei einem Aufbau der Bipolarplatte 10, wie er in Detail D von Figur 1 gezeigt ist, verläuft die Mittenebene 56 zwischen den beiden Halbplatten 19.
Gemäß der Erfindung ist nun jedoch vorgesehen, dass ein Teilbereich des ersten
Zwischenbereichs 51 aus dem Überlappungsbereich 53 herausragt. Der Teilbereich des ersten Zwischenbereichs 51 wird folgend als Transitbereich 55 bezeichnet. Ein Kühlmittelkanal 43 erstreckt sich von einem Außenbereich 54, welcher sich außerhalb des ersten und des zweiten Zwischenbereichs 51 , 52 befindet, in den Überlappungsbereich 53, indem er dabei den
Transitbereich 55 durchquert.
Dadurch muss der Kühlmittelkanal 43 nicht zwischen der ersten und der zweiten Kanalstruktur 41 , 42 gleichzeitig hindurchgeführt werden, wie es gemäß dem Stand der Technik gemäß den Figuren 1 und 2 notwendig wäre. Vielmehr überquert der Kühlmittelkanal 43 einen Teil der ersten Kanalstruktur 41 , welcher den Außenbereich 54 vom Transitbereich 55 trennt, an einer der zweiten Flachseite 12
zugewandten Seite. Im Beispiel gemäß den Figuren 3 und 4 überquert, also kreuzt, der Kühlmittelkanal 43 einen der Astkanäle 46 der ersten Kanalstruktur 41 . Dies erfolgt in einer der zweiten Flachseite 12 zugewandten Hälfte der Bipolarplatte 10, also in der der zweiten
Flachseite 12 zugewandten Halbplatte 19 der Bipolarplatte 10. Dies ist besonders deutlich in Figur 4 ersichtlich, welche eine Draufsicht auf einen Kühlmittelkanal 43 gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung darstellt. Vom Kühlmittelkanal 43 ist dabei ein freies Volumen des Kühlmittelkanals 43 (also ein„Kanalinhalt") gezeigt.
Jenen Teil der zweiten Kanalstruktur 42, welcher den Transitbereich 55 vom
Überlappungsbereich 53 trennt, überquert der Kühlmittelkanal 43 an einer der ersten Flachseite 1 1 zugewandten Seite der Kanalstruktur 42. Dies erfolgt in einer der ersten Flachseite 1 1 zugewandten Hälfte der Bipolarplatte 10, also in der der ersten Flachseite 1 1 zugewandten Halbplatte 19 der Bipolarplatte 10 - siehe wiederum Figur 4. Wie in Figur 4 ersichtlich ist, kreuzt auch der Stammkanal 44 der zweiten Kanalstruktur 42 den Kühlmittelkanal 43 in der der zweiten Flachseite 12 zugewandten Hälfte der Bipolarplatte 10. Ansonsten kann sich der Kühlmittelkanal 43 auf beide Hälften der Bipolarplatte 10 erstrecken, sodass er sowohl zwischen den Astkanälen 46 der ersten Kanalstruktur 41 als auch zwischen den Astkanälen 46 der zweiten Kanalstruktur 42 verläuft.
Um eine möglichst kompakte Anordnung mehrerer Kanalstrukturen 41 oder 42 nebeneinander, zu einem Reaktantenströmungsfeld 31 oder 32 zu ermöglichen, sind die Verästelungsbereiche 48 entlang einer parallel zur Mittenebene 56 verlaufenden Richtung versetzt angeordnet. Im Speziellen ist der Verästelungsbereich 48 der zweiten Kanalstruktur 42 entlang den Astkanälen 46 der ersten Kanalstruktur 41 versetzt angeordnet. Die Astkanäle 46 der ersten und der zweiten Kanalstruktur 41 , 42 weisen einen im Wesentlichen spiegelsymmetrischen Verlauf zur Mittenebene 56 auf. Der in Figur 4 ersichtliche Versatz der Astkanäle 46 der ersten
Kanalstruktur 41 zu den Astkanälen 46 der zweiten Kanalstruktur 42 ist der Darstellbarkeit geschuldet.
