WO2020007730A1 - Flow field plate for fuel cells with three individual plates, as well as fuel cell and fuel cell stack with such flow field plates - Google Patents

Flow field plate for fuel cells with three individual plates, as well as fuel cell and fuel cell stack with such flow field plates Download PDF

Info

Publication number
WO2020007730A1
WO2020007730A1 PCT/EP2019/067348 EP2019067348W WO2020007730A1 WO 2020007730 A1 WO2020007730 A1 WO 2020007730A1 EP 2019067348 W EP2019067348 W EP 2019067348W WO 2020007730 A1 WO2020007730 A1 WO 2020007730A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plate
anode
cathode
fuel cell
spacer elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/067348
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Adel Jilani
Sanjiv Kumar
Original Assignee
Audi Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi Ag filed Critical Audi Ag
Publication of WO2020007730A1 publication Critical patent/WO2020007730A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0256—Vias, i.e. connectors passing through the separator material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, as well as a fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates
  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell.
  • the invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack with such bipolar plates.
  • Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a structure consisting of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the latter mostly include supported precious metals, especially platinum.
  • gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
  • the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical voltages of which add up.
  • Bipolar plates also called flow field or separator plates
  • the individual membrane electrode arrangements which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, that is to say the reactants, and usually also serve for cooling.
  • the bipolar plates ensure an electrically conductive contact with the membrane electrode assemblies.
  • the fuel anode operating medium
  • hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture is over an anode-side open flow field of the bipolar plate is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with the release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e).
  • a (water-bound or water-free) transport of the protons from the anode space into the cathode space takes place via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them.
  • the electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line.
  • the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture (e.g. air) as the cathode operating medium via an open flow field on the cathode side of the bipolar plate, so that a reduction from 0 2 to O 2 takes place with the absorption of the electrons (14 0 2 + 2 e 4 O 2 ).
  • oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported across the membrane to form water (O 2 + 2 H + 4 H 2 0).
  • the fuel cell stack is supplied with its operating media, ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant, via main supply channels which penetrate the stack in its entire stacking direction and from which the operating media pass the bipolar plates are fed to the individual cells.
  • the operating media ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant.
  • bipolar plates consist of two interconnected half plates, each of which is structured on both sides. Structures for transporting the operating media are required on the sides facing away from one another and structures for the transport of coolant are required on the sides facing one another.
  • the half-plates must be matched to each other, since three separate transport routes must be made available by means of two half-plates. This leads to further boundary conditions which reduce the flexibility of the designs of the bipolar plates. In typical designs, the half-plates are better known Bipolar plates are profiled, the profiles engaging or nested.
  • EP 1 432 060 A1 proposes a bipolar plate that consists of three individual plates. However, the three plates are structured in the same way, that is, the cathode flow field, anode flow field and coolant flow field are identical.
  • bipolar plates which are flat on one side and form a flow field on the opposite side by the arrangement of spacer elements or a profile.
  • a membrane electrode unit is arranged at each of the flow fields.
  • the described bipolar plates have in common that when the membrane-electrode unit is arranged on the bipolar plate, there is a so-called intrusion of the gas diffusion layer (GDL) belonging to the membrane-electrode unit into the channels of the flow field.
  • GDL gas diffusion layer
  • the invention is based on the object of preventing or at least reducing a reduction in the channel cross section in a fuel cell.
  • a first aspect of the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell with an active area and an inactive area.
  • the bipolar plate comprises a stack with an anode plate, a cathode plate and a cooling plate which are stacked one above the other along their long sides.
  • a coolant plate is arranged plane-parallel on the anode plate
  • a cathode plate is arranged plane-parallel on the coolant plate.
  • the plates each have an essentially flat side.
  • first spacer elements are arranged on a side of the anode and cathode plate opposite the flat side, which are integrally connected to the respective plate.
  • the anode plate and the cathode plate have a plurality of through openings in the active region.
  • level is to be understood to mean that the plate on the relevant side has a flat, at least in the active area, surface which is not structured by elevations, bulges or profiles.
  • the through openings enable the channels to be supplied with operating gas from both sides of the respective plate. It is thus possible to arrange the membrane electrode assembly on the flat surface of the substantially flat side of the respective plate.
  • the operating gases then flow through the gas diffusion layer through the through openings into the flow field or vice versa.
  • the arrangement of the compressible gas diffusion layer on the essentially flat side of the plate in turn prevents intrusion of the gas diffusion layer into the channels.
  • the cross sections of the flow field of the plates thus remain unaffected by the gas diffusion layer even in the compressed layer stack.
  • the arrangement described prevents areas of the bipolar plate from exerting pressure on the gas diffusion layer at points or over a small area, and the gas diffusion layer is subsequently compressed inhomogeneously.
  • the bipolar plate according to the invention accordingly reduces a local increase in the flow resistance of the loading drive gases both in the flow field of the bipolar plate and in the gas diffusion layer arranged on the bipolar plate.
  • the through openings are essentially holes, which can have almost any shape and size. Regular shapes such as circles, ellipses, rectangles, squares or regular polygons are particularly preferred.
  • the respective plate is flat, at least in the active area, so it has no profiling, in particular no elevations and no recesses or depressions.
  • a sum of the area of the respective plate between the through openings in the active area preferably corresponds at least to the area of all through openings in the active area of the respective plate.
  • the area between the through openings in the active area of the plate preferably corresponds to at least 50%, more preferably at least 60%, in particular 70% or more, further preferably at least 75% of the area of the active area of the respective plate.
  • the larger the area between the through openings the more homogeneously the pressure of the plate is distributed on the gas diffusion layer when arranged in a, in particular compressed, fuel cell, and the more clearly an intrusion and an increase in the flow resistance of the operating gases are reduced.
  • the cathode plate and / or the anode plate is arranged on the coolant plate in such a way that the first spacer elements of the cathode plate or the anode plate are in contact with a flat side of the coolant plate.
  • the flat or flat side of the cathode plate and / or the anode plate is preferably facing away from the coolant plate.
  • the coolant plate serves as a fluid-impermeable limitation, so that no further components are required.
  • the plate has a separate boundary, which is arranged, for example, as an additional plate on the first spacer elements.
  • the coolant plate advantageously has a closed surface in the active region. This ensures that in particular in the aforementioned embodiment, mixing of the operating gases with coolant or escape of coolant is excluded.
  • the coolant plate comprises two flat, in particular flat plates which are closed in the active area and which are connected to one another via second spacer elements.
  • the second spacer elements serve as spacers, for example in the form of webs and stabilizers of the coolant plate.
  • the second spacer elements are preferably integrally connected to at least one of the two plates, the integrally connected connection also comprising the boundary plate and second spacer elements being formed in one piece.
  • the second plate is preferably made separately and is in contact with the second spacer elements.
  • the second plate is also integrally connected to the second spacer elements.
  • the separate configuration offers the advantage of greater flexibility and degrees of freedom in production, while the combined configuration can offer advantages in terms of tightness and stability.
  • the first spacer elements and / or the second spacer elements are particularly advantageously positioned one above the other with respect to a stacking direction of the plates. Such designs promote the mechanical stability of bipolar plates, since the contact forces acting on the bipolar plate in the stack are thus supported at such positions. Short "force flows" can advantageously form along such positions, which generate low local stresses in the plate construction and thus contribute to resistance to breakage.
  • the anode plate advantageously has a first overall height, the coolant plate a second overall height, the cathode plate a third overall height, at least two of the three overall heights, in particular that of the coolant plate, differing from one another from the overall heights of the cathode and anode plates. This enables flexible adaptation to the required space requirements for the respective river fields.
  • the total heights of the cathode plate and anode plate are advantageously the same and reduced compared to the total height of the coolant plate.
  • the anode and / or the cathode plate preferably has a total height in the range from 200 pm to 400 pm, in particular in the range from 250 to 300 pm.
  • the individual plates of the coolant plate preferably each have a thickness in the range from 80 to 120 pm, in particular from 100 pm, which together with the 200 pm long second spacing elements add up to a total height of the coolant plate from 350 to 450, in particular 400 pm.
  • the aforementioned heights proved to be optimal in terms of the compromise between the largest possible duct diameters for operating gases and the highest possible stability of the plate.
  • the bipolar plate according to the invention preferably has a total height of not more than 2 mm and is preferably in a range from 1.1 mm to 2 mm.
  • the first spacer elements of the cathode plate and / or the anode plate and / or the second spacer elements of the coolant plate preferably each form a two-dimensional grid. This avoids a strict channel structure for the coolant supply, which enables cross flows in the cooling channel flow field.
  • the first spacer elements and / or the second spacer elements preferably form a rectangular, square or triangular grid independently of one another.
  • the first spacer elements preferably have triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal or round base areas of up to 2 pm 2 , preferably not more than 1 pm 2 base area.
  • the through openings are then advantageously arranged in the interstitial spaces, in particular in rows.
  • the rows are preferably offset or not offset from one another.
  • the through openings likewise form a two-dimensional lattice, which is offset from the lattice of the first spacer elements in two directions by half a lattice constant.
  • the first spacer elements of one of the plates form a two-dimensional grid and the passage openings of the corresponding plate between the grid points, in particular along a row of first spacer elements and / or in series between two adjacent rows of first spacer elements of the grid are arranged.
  • the first spacer elements of the anode and / or cathode plate have a tapering shape based on the cross-section, starting from the integral connection with the respective plate.
  • This configuration offers advantages in the stabilization and force distribution in the arrangement and compression of the bipolar plate according to the invention. in a fuel cell and at the same time enables an increase in the channel diameter of the respective flow field.
  • a further aspect of the invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack, which comprises a stack between two end plates of alternately arranged membrane electrode arrangements and bipolar plates according to the invention.
  • the membrane electrode assembly preferably comprises a gas diffusion layer which is arranged on the flat side of the cathode plate and / or on the flat side of the anode plate.
  • the invention further relates to a fuel cell system and a vehicle which has a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention.
  • the vehicle is preferably an electric vehicle in which an electrical energy generated by the fuel cell system is used to supply an electric traction motor and / or a traction battery.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment
  • Figure 2 is a plan view of a membrane electrode assembly
  • FIG. 3 is a schematic representation of a bipolar plate in supervision of this;
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a detail of a fuel cell stack according to the invention in a preferred embodiment;
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of a detail of a bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a section of a fuel cell stack according to the invention in an oblique view
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in a view of the flat side;
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side;
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view of the flat side;
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system, designated overall by 100, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 is part of a driving stuff, in particular an electric vehicle that has an electric traction motor that is supplied with electrical energy by the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 10 which has a multiplicity of individual cells 11 arranged in stack form, which are formed by alternately stacked membrane electrode assemblies (MEA) 14 and bipolar plates 15 (see detail section).