Der Überlappungsbereich 53 ist länglich ausgebildet und der Transitbereich 55 ist an einer Stirnseite (also an einer Schmalseite) des Überlappungsbereichs 53 in dem Grenzbereich 18 des aktiven Bereichs 16 und des Verteilerbereichs 14 angeordnet. Somit dringt der
Kühlmittelkanal 43 über eine Stirnseite des Überlappungsbereichs 53 in diesen ein. Es ist aus Figur 3 und auch 5 ersichtlich, dass die Reaktantenströmungsfelder 31 und 32 dadurch gebildet werden können, indem die gezeigten Teilbereiche seitlich versetzt aneinandergereiht werden. Die Stammkanäle 44 sind wiederum im Verteilerbereich 14 der Bipolarplatte 10 angeordnet, während die Astkanäle 46 im aktiven Bereich 16 der Bipolarplatte 10 angeordnet sind.
Der Kühlmittelkanal 43 fächert sich beim Verlassen des Außenbereichs 54 am Weg in den Transitbereich 55 auf, wodurch eine platzsparende Auffächerung des Kühlmittelkanals 43 gegeben ist. Parallel zu den jeweils zwei Astkanälen 46 der ersten und zweiten Kanalstruktur 41 , 42 verlaufen somit zwei Kühlmittelkanäle 43. Dies bewirkt, dass je ein Kühlmittelkanal 43 zwischen den insgesamt vier Astkanälen 46 der ersten und zweiten Kanalstruktur 41 , 42, als auch ein Kühlmittelkanal 43 zwischen zwei benachbarten ersten Kanalstrukturen 41 und zwei benachbarten zweiten Kanalstrukturen 42 verläuft.
Wie ersichtlich ist, wird der Kühlmittelkanal 43 im Überlappungsbereich 53 von den Astkanälen 46 der ersten Kanalstruktur 41 und den Astkanälen 46 der zweiten Kanalstruktur 42 begrenzt. Somit werden die Astkanäle 46 und der Kühlmittelkanal 43 lediglich durch eine gemeinsame Wandung voneinander getrennt.
Das erste Reaktantenströmungsfeld 31 kann innerhalb der Brennstoffzelle 100 als ein
Anodengasströmungsfeld 31 und das zweite Reaktantenströmungsfeld 32 als ein
Kathodengasströmungsfeld 32 dienen. Die erste Flachseite 1 1 kann somit als Anodenflachseite 1 1 und die zweite Flachseite als Kathodenflachseite 12 bezeichnet werden. Ferner können die erste Kanalstruktur 41 als eine Anodenkanalstruktur 41 und die zweite Kanalstruktur 42 als eine Kathodenkanalstruktur 42 bezeichnet werden. Der erste Zwischenbereich 51 kann ferner als ein Anodenzwischenbereich 51 bezeichnet werden, während der zweite Zwischenbereich 52 als ein Kathodenzwischenbereich 52 bezeichnet werden kann. Somit wird bei gebräuchlichen
Anordnungen von Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, also Kühlmittelöffnungen 23, ersten Reaktantenöffnungen 21 , welche als Anodengasöffnungen 21 bezeichnet werden können, und zweiten Reaktantenöffnungen 22, welche als Kathodengasöffnungen 22 bezeichnet werden können, eine relativ einfache Führung des Kühlmittelströmungsfelds 33 erreicht.
Insgesamt können die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 21 , 22, 23, wie in Figur 1 ersichtlich ist, an gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 10 angeordnet sein. Dadurch ist der aktive Bereich 16 zwischen den Betriebsmittelöffnungen 21 , 22, 23 angeordnet.
Figur 5 zeigt eine Ansicht eines Teilbereichs der Bipolarplatte 10 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Im Unterschied zur oben erläuterten ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung überquert der Kühlmittelkanal 43 die erste
Kanalstruktur 41 am Verästelungsbereich 48 der ersten Kanalstruktur 41 , also an einer
Stirnseite des länglichen Überlappungsbereichs 53.
Der Stammkanal 44 der zweiten Kanalstruktur 42 verläuft abschnittsweise an einer der zweiten Flachseite 12 zugewandten Seite des Kühlmittelkanals 43, bis er in den Verästelungsbereich 48 übergeht. Auch dadurch ergibt sich ein Versatz der beiden Verästelungsbereiche 48 in einer Längsrichtung der Astkanäle 46.
Figur 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Teilausschnitts von Strömungsfeldern 31 , 32, 33 gemäß der in Figur 5 ersichtlichen, zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Von den Strömungsfeldern 31 , 32, 33 sind dabei freie Volumen der Strömungsfelder 31 , 32, 33 (also „Kanalinhalte") gezeigt. Die Halbplatten 19 stellen für die Kanäle 43, 44, 46 trapezförmige Querschnitte bereit. Die trapezförmigen Querschnitte erleichtern einerseits die Herstellung der Halbplatten 19 und vergrößern gleichzeitig eine Austrittfläche von Reaktanten aus den
Kanalstrukturen 41 , 42.
In den beiden bevorzugten Ausgestaltungen sind der Einfachheit halber nur Verästelungen eines Stammkanals 44 auf jeweils zwei Astkanäle 46 gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, zum Beispiel auf der Kathodenseite 12 oder beiden Seiten 1 1 , 12, Stammkanäle 44 auf jeweils drei, vier oder mehr Astkanäle 46 aufzuteilen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 100 tritt durch eine der ersten Reaktantenöffnungen ein
Anodengas, zum Beispiel Wasserstoff, in das erste Reaktantenströmungsfeld 31 ein und wird im Verteilerbereich 14 von den Stammkanälen 44 des ersten Reaktantenströmungsfelds 31 zum Verästelungsbereich 48 geleitet. Im Verästelungsbereich 48 wird das Anodengas auf die Astkanäle 46 des ersten Reaktantenströmungsfelds 31 aufgeteilt - siehe Pfeilrichtungen in Figur 4.
Analog dazu tritt im Betrieb der Brennstoffzelle 100 durch eine der zweiten
Reaktantenöffnungen 22 ein Kathodengas, zum Beispiel Luft, in das zweite
Reaktantenströmungsfeld 32 ein und wird im Verteilerbereich 14 von den Stammkanälen 44 des zweiten Reaktantenströmungsfelds 32 zum Verästelungsbereich 48 des zweiten
Reaktantenströmungsfelds 32 geleitet. Im Verästelungsbereich 48 wird das Kathodengas auf die Astkanäle 46 des zweiten Reaktantenströmungsfelds 32 aufgeteilt - siehe auch Pfeilrichtungen in Figur 4. Die beiden Reaktanten müssen dabei nicht in die gleiche Richtung strömen, sie können zum Beispiel auch im Gegenstrom strömen.
Ein Kühlmittel, zum Beispiel eine Wasser-Frostschutz-Mischung, wird durch eine der
Kühlmittelöffnungen 23 in das Kühlmittelströmungsfeld 33 eingeleitet und kurz vor dem Eintritt in den Transitbereich 55 aufgeteilt. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels kann innerhalb des Verteilerbereichs 14 sowohl in der in Figur 6 gezeigten Strömungsrichtung als auch in der entgegengesetzten Strömungsrichtung gerichtet sein.
Im aktiven Bereich 16 treten das Anoden- und Kathodengas aus der Bipolarplatte 10 aus und werden üblicherweise durch eine Gasdiffusionslage (nicht dargestellt) zu einer Membran- Elektroden-Einheit geleitet, wo der Brennstoffzellenprozess stattfindet. Beim
Brennstoffzellenprozess entsteht (Ab-)Wärme, welche vom Kühlmittel aufgenommen wird. Dadurch, dass nun auch in den Überlappungsbereichen 53 Kühlmittelkanäle 43 vorgesehen sind, wird eine Temperatur in der Brennstoffzelle 100 homogenisiert, es treten also geringere lokale Temperaturschwankungen auf.