  • Each individual cell 11 thus comprises in each case an MEA 14 which has an ion-conductive polymer electrolyte membrane (not shown in more detail here) and catalytic electrodes arranged on both sides thereof, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell conversion and in particular as Be - Layers can be formed on the membrane.
  • the anode and cathode electrodes have a catalytic material, for example platinum, which is supported on an electrically conductive carrier material with a large specific surface area, for example a carbon-based material.
  • An anode space 12 is thus formed between a bipolar plate 15 and the anode, and the cathode space 13 is formed between the cathode and the next bipolar plate 15.
  • the bipolar plates 15 serve to supply the operating media into the anode and cathode spaces 12, 13 and furthermore establish the electrical connection between the individual fuel cells 11.
  • Gas diffusion layers can optionally be arranged between the membrane electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15.
  • the fuel cell system 100 In order to supply the fuel cell stack 10 with the operating media, the fuel cell system 100 has an anode supply 20 on the one hand and a cathode supply 30 on the other hand.
  • the anode supply 20 comprises an anode supply path 21, which serves to supply an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10.
  • the anode supply path 21 connects a fuel store 23 to an anode inlet of the fuel cell stack 10.
  • the anode supply 20 further includes an anode exhaust gas path 22 which leads the anode exhaust gas out of the anode compartments 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10.
  • the anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is via an adjusting means
  • anode supply 20 may be a fuel recirculation line as shown
  • a further adjusting means 26 is arranged in the fuel recirculation line 25, with which the recirculation rate can be adjusted.
  • the cathode supply 30 comprises a cathode supply path 31, which supplies an oxygen-containing cathode operating medium to the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10, in particular air, which is sucked in from the surroundings.
  • the cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust gas path 32, which leads the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) out of the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 and, if necessary, feeds it to an exhaust system, not shown.
  • a compressor 33 is arranged in the cathode supply path 31 for conveying and compressing the cathode operating medium.
  • the compressor 33 is designed as a compressor driven mainly by an electric motor, the drive of which takes place via an electric motor 34 equipped with corresponding power electronics 35.
  • the compressor 33 can also be driven in support by a turbine 36 arranged in the cathode exhaust gas path 32 (optionally with variable turbine geometry) via a common shaft (not shown).
  • the cathode supply 30 can furthermore have a wastegate line 37 which connects the cathode supply line 31 to the cathode exhaust gas line 32, ie represents a bypass of the fuel cell stack 10.
  • the wastegate line 37 allows excess air mass flow to be led past the fuel cell stack 10 without the compressor 33 being shut down.
  • An adjusting means 38 arranged in the wastegate line 37 serves to control the amount of the cathode operating medium that bypasses the fuel cell stack 10.
  • All actuating means 24, 26, 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps.
  • Corresponding further adjusting means can be arranged in the lines 21, 22, 31 and 32 in order to be able to isolate the fuel cell stack 10 from the environment.
  • the fuel cell system 100 can also have a humidifier module 39.
  • the humidifier module 39 is arranged in the cathode supply path 31 such that the cathode operating gas can flow through it.
  • it is arranged in the cathode exhaust gas path 32 such that the cathode exhaust gas can flow through it.
  • the humidifier 39 typically has a plurality of water vapor-permeable membranes, which are either flat or in the form of hollow fibers. One side of the membranes is flowed over by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, water vapor passes through the membrane into the cathode operating gas, which is humidified in this way.
  • FIGS. 2 and 3 each show an exemplary membrane-electrode arrangement 14 and bipolar plate 15 according to the invention in a plan view.
  • Both components are divided into an active area AA and inactive areas IA.
  • the active area AA is characterized in that the fuel cell reactions take place in this area.
  • the membrane electrode arrangement 14 has a catalytic electrode 143 in the active region AA on both sides of the polymer electrolyte membrane.
  • the inactive areas IA can be divided into supply areas SA and distribution areas DA. Supply openings 144 to 147 on the side of the membrane electrode arrangement 14 and 154 to 159 on the side of the bipolar plate 15 are arranged within the supply areas SA, which in the stacked state are essentially aligned with one another and form main supply channels within the fuel cell stack 10.
  • the anode inlet openings 144 and 154 serve to supply the anode operating gas, ie the fuel, for example hydrogen.
  • the anode outlet openings 145 and 155 serve to discharge the anode exhaust gas after overflow of the active area AA.
  • the cathode inlet openings 146 and 156 serve to supply the cathode operating gas, which is in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air.
  • the cathode outlet openings 147 and 157 serve to discharge the cathode exhaust gas after overflow of the active area AA.
  • the coolant inlet openings 148 and 158 serve for the supply and the coolant outlet openings 149 and 159 for the discharge of the coolant.
  • the MEA 14 has an anode side 141, which is visible in FIG. 2.
  • the catalytic electrode 143 shown is thus designed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane.
  • the cathode side 142 which is not visible in FIG. 2 has a corresponding catalytic electrode, here the cathode.
  • the polymer electrolyte membrane can extend over the entire spread of the membrane electrode arrangement 14, but at least over the active region AA. In the inactive A reinforcing carrier film which surrounds the membrane can be arranged in regions IA.
  • the bipolar plate 15 shown in FIG. 3 likewise has a cathode side 152 which is visible in the illustration and an invisible anode side 151.
  • the bipolar plate 15 is constructed from two plate halves joined together, the anode plate and the cathode plate.
  • operating medium channels 153 are designed as open channel-like channel structures which connect the cathode inlet opening 156 to the cathode outlet opening 157. Only five exemplary resource channels 153 are shown, with a significantly larger number usually being present.
  • the anode side 151 which is not visible here, has corresponding operating medium channels which connect the anode inlet opening 154 to the anode outlet opening 155.
  • These operating device channels for the anode operating medium are also designed as open, channel-like channel structures. Included in the interior of the bipolar plate 15, in particular between the two plate halves, are coolant channels which connect the coolant inlet opening 158 to the coolant outlet opening 151. Seals are indicated with the broken lines in FIG. 3.
  • Metals or metal alloys or conductive carbon-based materials such as graphite or composite materials made of graphite and carbon can be used as the material for the respective plates.
  • FIGS. 4, 5 and 6 each show a schematic representation of a section of a fuel cell stack 10 according to the invention in the active region AA of the fuel cell stack 10.
  • FIGS. 4 and 5 each show a cross-sectional representation, whereas in FIG. 6 the fuel cell stack is shown in an oblique view , A section of a bipolar plate 15 according to the invention is shown, which is arranged on both sides of a membrane 14 in FIGS. 4 and 6.
  • the bipolar plate 15 comprises an anode plate 50, one arranged thereon Coolant plate 60 and a cathode plate 70 arranged on the coolant plate 70, which are stacked one above the other along their long sides.
  • the anode plate 50 and the cathode plate 70 are of the same basic structure and are therefore described below together under the term of the electrode plate 50, 70. It should be noted here that the embodiments to be described apply independently of one another to the anode plate 50 and the cathode plate 70.
  • the electrode plates 50, 70 each have a flat side 54, 74.
  • the flat side 54, 74 has no profiling, that is to say no elevations or channel structures.
  • the membrane-electrode unit 14 is arranged on each of these flat sides 54, 74 of an anode plate 50 and a cathode plate 70.
  • FIG. 7 shows an electrode plate 50, 70 in a plan view of the flat side 54, 74.
  • the flat side 54, 74 is broken through in the active region, in particular at regular intervals by through openings 53, 73.
  • the through openings 53, 73 can have almost any shape and size. However, it is advantageous that they are arranged regularly and have a regular shape, for example a round, elliptical, rectangular, square or polygonal basic shape.
  • the through openings 53, 73 are preferably arranged in the form of a grid, the center points of the through openings 53, 73 each forming the grid points of the grid.
  • the flat surface between the lattice points is preferably at least as large in relation to the active area as the sum of the surface of the through openings 53, 73.
  • first spacer elements 52, 72 are arranged adjacent to the through openings and preferably occupy interstitial spaces of the grid formed by the through openings 53, 73. Regardless of the arrangement of the through openings 53, 73 the first spacer elements 52, 72 themselves form a two-dimensional grid.
  • the through openings 53, 73 preferably have a size of 1 to 2 miti 2 , a side length or the diameter of the through opening 53, 73 preferably being in the range from 500 to 1000 miti.
  • the first spacer elements 52, 72 are integrally connected to the plate 51, 71 of the electrode plate 50, 70. In the present case, there is also an integral connection between the first spacer elements 52, 72 and the plate 51, 71 in a one-piece design of the electrode plate 50, 70 with the first spacer elements 52, 72.
  • the first spacer elements 52, 72 can be clearly seen in particular in FIGS. 4-6 and 8.
  • the first spacer elements 52, 72 taper based on the integral connection. This configuration is preferred because it increases the cross section of the channel, but in no way is it mandatory.
  • the first spacer elements also run straight between the contact points with the plate 51, 71 and coolant plate 60 or taper in the center, so that the contact areas on the two plates 51 and 71 and 60 are essentially the same size.
  • the distance between the first spacer elements 52, 72 is preferably in the range from 300 to 700 mm, preferably in the range from 450 to 550, particularly preferably 500 ⁇ m.
  • the distance relates to the distance between the contact points of adjacent first spacer elements 52, 72 on the electrode plate.
  • the electrode plates 50, 70 are arranged in the layer stack in such a way that the first spacer elements make contact with a flat side 63 of the coolant plate 60.
  • the flat side 63 of the coolant plate 60 functions as a delimitation for operating medium channels of a flow field between the first spacer elements 52, 72.
  • height 58, 78 is preferably in the range between 100 and 500 miti, preferably in the range from 200 to 400 miti, particularly preferably in the range from 250 to 300 miti.
  • the overall height 59, 79 of the electrode plate is independent of one another from 200 to 400 miti, in particular from 300 to 400 miti , preferably from 350 pm.
  • a coolant plate 60 arranged in the layer stack between the electrode plates 50, 70 is configured as shown in FIGS. 9 and 10.
  • the coolant plate 60 comprises a flat plate 63, which is also closed in the active area, that is to say without through openings.
  • second spacer elements 62 are arranged and firmly, in particular integrally or integrally connected to the flat plate.
  • the surface of the flat plate 63 has no elevations or depressions on the side facing away from the second spacing elements 62, but is essentially flat or flat.
  • the second spacer elements 62 like the first spacer elements 52, 72 of the electrode plates 50, 70, have a regular basic shape and extend essentially perpendicular to the surface of the flat plate 63. At least when arranged in a bipolar plate 15 according to the invention, the second ones Spacers 62 in contact with another flat plate 63. Between the two flat plates 63 spaced apart by the second spacer elements 62, a coolant flow field is formed, the height of which is defined by the second spacer elements 62 and is in the range from 150 to 250 pm, in particular at 200 pm.
  • a preferred overall height 69 of the coolant plate 60 results in the range from 300 to 500 pm, preferably from 400 pm.
  • the second spacer elements 62 form a two-dimensional grid, which is preferably positioned above the grid of the first spacer elements 52, 72 with respect to a stacking direction of all plates belonging to the bipolar plate 15 according to the invention.
  • the base area of the second spacer elements 62 that is to say the contact area of the second spacer elements 62 with the flat plates 63 of the coolant plate 60, is preferably the same size as the contact area of the first spacer elements with the flat one Plate 63 of coolant plate 60. Alternatively, they are made larger (as shown in Figure 5) or smaller (not shown). Both serve to shift the compromise between flow channel size and plate stability.
  • All plates 50, 60 and 70 can be made independently of a carbon material, such as graphite, or a metal.
  • the geometry and preferred sizes enable the plates to be made from Grafoil, for example by means of stamping or embossing processes.
  • the bipolar plate 15 according to the invention makes it possible to avoid a reduction of the flow channels by intrusion of a gas diffusion layer belonging to the membrane electrode unit, since this is arranged on the flat plate of the electrode plates 50, 70 and does not form any local pressure points due to the large contact area.
  • MEA membrane electrode arrangement

Abstract

The invention relates to a flow field plate (15) for a fuel cell with an active region (AA) and an inactive region (IA), comprising a stack with an anode plate (50) and a cathode plate (70) arranged in a plane-parallel manner in relation to the coolant plate (60), which each have a flat side. The invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack having such a flow field plate. According to the invention, the anode plate (50) and the cathode plate (70) have first spacing elements (52, 72), which are integrally joined to the respective plates on a side of the plate (51, 71) that is opposite the flat side, wherein the anode plate (50) and the cathode plate (70) have, in the active region (AA), a plurality of through openings (53, 73).

Description

Bipolarplatte für Brennstoffzellen mit drei Einzelplatten, sowie Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten  Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, as well as a fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates
BESCHREIBUNG: DESCRIPTION:
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten. 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 Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbe- sondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden- Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separa- torplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen. The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell. The invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack with such bipolar plates. Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a structure consisting of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. The latter mostly include supported precious metals, especially platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical voltages of which add up. Bipolar plates (also called flow field or separator plates) are generally arranged between the individual membrane electrode arrangements, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, that is to say the reactants, and usually also serve for cooling. In addition, the bipolar plates ensure an electrically conductive contact with the membrane electrode assemblies.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e ). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Trans- port der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasge- misch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu O2 unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (14 02 + 2 e 4 O2 ). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoff- anionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2 + 2 H+ 4 H20). During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is over an anode-side open flow field of the bipolar plate is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with the release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e). A (water-bound or water-free) transport of the protons from the anode space into the cathode space takes place via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture (e.g. air) as the cathode operating medium via an open flow field on the cathode side of the bipolar plate, so that a reduction from 0 2 to O 2 takes place with the absorption of the electrons (14 0 2 + 2 e 4 O 2 ). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported across the membrane to form water (O 2 + 2 H + 4 H 2 0).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebs- gas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungs- kanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zuge- führt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. The fuel cell stack is supplied with its operating media, ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant, via main supply channels which penetrate the stack in its entire stacking direction and from which the operating media pass the bipolar plates are fed to the individual cells. For each operating medium there are at least two such main supply channels, namely one for supplying and one for discharging the respective operating medium.
Typischerweise bestehen Bipolarplatten aus zwei miteinander verbundenen Halbplatten, die jeweils beidseitig strukturiert sind. Auf den voneinander ab- gewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport der Betriebsme- dien und auf den zueinander zugewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport von Kühlmittel benötigt. Dabei müssen die Halbplatten jeweils aufeinander abgestimmt werden, da drei separate Transportwege mittels zweier Halbplatten zur Verfügung gestellt werden müssen. Das führt zu wei- teren Randbedingungen, die die Flexibilität der Ausgestaltungen der Bipolar- platten reduziert. In typischen Ausführungen sind die Halbplatten bekannter Bipolarplatten profiliert ausgebildet, wobei die Profile ineinander eingreifen beziehungsweise verschachtelt sind. Typically, bipolar plates consist of two interconnected half plates, each of which is structured on both sides. Structures for transporting the operating media are required on the sides facing away from one another and structures for the transport of coolant are required on the sides facing one another. The half-plates must be matched to each other, since three separate transport routes must be made available by means of two half-plates. This leads to further boundary conditions which reduce the flexibility of the designs of the bipolar plates. In typical designs, the half-plates are better known Bipolar plates are profiled, the profiles engaging or nested.
In der EP 1 432 060 A1 wird eine Bipolarplatte vorgeschlagen, die aus drei Einzelplatten besteht. Dabei sind jedoch die drei Platten auf gleiche Weise strukturiert, das heißt, Kathoden-Flussfeld, Anoden-Flussfeld und Kühlmittel- Flussfeld sind baugleich. EP 1 432 060 A1 proposes a bipolar plate that consists of three individual plates. However, the three plates are structured in the same way, that is, the cathode flow field, anode flow field and coolant flow field are identical.
Aus DE 10 2016 200 398 und DE 10 2007 039 467 sind Bipolarplatten be- kannt, die auf einer Seite flach ausgeführt sind und auf der gegenüberliegen- den Seite durch die Anordnung von Abstandselementen oder einer Profilie- rung ein Flussfeld ausbilden. An das Flussfeld ist jeweils eine Membran- Elektroden-Einheit angeordnet. From DE 10 2016 200 398 and DE 10 2007 039 467 bipolar plates are known which are flat on one side and form a flow field on the opposite side by the arrangement of spacer elements or a profile. A membrane electrode unit is arranged at each of the flow fields.
Den beschriebenen Bipolarplatten ist gemeinsam, dass es bei der Anord- nung der Membran-Elektroden-Einheit an die Bipolarplatte zu einer soge- nannten Intrusion der zur Membran-Elektroden-Einheit gehörigen Gasdiffusi- onsschicht (GDL) in die Kanäle des Flussfeldes kommt. Diese Intrusion, also Einwölbung von GDL-Material in die Strömungskanäle führt zu einer Verrin- gerung deren Querschnitts. Dies ist nachteilig, da damit ein unerwünschter Druckanstieg in den Strömungskanälen und eine Leistungsminderung der Brennstoffzelle einhergeht. The described bipolar plates have in common that when the membrane-electrode unit is arranged on the bipolar plate, there is a so-called intrusion of the gas diffusion layer (GDL) belonging to the membrane-electrode unit into the channels of the flow field. This intrusion, ie arching of GDL material into the flow channels, leads to a reduction in their cross-section. This is disadvantageous because it is accompanied by an undesirable increase in pressure in the flow channels and a reduction in the performance of the fuel cell.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Reduktion des Kanal- querschnitts in einer Brennstoffzelle zu verhindern oder zumindest zu verrin- gern. The invention is based on the object of preventing or at least reducing a reduction in the channel cross section in a fuel cell.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, sowie eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem mit einer sol- chen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. This object is achieved by means of a bipolar plate according to the invention, and a fuel cell or a fuel cell system with the same with the features of the independent claims.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich und einem inaktiven Bereich. Die Bipolarplatte umfasst einen Stapel mit einer Anodenplatte, einer Kathoden- platte und einer Kü h I m ittel platte , die entlang ihrer Längsseiten übereinander gestapelt sind. Mit anderen Worten ist planparallel an der Anodenplatte eine Kühlmittelplatte angeordnet und planparallel an der Kühlmittelplatte eine Ka- thodenplatte angeordnet. Die Platten weisen jeweils eine im Wesentlichen ebene Seite auf. Erfindungsgemäß sind auf einer der ebenen Seite gegen- überliegenden Seite der Anoden- und Kathodenplatte jeweils erste Abstand- selemente angeordnet, die mit der jeweiligen Platte stoffschlüssig verbunden sind. Zusätzlich weisen die Anodenplatte und die Kathodenplatte im aktiven Bereich eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf. Thus, a first aspect of the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell with an active area and an inactive area. The bipolar plate comprises a stack with an anode plate, a cathode plate and a cooling plate which are stacked one above the other along their long sides. In other words, a coolant plate is arranged plane-parallel on the anode plate and a cathode plate is arranged plane-parallel on the coolant plate. The plates each have an essentially flat side. According to the invention, first spacer elements are arranged on a side of the anode and cathode plate opposite the flat side, which are integrally connected to the respective plate. In addition, the anode plate and the cathode plate have a plurality of through openings in the active region.
Vorliegend ist unter eben zu verstehen, dass die Platte auf der betreffenden Seite eine zumindest im aktiven Bereich ebene, also flache Oberfläche auf- weist, welche nicht durch Erhebungen, Auswölbungen oder Profilierungen strukturiert ist. In the present case, level is to be understood to mean that the plate on the relevant side has a flat, at least in the active area, surface which is not structured by elevations, bulges or profiles.
Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Brenn- stoffzelle bildet sich zwischen den ersten Abstandselementen ein Flussfeld mit Strömungskanälen für das jeweilige Betriebsmittel, insbesondere für Brennstoff in der Anodenplatte und Oxidationsmittel in der Kathodenplatte, aus. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen, dass die Kanäle von beiden Seiten der jeweiligen Platte mit Betriebsgas versorgt werden können. Somit ist es möglich, die Membran-Elektroden-Einheit an die flache Oberfläche der im Wesentlichen ebenen Seite der jeweiligen Platte anzuordnen. Die Be- triebsgase strömen dann über die Gasdiffusionsschicht durch die Durch- gangsöffnungen in das Flussfeld beziehungsweise andersherum. Die Anord- nung der komprimierbaren Gasdiffusionsschicht auf der im Wesentlichen ebenen Seite der Platte verhindert wiederum eine Intrusion der Gasdiffusi- onsschicht in die Kanäle. Somit bleiben die Querschnitte des Flussfeldes der Platten auch im komprimierten Schichtstapel von der Gasdiffusionsschicht unbeeinflusst. Zudem verhindert die beschriebene Anordnung, dass Berei- che der Bipolarplatte punktuell beziehungsweise kleinflächig auf die Gasdif- fusionsschicht Druck ausüben und die Gasdiffusionsschicht in der Folge in- homogen zusammengepresst wird. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte re- duziert demnach eine lokale Erhöhung des Strömungswiderstands der Be- triebsgase sowohl im Flussfeld der Bipolarplatte als auch in der an der Bipo- larplatte angeordneten Gasdiffusionsschicht. When the bipolar plate according to the invention is arranged in a fuel cell, a flow field with flow channels for the respective operating medium, in particular for fuel in the anode plate and oxidizing agent in the cathode plate, is formed between the first spacer elements. The through openings enable the channels to be supplied with operating gas from both sides of the respective plate. It is thus possible to arrange the membrane electrode assembly on the flat surface of the substantially flat side of the respective plate. The operating gases then flow through the gas diffusion layer through the through openings into the flow field or vice versa. The arrangement of the compressible gas diffusion layer on the essentially flat side of the plate in turn prevents intrusion of the gas diffusion layer into the channels. The cross sections of the flow field of the plates thus remain unaffected by the gas diffusion layer even in the compressed layer stack. In addition, the arrangement described prevents areas of the bipolar plate from exerting pressure on the gas diffusion layer at points or over a small area, and the gas diffusion layer is subsequently compressed inhomogeneously. The bipolar plate according to the invention accordingly reduces a local increase in the flow resistance of the loading drive gases both in the flow field of the bipolar plate and in the gas diffusion layer arranged on the bipolar plate.
Bei den Durchgangsöffnungen handelt es sich im Wesentlichen um Löcher, welche nahezu beliebige Form und Größe aufweisen können. Insbesondere bevorzugt sind regelmäßige Formen wie Kreise, Ellipsen, Rechtecke, Quad- rate oder regelmäßige Vielecke. The through openings are essentially holes, which can have almost any shape and size. Regular shapes such as circles, ellipses, rectangles, squares or regular polygons are particularly preferred.
Zwischen den Durchgangsöffnungen ist die jeweilige Platte zumindest im aktiven Bereich eben ausgeführt, weist also keinerlei Profilierung, insbeson- dere keine Erhebungen und keine Ausnehmungen beziehungsweise Vertie- fungen auf. Eine Summe der sich zwischen den Durchgangsöffnungen erge- benden Fläche der jeweiligen Platte im aktiven Bereich entspricht bevorzugt zumindest der Fläche aller Durchgangsöffnungen im aktiven Bereich der je- weiligen Platte. Between the through openings, the respective plate is flat, at least in the active area, so it has no profiling, in particular no elevations and no recesses or depressions. A sum of the area of the respective plate between the through openings in the active area preferably corresponds at least to the area of all through openings in the active area of the respective plate.
Mit besonderem Vorteil entspricht die Fläche zwischen den Durchgangsöff- nungen im aktiven Bereich der Platte bevorzugt mindestens 50 %, weiter bevorzugt zumindest 60 %, insbesondere 70 % oder mehr, weiter bevorzugt mindestens 75 % der Fläche des aktiven Bereichs der jeweiligen Platte. Je größer die Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen ausgeführt ist, desto homogener verteilt sich der Druck der Platte auf die Gasdiffusionsschicht bei Anordnung in einer, insbesondere komprimierten Brennstoffzelle und desto deutlicher wird eine Intrusion und eine Erhöhung des Strömungswiderstands der Betriebsgase reduziert. With particular advantage, the area between the through openings in the active area of the plate preferably corresponds to at least 50%, more preferably at least 60%, in particular 70% or more, further preferably at least 75% of the area of the active area of the respective plate. The larger the area between the through openings, the more homogeneously the pressure of the plate is distributed on the gas diffusion layer when arranged in a, in particular compressed, fuel cell, and the more clearly an intrusion and an increase in the flow resistance of the operating gases are reduced.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Katho- denplatte und/oder die Anodenplatte derart an der Kühlmittelplatte angeord- net ist, dass die ersten Abstandselemente der Kathodenplatte beziehungs- weise der Anodenplatte mit einer ebenen Seite der Kühlmittelplatte in Kon- takt sind. Mit anderen Worten ist bevorzugt die flache beziehungsweise ebe- ne Seite der Kathodenplatte und/oder der Anodenplatte von der Kühlmittel- platte abgewandt. In der Folge bilden sich zwischen Kathodenplatte und Kühlmittelplatte beziehungsweise zwischen Anodenplatte und Kühlmittelplat- te die Kanäle des Flussfeldes des jeweiligen Betriebsgases aus. Die Kühlmit- telplatte dient dabei als fluidundurchlässige Begrenzung, so dass keine wei- teren Bauteile erforderlich sind. Alternativ weist die Platte eine separate Be- grenzung auf, die beispielsweise als zusätzliche Platte an den ersten Ab- standselementen angeordnet ist. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the cathode plate and / or the anode plate is arranged on the coolant plate in such a way that the first spacer elements of the cathode plate or the anode plate are in contact with a flat side of the coolant plate. In other words, the flat or flat side of the cathode plate and / or the anode plate is preferably facing away from the coolant plate. As a result, between the cathode plate and coolant plate or between the anode plate and coolant plate te the channels of the flow field of the respective operating gas. The coolant plate serves as a fluid-impermeable limitation, so that no further components are required. Alternatively, the plate has a separate boundary, which is arranged, for example, as an additional plate on the first spacer elements.
Mit Vorteil weist die Kühlmittelplatte im aktiven Bereich eine geschlossene Oberfläche auf. Dies stellt sicher, dass insbesondere bei der vorgenannten Ausführungsform eine Vermischung der Betriebsgase mit Kühlmittel oder ein Entweichen von Kühlmittel ausgeschlossen wird. The coolant plate advantageously has a closed surface in the active region. This ensures that in particular in the aforementioned embodiment, mixing of the operating gases with coolant or escape of coolant is excluded.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelplatte zwei flache, insbesondere ebene und im aktiven Bereich ge- schlossene Platten umfasst, welche über zweite Abstandselemente mitei- nander verbunden sind. Die zweiten Abstandselemente dienen dabei als Ab- standshalter, beispielsweise in Form von Stegen und Stabilisatoren der Kühlmittelplatte. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einer in sich ge- schlossenen Einheit der Kühlmittelplatte, wobei die beiden Begrenzungsplat- ten der Kühlmittelplatte jeweils als Begrenzung für das Flussfeld der benach- bart angeordneten Kathoden- beziehungsweise Anodenplatte dienen. Die Platten der Kühlmittelplatte begrenzen also in dieser Ausgestaltung je zwei Flussfelder, das Kathodengasflussfeld und das Kühlmittelflussfeld oder das Anodenflussfeld und das Kühlmittelflussfeld. In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the coolant plate comprises two flat, in particular flat plates which are closed in the active area and which are connected to one another via second spacer elements. The second spacer elements serve as spacers, for example in the form of webs and stabilizers of the coolant plate. The advantage of this configuration lies in a self-contained unit of the coolant plate, the two delimitation plates of the coolant plate each serving as a delimitation for the flow field of the adjacent cathode or anode plate. In this embodiment, the plates of the coolant plate therefore each delimit two flow fields, the cathode gas flow field and the coolant flow field or the anode flow field and the coolant flow field.
Dabei sind die zweiten Abstandselemente bevorzugt mit zumindest einer der beiden Platten stoffschlüssig verbunden, wobei die stoffschlüssige Verbin- dung auch umfasst, dass die Begrenzungsplatte und zweite Abstandsele- mente einstückig ausgebildet sind. Die zweite Platte ist bevorzugt separat ausgeführt und steht mit den zweiten Abstandselementen in Kontakt. Alter- nativ ist auch die zweite Platte stoffschlüssig mit den zweiten Abstandsele- menten verbunden. Dabei bietet die separate Ausgestaltung den Vorteil hö- herer Flexibilität und Freiheitsgrade in der Produktion, während die verbun- dene Ausgestaltung Vorteile in Bezug auf Dichtigkeit und Stabilität bieten kann. Mit besonderem Vorteil sind die ersten Abstandselemente und/oder die zwei- ten Abstandselemente bezüglich einer Stapelrichtung der Platten übereinan- der positioniert. Solche Auslegungen fördern die mechanische Stabilität von Bipolarplatten, da somit die im Stapel auf die Bipolarplatte einwirkenden An- presskräfte an solchen Positionierungen gestützt werden. Dabei können sich vorteilhaft kurze„Kraftflüsse“ entlang solcher Positionierungen ausbilden, die geringe lokale Spannungen in der Plattenkonstruktion erzeugen und somit zur Bruchresistenz beitragen. The second spacer elements are preferably integrally connected to at least one of the two plates, the integrally connected connection also comprising the boundary plate and second spacer elements being formed in one piece. The second plate is preferably made separately and is in contact with the second spacer elements. Alternatively, the second plate is also integrally connected to the second spacer elements. The separate configuration offers the advantage of greater flexibility and degrees of freedom in production, while the combined configuration can offer advantages in terms of tightness and stability. The first spacer elements and / or the second spacer elements are particularly advantageously positioned one above the other with respect to a stacking direction of the plates. Such designs promote the mechanical stability of bipolar plates, since the contact forces acting on the bipolar plate in the stack are thus supported at such positions. Short "force flows" can advantageously form along such positions, which generate low local stresses in the plate construction and thus contribute to resistance to breakage.
Die Anodenplatte weist vorteilhaft eine erste Gesamthöhe, die Kühlmittelplat- te eine zweite Gesamthöhe, die Kathodenplatte eine dritte Gesamthöhe auf, wobei sich mindestens zwei der drei Gesamthöhen, insbesondere die der Kühlmittelplatte, von den Gesamthöhen der Kathoden- und der Anodenplatte voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an den jeweiligen geforderten Raumbedarf für die jeweiligen Flussfelder. Mit Vorteil sind die Gesamthöhen von Kathodenplatte und Anodenplatte gleich und ge- genüber der Gesamthöhe der Kühlmittelplatte reduziert. The anode plate advantageously has a first overall height, the coolant plate a second overall height, the cathode plate a third overall height, at least two of the three overall heights, in particular that of the coolant plate, differing from one another from the overall heights of the cathode and anode plates. This enables flexible adaptation to the required space requirements for the respective river fields. The total heights of the cathode plate and anode plate are advantageously the same and reduced compared to the total height of the coolant plate.