Beim Übergang von dem aktiven Bereich 16 in den zweiten Verteilerbereich 14 vereinigen sich die Astkanäle 46 der Strömungsfelder 31 , 32 in Verästelungsbereichen 48 wieder zu
Stammkanälen 44, welche zu den Reaktantenöffnungen 21 , 22 führen. Auch die aufgefächerten Kühlmittelkanäle 43 werden wieder teilweise zusammengefasst und zu der Kühlmittelöffnung 23 geführt. Dies kann auf umgekehrte Weise wie beim Übergang vom Verteilerbereich 14 in den aktiven Bereich 16 erfolgen. Die in den Figuren 4 und 6 gezeigten Pfeilrichtungen drehen sich dabei um.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die oben stehende Erfindung auch bei flachen Bipolarplatten 10 ein Kühlmittelkanal 43 zwischen den Astkanälen 46 der
Kanalstrukturen 41 , 42 angeordnet werden kann. Dies erfolgt, indem der Kühlmittelkanal 53 an beiden Seiten 1 1 , 12 der Bipolarplatte 10 verläuft. Dazu nimmt der Kühlkanal 53 eine negative Form einer Geometrie der Anodenkanalstruktur 41 oder der Kathodenkanalstruktur 42 an. Der Kühlmittelkanal 43 schlängelt sich also zwischen den Kanalstrukturen 41 und 42 durch, um in den Überlappungsbereich 53 zu gelangen.
Um die drei Betriebsmittel (beide Reaktanten und das Kühlmittel) in einem relativ kleinen Bereich aufteilen zu können, wurde eine neue Geometrie geschaffen. Die Geometrie erlaubt es dem Kühlmittel, welches normalerweise in einer der ersten Flachseite 1 1 zugewandten Hälfte oder Halbplatte 19 (in der Anodengashälfte, also Kraftstoffhälfte) der Bipolarplatte 10 strömt, zu einer der zweiten Flachseite 12 zugewandten Hälfte oder Halbplatte 19 der Bipolarplatte 10 zu „springen". Dies erfolgt in einem Bereich, welcher keine zweiten Kanalstrukturen 42 aufweist. Dadurch kann das Kühlmittel an einem Kanalgrund der ersten Kanalstruktur 41 vorbeiströmen. Anschließend kann das Kühlmittel an einem Kanalgrund der zweiten Kanalstruktur 42 vorbeiströmen. Dazu werden die Anodengas- und Kathodengasströme phasenverschoben, also an unterschiedlichen Orten aufgeteilt.