Die Anoden- und/oder die Kathodenplatte weist bevorzugt eine Gesamthöhe im Bereich von 200 pm bis 400 miti, insbesondere im Bereich von 250 bis 300 pm auf. Die einzelnen Platten der Kühlmittelplatte weisen bevorzugt je eine Dicke im Bereich von 80 bis 120 pm insbesondere von 100 pm auf, die sich mit den 200 pm langen zweiten Abstandselementen zu einer Gesamt- hohe der Kühlmittel platte von 350 bis 450, insbesondere 400 pm summieren. Die vorgenannten Höhen erwiesen sich als in Bezug auf den Kompromiss zwischen möglichst großen Kanaldurchmessern für Betriebsgase und mög- lichst hoher Stabilität der Platte als optimal. The anode and / or the cathode plate preferably has a total height in the range from 200 pm to 400 pm, in particular in the range from 250 to 300 pm. The individual plates of the coolant plate preferably each have a thickness in the range from 80 to 120 pm, in particular from 100 pm, which together with the 200 pm long second spacing elements add up to a total height of the coolant plate from 350 to 450, in particular 400 pm. The aforementioned heights proved to be optimal in terms of the compromise between the largest possible duct diameters for operating gases and the highest possible stability of the plate.
Damit ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte bevorzugt eine Gesamthöhe von nicht mehr als 2 mm aufweist und bevorzugt in einem Be- reich von 1 ,1 mm bis 2 mm ist. Die ersten Abstandselemente der Kathodenplatte und/oder der Anodenplatte und/oder die zweiten Abstandselemente der Kühlmittelplatte bilden vorzugs- weise jeweils ein zweidimensionales Gitter aus. Dadurch wird eine strenge Kanalstruktur für die Kühlmittelversorgung vermieden, was Querströme im Kühlkanal-Flussfeld ermöglicht. The result of this is that the bipolar plate according to the invention preferably has a total height of not more than 2 mm and is preferably in a range from 1.1 mm to 2 mm. The first spacer elements of the cathode plate and / or the anode plate and / or the second spacer elements of the coolant plate preferably each form a two-dimensional grid. This avoids a strict channel structure for the coolant supply, which enables cross flows in the cooling channel flow field.
Bevorzugt bilden die ersten Abstandselemente und/oder die zweiten Ab- standselemente unabhängig voneinander ein Rechteck-, Quadrat- oder Drei- eckgitter aus. The first spacer elements and / or the second spacer elements preferably form a rectangular, square or triangular grid independently of one another.
Vorzugsweise haben die ersten Abstandselemente dreieckige, viereckige, fünfeckige, sechseckige oder runde Grundflächen von bis zu 2 pm2 , bevor- zugt nicht mehr als 1 pm2 Grundfläche. The first spacer elements preferably have triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal or round base areas of up to 2 pm 2 , preferably not more than 1 pm 2 base area.
Mit Vorteil sind die Durchgangsöffnungen dann in den Zwischengitterplätzen, insbesondere in Reihen angeordnet. Dabei sind die Reihen bevorzugt ver- setzt oder nicht versetzt zueinander angeordnet. In letztgenannter Ausgestal- tung bilden die Durchgangsöffnungen ebenfalls ein zweidimensionales Gitter aus, welches zu dem Gitter der ersten Abstandselemente in zwei Richtungen um je eine halbe Gitterkonstante versetzt ist. The through openings are then advantageously arranged in the interstitial spaces, in particular in rows. The rows are preferably offset or not offset from one another. In the latter embodiment, the through openings likewise form a two-dimensional lattice, which is offset from the lattice of the first spacer elements in two directions by half a lattice constant.
Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass die ersten Abstandselemente einer der Platten ein zweidimensionales Gitter ausbilden und die Durchgangsöff- nungen der entsprechenden Platte zwischen den Gitterpunkten, insbesonde- re entlang einer Reihe von ersten Abstandselementen und/oder in Reihe zwischen zwei benachbarten Reihen von ersten Abstandselementen des Gitters angeordnet sind. In other words, it is preferred that the first spacer elements of one of the plates form a two-dimensional grid and the passage openings of the corresponding plate between the grid points, in particular along a row of first spacer elements and / or in series between two adjacent rows of first spacer elements of the grid are arranged.
Mit besonderem Vorteil weisen die ersten Abstandselemente von Anoden- und/oder Kathodenplatte ausgehend von der stoffschlüssigen Verbindung mit der jeweiligen Platte bezogen auf den Querschnitt eine verjüngende Form auf. Diese Ausgestaltung bietet Vorteile in der Stabilisierung und Kraftvertei- lung bei Anordnung und Komprimierung der erfindungsgemäßen Bipolarplat- te in einer Brennstoffzelle und ermöglicht gleichzeitig eine Erhöhung der Ka- naldurchmesser des jeweiligen Flussfeldes. Particularly advantageously, the first spacer elements of the anode and / or cathode plate have a tapering shape based on the cross-section, starting from the integral connection with the respective plate. This configuration offers advantages in the stabilization and force distribution in the arrangement and compression of the bipolar plate according to the invention. in a fuel cell and at the same time enables an increase in the channel diameter of the respective flow field.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwech- selnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsge- mäßen Bipolarplatten umfasst. Dabei umfasst die Membran-Elektroden- Einheit bevorzugt eine Gasdiffusionsschicht, welche an der ebenen Seite der Kathodenplatte und/oder der ebenen Seite der Anodenplatte angeordnet ist. A further aspect of the invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack, which comprises a stack between two end plates of alternately arranged membrane electrode arrangements and bipolar plates according to the invention. The membrane electrode assembly preferably comprises a gas diffusion layer which is arranged on the flat side of the cathode plate and / or on the flat side of the anode plate.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient. The invention further relates to a fuel cell system and a vehicle which has a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention. The vehicle is preferably an electric vehicle in which an electrical energy generated by the fuel cell system is used to supply an electric traction motor and / or a traction battery.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil mitei- nander kombinierbar. Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zuge- hörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another. The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung; 1 shows a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung; Figure 2 is a plan view of a membrane electrode assembly;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte in Aufsicht auf diese; Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer bevorzugten Ausgestaltung; Figure 3 is a schematic representation of a bipolar plate in supervision of this; FIG. 4 shows a schematic sectional view of a detail of a fuel cell stack according to the invention in a preferred embodiment;
Figur 5 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer erfin- dungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestal- tung; Figur 6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Schrägansicht; FIG. 5 shows a schematic sectional view of a detail of a bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment; FIG. 6 shows a schematic illustration of a section of a fuel cell stack according to the invention in an oblique view;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Elektro- denplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevor- zugten Ausführungsform in Aufsicht auf die ebene Seite; FIG. 7 shows a schematic illustration of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in a view of the flat side;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Elektro- denplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der bevorzug- ten Ausführungsform in Schrägansicht auf die der ebene Seite gegenüberliegenden Seite; FIG. 8 shows a schematic illustration of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side;
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kühlmit- telplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevor- zugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die ebene Seite; und FIG. 9 shows a schematic illustration of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view of the flat side; and
Figur 10 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kühlmit- telplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der bevorzug- ten Ausführungsform in Schrägansicht auf die der ebene Seite gegenüberliegenden Seite. FIG. 10 shows a schematic illustration of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side.
Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahr- zeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmo- tor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. FIG. 1 shows a fuel cell system, designated overall by 100, in accordance with a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a driving stuff, in particular an electric vehicle that has an electric traction motor that is supplied with electrical energy by the fuel cell system 100.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brenn- stoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Ein- zelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran- Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet wer- den (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelekt- rolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elekt- roden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreak- tion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Be- schichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Pla- tin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Ano- denraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipo- larplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zufüh- rung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stel- len ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzel- len 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran- Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. As a core component, the fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 10 which has a multiplicity of individual cells 11 arranged in stack form, which are formed by alternately stacked membrane electrode assemblies (MEA) 14 and bipolar plates 15 (see detail section). Each individual cell 11 thus comprises in each case an MEA 14 which has an ion-conductive polymer electrolyte membrane (not shown in more detail here) and catalytic electrodes arranged on both sides thereof, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell conversion and in particular as Be - Layers can be formed on the membrane. The anode and cathode electrodes have a catalytic material, for example platinum, which is supported on an electrically conductive carrier material with a large specific surface area, for example a carbon-based material. An anode space 12 is thus formed between a bipolar plate 15 and the anode, and the cathode space 13 is formed between the cathode and the next bipolar plate 15. The bipolar plates 15 serve to supply the operating media into the anode and cathode spaces 12, 13 and furthermore establish the electrical connection between the individual fuel cells 11. Gas diffusion layers can optionally be arranged between the membrane electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. In order to supply the fuel cell stack 10 with the operating media, the fuel cell system 100 has an anode supply 20 on the one hand and a cathode supply 30 on the other hand.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21 , wel- cher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), bei spielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenaus- lass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein StellmittelThe anode supply 20 comprises an anode supply path 21, which serves to supply an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10. For this purpose, the anode supply path 21 connects a fuel store 23 to an anode inlet of the fuel cell stack 10. The anode supply 20 further includes an anode exhaust gas path 22 which leads the anode exhaust gas out of the anode compartments 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is via an adjusting means
24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung24 adjustable in the anode supply path 21. In addition, the anode supply 20 may be a fuel recirculation line as shown
25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversor- gungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzu- führen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weite- res Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist. 25, which connects the anode exhaust gas path 22 to the anode supply path 21. The recirculation of fuel is customary in order to return and use the fuel, which is mostly used in a stoichiometric manner, to the stack. A further adjusting means 26 is arranged in the fuel recirculation line 25, with which the recirculation rate can be adjusted.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31 , welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauer- stoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ab- führt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zu- führt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elekt- romotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenab- gaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinen- geometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. The cathode supply 30 comprises a cathode supply path 31, which supplies an oxygen-containing cathode operating medium to the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10, in particular air, which is sucked in from the surroundings. The cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust gas path 32, which leads the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) out of the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 and, if necessary, feeds it to an exhaust system, not shown. A compressor 33 is arranged in the cathode supply path 31 for conveying and compressing the cathode operating medium. In the exemplary embodiment shown, the compressor 33 is designed as a compressor driven mainly by an electric motor, the drive of which takes place via an electric motor 34 equipped with corresponding power electronics 35. The compressor 33 can also be driven in support by a turbine 36 arranged in the cathode exhaust gas path 32 (optionally with variable turbine geometry) via a common shaft (not shown).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungs- beispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathoden- versorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also ei- nen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebs- mediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21 , 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umge- bung isolieren zu können. According to the exemplary embodiment shown, the cathode supply 30 can furthermore have a wastegate line 37 which connects the cathode supply line 31 to the cathode exhaust gas line 32, ie represents a bypass of the fuel cell stack 10. The wastegate line 37 allows excess air mass flow to be led past the fuel cell stack 10 without the compressor 33 being shut down. An adjusting means 38 arranged in the wastegate line 37 serves to control the amount of the cathode operating medium that bypasses the fuel cell stack 10. All actuating means 24, 26, 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps. Corresponding further adjusting means can be arranged in the lines 21, 22, 31 and 32 in order to be able to isolate the fuel cell stack 10 from the environment.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufwei- sen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversor- gungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durch- strömbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeord- net, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membra- nen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem ver- gleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höhe- ren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu ei- nem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebs- gas, das auf diese Weise befeuchtet wird. The fuel cell system 100 can also have a humidifier module 39. On the one hand, the humidifier module 39 is arranged in the cathode supply path 31 such that the cathode operating gas can flow through it. On the other hand, it is arranged in the cathode exhaust gas path 32 such that the cathode exhaust gas can flow through it. The humidifier 39 typically has a plurality of water vapor-permeable membranes, which are either flat or in the form of hollow fibers. One side of the membranes is flowed over by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, water vapor passes through the membrane into the cathode operating gas, which is humidified in this way.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden- Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht. Various further details of the anode and cathode supply 20, 30 are not shown in the simplified FIG. 1 for reasons of clarity. Thus, a water separator can be installed in the anode and / or cathode exhaust gas path 22, 32 in order to condense and drain off the product water resulting from the fuel cell reaction. Finally, the anode exhaust line 22 can open into the cathode exhaust line 32, so that the anode exhaust and the cathode exhaust are discharged via a common exhaust system. FIGS. 2 and 3 each show an exemplary membrane-electrode arrangement 14 and bipolar plate 15 according to the invention in a plan view.
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Be- reiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Po- lymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbe- reiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versor- gungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversor- gungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Ano- deneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Ka- thodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhal- tiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöff- nungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels. Both components are divided into an active area AA and inactive areas IA. The active area AA is characterized in that the fuel cell reactions take place in this area. For this purpose, the membrane electrode arrangement 14 has a catalytic electrode 143 in the active region AA on both sides of the polymer electrolyte membrane. The inactive areas IA can be divided into supply areas SA and distribution areas DA. Supply openings 144 to 147 on the side of the membrane electrode arrangement 14 and 154 to 159 on the side of the bipolar plate 15 are arranged within the supply areas SA, which in the stacked state are essentially aligned with one another and form main supply channels within the fuel cell stack 10. The anode inlet openings 144 and 154 serve to supply the anode operating gas, ie the fuel, for example hydrogen. The anode outlet openings 145 and 155 serve to discharge the anode exhaust gas after overflow of the active area AA. The cathode inlet openings 146 and 156 serve to supply the cathode operating gas, which is in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air. The cathode outlet openings 147 and 157 serve to discharge the cathode exhaust gas after overflow of the active area AA. The coolant inlet openings 148 and 158 serve for the supply and the coolant outlet openings 149 and 159 for the discharge of the coolant.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in Figur 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, bei spielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in Figur 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 er- strecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst. The MEA 14 has an anode side 141, which is visible in FIG. 2. The catalytic electrode 143 shown is thus designed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane. The cathode side 142 which is not visible in FIG. 2 has a corresponding catalytic electrode, here the cathode. The polymer electrolyte membrane can extend over the entire spread of the membrane electrode arrangement 14, but at least over the active region AA. In the inactive A reinforcing carrier film which surrounds the membrane can be arranged in regions IA.
Die in Figur 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstel- lung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammen- gefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufge- baut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodenein- lassöffnung 156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicher weise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsme- dium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, ver- laufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöff- nung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbro- chenen Linien sind in Figur 3 Dichtungen angedeutet. The bipolar plate 15 shown in FIG. 3 likewise has a cathode side 152 which is visible in the illustration and an invisible anode side 151. In typical designs, the bipolar plate 15 is constructed from two plate halves joined together, the anode plate and the cathode plate. On the cathode side 152 shown, operating medium channels 153 are designed as open channel-like channel structures which connect the cathode inlet opening 156 to the cathode outlet opening 157. Only five exemplary resource channels 153 are shown, with a significantly larger number usually being present. Likewise, the anode side 151, which is not visible here, has corresponding operating medium channels which connect the anode inlet opening 154 to the anode outlet opening 155. These operating device channels for the anode operating medium are also designed as open, channel-like channel structures. Included in the interior of the bipolar plate 15, in particular between the two plate halves, are coolant channels which connect the coolant inlet opening 158 to the coolant outlet opening 151. Seals are indicated with the broken lines in FIG. 3.
Als Material für die jeweiligen Platten können Metalle oder Metalllegierungen oder leitfähige kohlenstoffbasierte Materialien, wie beispielsweise Graphit oder Kompositmaterialien aus Graphit und Kohlenstoff, verwendet werden. Metals or metal alloys or conductive carbon-based materials such as graphite or composite materials made of graphite and carbon can be used as the material for the respective plates.
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 im aktiven Bereich AA des Brennstoffzellenstapels 10. Dabei zeigen die Figuren 4 und 5 je eine Querschnittsdarstellung, wohingegen in Figur 6 der Brennstoffzellen- stapel in einer Schrägansicht gezeigt ist. Gezeigt ist je ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15, die in den Figuren 4 und 6 beidseits an eine Membran 14 angeordnet ist. FIGS. 4, 5 and 6 each show a schematic representation of a section of a fuel cell stack 10 according to the invention in the active region AA of the fuel cell stack 10. FIGS. 4 and 5 each show a cross-sectional representation, whereas in FIG. 6 the fuel cell stack is shown in an oblique view , A section of a bipolar plate 15 according to the invention is shown, which is arranged on both sides of a membrane 14 in FIGS. 4 and 6.
Die Bipolarplatte 15 umfasst eine Anodenplatte 50, eine daran angeordnete Kühlmittelplatte 60 und eine an die Kühlmittelplatte 70 angeordnete Katho- denplatte 70, die entlang ihrer Längsseiten übereinander gestapelt sind. The bipolar plate 15 comprises an anode plate 50, one arranged thereon Coolant plate 60 and a cathode plate 70 arranged on the coolant plate 70, which are stacked one above the other along their long sides.
Die Anodenplatte 50 und die Kathodenplatte 70 sind vom grundsätzlichen Aufbau her gleich und werden daher im Weiteren gemeinsam unter dem Be- griff der Elektrodenplatte 50, 70 beschrieben. Dabei sei angemerkt, dass die zu beschreibenden Ausführungsformen unabhängig voneinander jeweils für die Anodenplatte 50 und die Kathodenplatte 70 gelten. The anode plate 50 and the cathode plate 70 are of the same basic structure and are therefore described below together under the term of the electrode plate 50, 70. It should be noted here that the embodiments to be described apply independently of one another to the anode plate 50 and the cathode plate 70.
Die Elektrodenplatten 50, 70 weisen jeweils eine ebene Seite 54, 74 auf. Die ebene Seite 54, 74 weist keine Profilierung, also keine Erhebungen oder Ka- nalstrukturen auf. Im Brennstoffzellenstapel 10 ist die Membran-Elektroden- Einheit 14 an je eine dieser ebenen Seiten 54, 74 einer Anodenplatte 50 und einer Kathodenplatte 70 angeordnet. The electrode plates 50, 70 each have a flat side 54, 74. The flat side 54, 74 has no profiling, that is to say no elevations or channel structures. In the fuel cell stack 10, the membrane-electrode unit 14 is arranged on each of these flat sides 54, 74 of an anode plate 50 and a cathode plate 70.
Figur 7 zeigt eine Elektrodenplatte 50, 70 in Aufsicht auf die ebene Seite 54, 74. Die ebene Seite 54, 74 ist im aktiven Bereich insbesondere in regelmäßi- gen Abständen von Durchgangsöffnungen 53, 73 durchbrochen. Die Durch- gangsöffnungen 53, 73 können nahezu jede beliebige Form und Größe auf- weisen. Vorteilhaft ist jedoch, dass sie regelmäßig angeordnet sind und eine regelmäßige Form, beispielsweise eine runde, elliptische, rechteckige quad- ratische oder vieleckige Grundform aufweisen. Die Durchgangsöffnungen 53, 73 sind bevorzugt gitterförmig angeordnet, wobei die Mittelpunkte der Durch- gangsöffnungen 53, 73 jeweils die Gitterpunkte des Gitters bilden. FIG. 7 shows an electrode plate 50, 70 in a plan view of the flat side 54, 74. The flat side 54, 74 is broken through in the active region, in particular at regular intervals by through openings 53, 73. The through openings 53, 73 can have almost any shape and size. However, it is advantageous that they are arranged regularly and have a regular shape, for example a round, elliptical, rectangular, square or polygonal basic shape. The through openings 53, 73 are preferably arranged in the form of a grid, the center points of the through openings 53, 73 each forming the grid points of the grid.
Die ebene Fläche zwischen den Gitterpunkten ist in Summe bezogen auf den aktiven Bereich bevorzugt mindestens ebenso groß, wie die Summe der Fläche der Durchgangsöffnungen 53, 73. The flat surface between the lattice points is preferably at least as large in relation to the active area as the sum of the surface of the through openings 53, 73.
Auf der der ebenen Seite 54, 74 gegenüberliegenden Seite der Elektroden- platte 50, 70 weist diese erste Abstandselemente 52, 72 auf. Diese sind be- nachbart zu den Durchgangsöffnungen angeordnet und besetzten bevorzugt Zwischengitterplätze des durch die Durchgangsöffnungen 53, 73 gebildeten Gitters. Unabhängig von der Anordnung der Durchgangsöffnungen 53, 73 bilden die ersten Abstandselemente 52, 72 selbst ein zweidimensionales Git ter aus. On the side of the electrode plate 50, 70 opposite the flat side 54, 74, the latter has first spacer elements 52, 72. These are arranged adjacent to the through openings and preferably occupy interstitial spaces of the grid formed by the through openings 53, 73. Regardless of the arrangement of the through openings 53, 73 the first spacer elements 52, 72 themselves form a two-dimensional grid.