Durch die Erfindung werden dünnere Bipolarplatten realisiert. Ferner können bei einer gleichverteilten Kühlmittelflussverteilung weniger Kanäle im Verteilerbereich 14 als im aktiven Bereich 16 vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste
Bipolarplatte erste Flachseite / Anodenflachseite
zweite Flachseite / Kathodenf lachseite
Verteilerbereich
aktiver Bereich
Grenzbereich
Halbplatten erste Reaktantenöffnung / Anodengasöffnung
zweite Reaktantenöffnung / Kathodengasöffnung
Kühlmittelöffnung erstes Reaktantenströmungsfeld / Anodengasströmungsfeld zweites Reaktantenströmungsfeld / Kathodengasströmungsfeld Kühlmittelströmungsfeld erste Kanalstruktur / Anodenkanalstruktur
zweite Kanalstruktur / Kathodenkanalstruktur
Kühlmittelkanal
Stammkanal
Astkanal
Verästelungsbereich
Freiraum
Erhöhung
erster Zwischenbereich
zweiter Zwischenbereich
Überlappungsbereich
Außenbereich
Transitbereich
Mittenebene
Brennstoffzelle

Claims

Patentansprüche
1 . Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend
- ein internes Kühlmittelströmungsfeld (33), welches einen Kühlmittelkanal (43) umfasst,
- eine erste Flachseite (1 1 ) mit einem ersten Reaktantenströmungsfeld (31 ), welches wenigstens eine erste Kanalstruktur (41 ) aufweist, und
- eine zweite Flachseite (12) mit einem zweiten Reaktantenströmungsfeld (32), welches wenigstens eine zweite Kanalstruktur (42) aufweist,
wobei
- die erste Flachseite (1 1 ) und die zweite Flachseite (12) an gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte (10) angeordnet sind, und
- die erste und die zweite Kanalstruktur (41 , 42) jeweils einen Stammkanal (44) und Astkanäle (46) ausbilden, wobei
die Astkanäle (46) in einem Verästelungsbereich (48) von dem jeweiligen Stammkanal (44) abzweigen, und zwischen den Astkanälen (46) der ersten Kanalstruktur (31 ) ein erster Zwischenbereich (51 ) und zwischen den Astkanälen (46) der zweiten Kanalstruktur (32) ein zweiter Zwischenbereich (52) ausgebildet wird, wobei sich Normalprojektionen des ersten und des zweiten Zwischenbereichs (51 , 52) auf eine Mittenebene (56) der Bipolarplatte (10), welche zwischen den beiden Flachseiten (1 1 , 12) der Bipolarplatte (10) angeordnet ist, teilweise überlappen, sodass ein Überlappungsbereich (53) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlmittelkanal (43) von einem Außenbereich
(54) , welcher sich außerhalb des ersten und des zweiten Zwischenbereichs (51 , 52) befindet, in den Überlappungsbereich (53) erstreckt, indem er dabei einen Transitbereich
(55) durchquert, wobei der Transitbereich (55) ein Teilbereich der Normalprojektion des ersten Zwischenbereichs (51 ) auf die Mittenebene (56) ist, welcher aus dem
Überlappungsbereich (53) herausragt.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Transitbereich (55) in einem Grenzbereich (18) eines aktiven Bereichs (16) der Bipolarplatte (10) mit einem Verteilerbereich (14) der Bipolarplatte (10) angeordnet ist.
3. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Astkanäle (46) in dem aktiven Bereich (16) der Bipolarplatte (10) und die Stammkanäle (44) in dem
Verteilerbereich (14) der Bipolarplatte (10) angeordnet sind.
4. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (53) länglich ausgebildet ist und der Transitbereich (55) an einer Stirnseite des Überlappungsbereichs (53) angeordnet ist.
5. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (43) einen Teil der ersten Kanalstruktur (41 ), welcher den
Außenbereich (54) vom Transitbereich (55) trennt, an einer der zweiten Flachseite (12) zugewandten Seite, insbesondere in einer der zweiten Flachseite (12) zugewandten Hälfte der Bipolarplatte (10), überquert.
6. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (43) einen Teil der zweiten Kanalstruktur (42), welcher den Transitbereich (55) vom Überlappungsbereich (53) trennt, an einer der ersten Flachseite (1 1 ) zugewandten Seite, insbesondere in einer der ersten Flachseite (1 1 ) zugewandten Hälfte der Bipolarplatte (10), überquert.
7. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlmittelkanal (43) bei einem Verlassen des Außenbereichs (54) auffächert.
8. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (43) im Überlappungsbereich (53) von den Astkanälen (46) der ersten Kanalstruktur (41 ) und den Astkanälen (46) der zweiten Kanalstruktur (42) begrenzt wird.
9. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reaktantenströmungsfeld (31 ) ein Anodengasströmungsfeld (31 ) und das zweite Reaktantenströmungsfeld (32) ein Kathodengasströmungsfeld (32) ist.
10. Brennstoffzelle (100) umfassend eine Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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