Die Durchgangsöffnungen 53, 73 haben bevorzugt eine Größe von 1 bis 2 miti2, wobei eine Seitenlange bzw. der Durchmesser der Durchgangsöffnung 53, 73 bevorzugt im Bereich von 500 bis 1000 miti liegt. The through openings 53, 73 preferably have a size of 1 to 2 miti 2 , a side length or the diameter of the through opening 53, 73 preferably being in the range from 500 to 1000 miti.
Die ersten Abstandselemente 52, 72 sind mit der Platte 51 , 71 der Elektro- denplatte 50, 70 stoffschlüssig verbunden. Vorliegend liegt auch in einer ein- stückigen Ausführung der Elektrodenplatte 50, 70 mit den ersten Abstandse- lementen 52, 72 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den ersten Ab- standselementen 52, 72 und der Platte 51 , 71 vor. The first spacer elements 52, 72 are integrally connected to the plate 51, 71 of the electrode plate 50, 70. In the present case, there is also an integral connection between the first spacer elements 52, 72 and the plate 51, 71 in a one-piece design of the electrode plate 50, 70 with the first spacer elements 52, 72.
Die ersten Abstandselemente 52, 72 sind insbesondere in den Figuren 4-6 und 8 deutlich zu erkennen. In den gezeigten Ausgestaltungen verjüngen sich die ersten Abstandselemente 52, 72 ausgehend von der stoffschlüssi- gen Verbindung. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt, weil sie den Kanalquer- schnitt erhöht, jedoch keineswegs zwingend. Alternativ verlaufen die ersten Abstandselemente auch zwischen den Kontaktstellen mit der Platte 51 , 71 und Kühlmittelplatte 60 gerade oder verjüngen sich mittig, so dass die Kon- taktflächen an beiden Platten 51 bzw. 71 und 60 im Wesentlichen gleich groß sind. The first spacer elements 52, 72 can be clearly seen in particular in FIGS. 4-6 and 8. In the embodiments shown, the first spacer elements 52, 72 taper based on the integral connection. This configuration is preferred because it increases the cross section of the channel, but in no way is it mandatory. Alternatively, the first spacer elements also run straight between the contact points with the plate 51, 71 and coolant plate 60 or taper in the center, so that the contact areas on the two plates 51 and 71 and 60 are essentially the same size.
Der Abstand zwischen den ersten Abstandselementen 52, 72 liegt bevorzugt im Bereich von 300 bis 700 miti, bevorzugt im Bereich von 450 bis 550, be- sonders bevorzugt bei 500 pm. Dabei bezieht sich der Abstand auf die Ent- fernung zwischen den Kontaktstellen benachbarter erster Abstandselemente 52, 72 auf der Elektrodenplatte. The distance between the first spacer elements 52, 72 is preferably in the range from 300 to 700 mm, preferably in the range from 450 to 550, particularly preferably 500 μm. The distance relates to the distance between the contact points of adjacent first spacer elements 52, 72 on the electrode plate.
Die Elektrodenplatten 50, 70 sind wie in den Figuren gezeigt derart im Schichtstapel angeordnet, dass die ersten Abstandselemente mit einer ebe- nen Seite 63 der Kühlmittelplatte 60 kontaktieren. Dadurch fungiert die ebene Seite 63 der Kühlmittelplatte 60 als Begrenzung für Betriebsmittelkanäle ei- nes Flussfeldes zwischen den ersten Abstandselementen 52, 72. Die Kanal- höhe 58, 78 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 100 und 500 miti, vorzugs- weise im Bereich von 200 bis 400 miti, besonders bevorzugt bei 250 bis 300 miti. As shown in the figures, the electrode plates 50, 70 are arranged in the layer stack in such a way that the first spacer elements make contact with a flat side 63 of the coolant plate 60. As a result, the flat side 63 of the coolant plate 60 functions as a delimitation for operating medium channels of a flow field between the first spacer elements 52, 72. height 58, 78 is preferably in the range between 100 and 500 miti, preferably in the range from 200 to 400 miti, particularly preferably in the range from 250 to 300 miti.
Bei einer bevorzugten Dicke der Platte 51 , 71 der Elektrodenplatte 50, 70 von 80 bis 120 miti, bevorzugt 100 miti, ergibt sich eine Gesamthöhe 59, 79 der Elektrodenplatte unabhängig von einander von 200 bis 400 miti, insbe- sondere von 300 bis 400 miti, bevorzugt von 350 pm. With a preferred thickness of the plate 51, 71 of the electrode plate 50, 70 from 80 to 120 miti, preferably 100 miti, the overall height 59, 79 of the electrode plate is independent of one another from 200 to 400 miti, in particular from 300 to 400 miti , preferably from 350 pm.
Eine im Schichtstapel zwischen den Elektrodenplatten 50, 70 angeordnete Kühlmittelplatte 60 ist in einer bevorzugten Ausführungsform wie in den Figu- ren 9 und 10 gezeigt ausgestaltet. Die Kühlmittelplatte 60 umfasst eine ebe- ne Platte 63, die auch im aktiven Bereich geschlossen, also ohne Durch- gangsöffnungen, ausgebildet ist. Auf einer Seite der ebenen Platte 63 sind zweite Abstandselemente 62 angeordnet und fest, insbesondere stoffschlüs- sig beziehungsweise einstückig mit der ebenen Platte verbunden. Die Ober- fläche der ebenen Platte 63 weist auf der den zweiten Abstandselementen 62 abgewandten Seite keine Erhöhungen oder Vertiefungen auf, sondern ist im Wesentlichen flach beziehungsweise eben ausgeführt. In a preferred embodiment, a coolant plate 60 arranged in the layer stack between the electrode plates 50, 70 is configured as shown in FIGS. 9 and 10. The coolant plate 60 comprises a flat plate 63, which is also closed in the active area, that is to say without through openings. On one side of the flat plate 63, second spacer elements 62 are arranged and firmly, in particular integrally or integrally connected to the flat plate. The surface of the flat plate 63 has no elevations or depressions on the side facing away from the second spacing elements 62, but is essentially flat or flat.
Die zweiten Abstandselemente 62 weisen ebenso wie die ersten Abstandse- lemente 52, 72 der Elektrodenplatten 50, 70 eine regelmäßige Grundform auf und erstrecken sich im Wesentliche senkrecht zu der Oberfläche der ebenen Platte 63. Zumindest bei Anordnung in einer erfindungsgemäßen Bipolarplat te 15 stehen die zweiten Abstandselemente 62 mit einer weiteren ebenen Platte 63 in Kontakt. Zwischen den beiden durch die zweite Abstandsele- mente 62 beabstandeten ebenen Platten 63 bildet sich ein Kühlmittelströ mungsfeld aus dessen Höhe von den zweiten Abstandselementen 62 defi- niert wird und im Bereich von 150 bis 250 pm, insbesondere bei 200 pm liegt. Mit einer bevorzugten Plattenhöhe der ebenen Platten 63 unabhängig vonei- nander im Bereich von 80 bis 120 pm, vorzugsweise von 100 pm ergibt sich eine bevorzugte Gesamthöhe 69 der Kühlmittelplatte 60 im Bereich von 300 bis 500 pm, vorzugsweise von 400 pm. Die zweiten Abstandselemente 62 bilden ein zweidimensionales Gitter aus, welches bezogen auf eine Stapelrichtung aller zur erfindungsgemäßen Bipo- larplatte 15 gehörigen Platten bevorzugt über dem Gitter der ersten Abstand- selemente 52, 72 positioniert ist. Die Grundfläche der zweiten Abstandsele- mente 62, also die Kontaktfläche der zweiten Abstandselemente 62 mit den ebenen Platten 63 der Kühlmittelplatte 60, weisen wie in Figur 4 gezeigt be- vorzugt die gleiche Größe auf, wie die Kontaktfläche der ersten Abstandse- lemente mit der ebenen Platte 63 der Kühlmittelplatte 60. Alternativ sind sie größer (wie in Figur 5 gezeigt) oder kleiner (nicht gezeigt) ausgeführt. Beides dient einer Verschiebung des Kompromisses zwischen Strömungskanalgrö- ße und Plattenstabilität. The second spacer elements 62, like the first spacer elements 52, 72 of the electrode plates 50, 70, have a regular basic shape and extend essentially perpendicular to the surface of the flat plate 63. At least when arranged in a bipolar plate 15 according to the invention, the second ones Spacers 62 in contact with another flat plate 63. Between the two flat plates 63 spaced apart by the second spacer elements 62, a coolant flow field is formed, the height of which is defined by the second spacer elements 62 and is in the range from 150 to 250 pm, in particular at 200 pm. With a preferred plate height of the flat plates 63 independently of one another in the range from 80 to 120 pm, preferably from 100 pm, a preferred overall height 69 of the coolant plate 60 results in the range from 300 to 500 pm, preferably from 400 pm. The second spacer elements 62 form a two-dimensional grid, which is preferably positioned above the grid of the first spacer elements 52, 72 with respect to a stacking direction of all plates belonging to the bipolar plate 15 according to the invention. As shown in FIG. 4, the base area of the second spacer elements 62, that is to say the contact area of the second spacer elements 62 with the flat plates 63 of the coolant plate 60, is preferably the same size as the contact area of the first spacer elements with the flat one Plate 63 of coolant plate 60. Alternatively, they are made larger (as shown in Figure 5) or smaller (not shown). Both serve to shift the compromise between flow channel size and plate stability.
Alle Platten 50, 60 und 70 können unabhängig voneinander aus einem Koh- lenstoffmaterial, wie Graphit, oder einen Metall gefertigt sein. Die Geometrie und bevorzugten Größen ermöglichen eine Fertigung der Platten aus Grafoil beispielsweise mittels Stanz- oder Prägeverfahren. All plates 50, 60 and 70 can be made independently of a carbon material, such as graphite, or a metal. The geometry and preferred sizes enable the plates to be made from Grafoil, for example by means of stamping or embossing processes.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 ermöglicht die Vermeidung einer Re- duktion der Strömungskanäle durch Intrusion einer zur Membran- Elektrodeneinheit gehörigen Gasdiffusionsschicht, da diese an die ebene Platte der Elektrodenplatten 50, 70 angeordnet wird und aufgrund der groß- flächigen Kontaktfläche keine lokalen Druckpunkte ausbildet. The bipolar plate 15 according to the invention makes it possible to avoid a reduction of the flow channels by intrusion of a gas diffusion layer belonging to the membrane electrode unit, since this is arranged on the flat plate of the electrode plates 50, 70 and does not form any local pressure points due to the large contact area.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Brennstoffzellensystem 100 fuel cell system
10 Brennstoffzellenstapel 10 fuel cell stacks
1 1 Einzelzelle  1 1 single cell
12 Anodenraum  12 anode compartment
13 Kathodenraum  13 cathode compartment
14 Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 14 membrane electrode arrangement (MEA)
141 Anodenseite  141 anode side
142 Kathodenseite  142 cathode side
143 katalytische Elektrode / Anode  143 catalytic electrode / anode
144 Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung  144 supply opening / anode inlet opening
145 Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung  145 Supply opening / anode outlet opening
146 Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung  146 Supply opening / cathode inlet opening
147 Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung  147 Supply opening / cathode outlet opening
148 Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung  148 Supply opening / coolant inlet opening
149 Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung  149 Supply opening / coolant outlet opening
15 Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) 15 bipolar plate (separator plate, flow field plate)
151 Anodenseite  151 anode side
152 Kathodenseite  152 cathode side
153 Betriebsmittel kanal (Reaktantenkanal)  153 equipment channel (reactant channel)
154 Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung 154 Supply opening / anode inlet opening
155 Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung  155 Supply opening / anode outlet opening
156 Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung  156 supply opening / cathode inlet opening
157 Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung  157 Supply opening / cathode outlet opening
158 Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung  158 Supply opening / coolant inlet opening
159 Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung 159 Supply opening / coolant outlet opening
16 Endplatte / Medienversorgungsplatte / stromabwärtige Platte16 end plate / media supply plate / downstream plate
17 Hauptversorgungskanal / Kathodeneinlasskanal 17 Main supply duct / cathode inlet duct
18 Hauptversorgungskanal / Kathodenauslasskanal Betriebsmedium / Kathodenbetriebsmedium / Luft 18 Main supply duct / cathode outlet duct Operating medium / cathode operating medium / air
Anodenversorgung anode supply
Anodenversorgungspfad  Anode supply path
Anodenabgaspfad  Anode exhaust gas path
Brennstofftank  fuel tank
Stellmittel  actuating means
Brennstoffrezirkulationsleitung  Brennstoffrezirkulationsleitung
Stellmittel  actuating means
Kathodenversorgung cathode supply
Kathodenversorgungspfad  Cathode supply path
Kathodenabgaspfad  Cathode exhaust path
Verdichter  compressor
Elektromotor  electric motor
Leistungselektronik  power electronics
Turbine  turbine
Wastegate-Leitung  Waste gate line
Stellmittel  actuating means
Befeuchtermodul  humidifier
Anodenplatte anode plate
Platte  plate
erstes Abstandselement first spacer
Durchgangsöffnung Through opening
ebene Fläche flat surface
Strömungsquerschnitt Flow area
Kanalhöhe channel height
Gesamthöhe Anodenplatte  Total anode plate height
Kühlmittelplatte Coolant plate
zweites Abstandselement second spacer
ebene Platte flat plate
Strömungsquerschnitt 68 Kanalhöhe Flow area 68 channel height
69 Gesamthöhe Kühlmittelplatte  69 Total coolant plate height
70 Kathodenplatte 70 cathode plate
71 Platte  71 plate
72 erstes Abstandselement  72 first spacer
73 Durchgangsöffnung  73 through opening
74 ebene Fläche  74 flat surface
76 Strömungsquerschnitt  76 flow cross section
78 Kanalhöhe  78 channel height
79 Gesamthöhe Kathodenplatte  79 Total height of the cathode plate
AA Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)AA active area
IA Inaktiver Bereich ( inactive area) IA inactive area
SA Versorgungsbereich (supply area)  SA supply area
DA Verteilerbereich ( distribution area)  DA distribution area
S Stapelrichtung  S stacking direction

Claims

PATENTANSPRÜCHE: CLAIMS:
Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich (AA) und einem inaktiven Bereich (IA) umfassend einen Stapel mit einer Anodenplatte (50), einer planparallel an der Anodenplatte (50) ange- ordneten Kühlmittelplatte (60) und einer planparallel an der Kühlmittel- platte (60) angeordneten Kathodenplatte (70), welche jeweils eine ebe- ne Seite aufweisen, wobei die Anodenplatte (50) und die Kathodenplat- te (70) erste Abstandselemente (52, 72) aufweisen, die auf einer der ebenen Seite gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Platte (50, 70) mit dieser verbunden sind, und wobei die Anodenplatte (50) und die Ka- thodenplatte (70) im aktiven Bereich (AA) eine Mehrzahl von Durch- gangsöffnungen (53, 73) aufweisen. Bipolar plate (15) for a fuel cell with an active area (AA) and an inactive area (IA) comprising a stack with an anode plate (50), a coolant plate (60) arranged plane-parallel on the anode plate (50) and a plane-parallel the coolant plate (60) arranged cathode plate (70), each having a flat side, the anode plate (50) and the cathode plate (70) having first spacer elements (52, 72), which on one of the planes The opposite side of the respective plate (50, 70) are connected to it, and the anode plate (50) and the cathode plate (70) have a plurality of through openings (53, 73) in the active region (AA).
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (50) und/oder die Kathodenplatte (70) derart an der Kühlmittelplatte (60) angeordnet ist, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) der Anodenplatte (50) beziehungsweise der Kathodenplatte (70) mit einer ebenen Seite der Kühlmittelplatte (60) in Kontakt sind. Bipolar plate (15) according to claim 1, characterized in that the anode plate (50) and / or the cathode plate (70) is arranged on the coolant plate (60) such that the first spacer elements (52, 72) of the anode plate (50) and the cathode plate (70) is in contact with a flat side of the coolant plate (60).
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelplatte (60) im aktiven Bereich (AA) eine geschlossene Oberfläche aufweist. Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant plate (60) has a closed surface in the active region (AA).
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelplatte (60) zwei ebene und im akti- ven Bereich geschlossene Platten (63) umfasst, welche über zweite Abstandselemente (62) miteinander verbunden sind. Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant plate (60) comprises two flat plates (63) which are closed in the active region and which are connected to one another via second spacer elements (62).
Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen (53, 73) im aktiven Bereich (AA) der Anoden- und/oder Kathodenplatte (50, 70) bevorzugt mindestens 50 %, insbesondere zumindest 70 % der Fläche des aktiven Bereichs (AA) der jeweiligen Platte umfasst. Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that an area between the through openings (53, 73) in the active region (AA) of the anode and / or cathode plate (50, 70) preferably at least 50%, in particular at least 70 % of the area of the active area (AA) of the respective plate.
6. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) bezüglich einer Stapelrichtung (S) der Platten (50, 60, 70) übereinander positio- niert sind. 6. Bipolar plate (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first spacer elements (52, 72) with respect to a stacking direction (S) of the plates (50, 60, 70) are positioned one above the other.
7. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) einer der Platten ein zweidimensionales Gitter ausbilden und die Durchgangsöff- nungen (53, 73) der entsprechenden Platte (50, 70) zwischen den Git terpunkten, insbesondere entlang einer Reihe von ersten Abstandsele- menten (52, 72) und/oder in Reihe zwischen zwei benachbarten Reihen von ersten Abstandselementen (52, 72) des Gitters angeordnet sind. 8. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) von Ano- den- und/oder Kathodenplatte (50, 70) ausgehend von der, vorzugswei- se stoffschlüssigen Verbindung bezogen auf einen Querschnitt der ers- ten Abstandselemente (52, 72) eine verjüngende Form aufweisen. 7. Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the first spacer elements (52, 72) of one of the plates form a two-dimensional grid and the through openings (53, 73) of the corresponding plate (50, 70) between the grid points, in particular along a row of first spacer elements (52, 72) and / or in a row between two adjacent rows of first spacer elements (52, 72) of the grid. 8. Bipolar plate (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first spacer elements (52, 72) of anode and / or cathode plate (50, 70) based on the, preferably integrally connected connection with respect to one Cross section of the first spacer elements (52, 72) have a tapered shape.
9. Brennstoffzelle aufweisend eine Bipolarplatte (15) nach einem der vor- hergehenden Ansprüche und eine daran angeordnete Membran- Elektroden-Einheit (14) umfassend eine Gasdiffusionsschicht, welche an der ebenen Seite der Kathodenplatte (70) oder der ebenen Seite der Anodenplatte (50) angeordnet ist. 9. A fuel cell comprising a bipolar plate (15) according to one of the preceding claims and a membrane electrode unit (14) arranged thereon comprising a gas diffusion layer which is on the flat side of the cathode plate (70) or the flat side of the anode plate (50 ) is arranged.
10. Brennstoffzellensystem (100) aufweisend eine Brennstoffzelle nach An- spruch 9. 10. Fuel cell system (100) comprising a fuel cell according to claim 9.
PCT/EP2019/067348 2018-07-05 2019-06-28 Flow field plate for fuel cells with three individual plates, as well as fuel cell and fuel cell stack with such flow field plates WO2020007730A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018211078.6A DE102018211078B3 (en) 2018-07-05 2018-07-05 Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates
DE102018211078.6 2018-07-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020007730A1 true WO2020007730A1 (en) 2020-01-09

Family

ID=67539404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/067348 WO2020007730A1 (en) 2018-07-05 2019-06-28 Flow field plate for fuel cells with three individual plates, as well as fuel cell and fuel cell stack with such flow field plates

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018211078B3 (en)
WO (1) WO2020007730A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1432060A1 (en) 2002-12-10 2004-06-23 Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. Integrated bipolar plate module for fuel cell stack
DE102007039467A1 (en) 2006-08-24 2008-03-27 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Electroconductive ridges adhered to gas diffusion media and methods of making and using same
US20110223512A1 (en) * 2008-11-13 2011-09-15 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Fuel Cell Without Bipolar Plates
DE102016200398A1 (en) 2016-01-14 2017-07-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, fuel cell stack with such bipolar plates and vehicle with such a fuel cell stack

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150142797A (en) * 2014-06-11 2015-12-23 현대자동차주식회사 Fuel cell separator, and fuel cell comprising the same
DE102016122590A1 (en) * 2016-11-23 2018-05-24 Audi Ag Polar plate for a fuel cell and fuel cell stack

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1432060A1 (en) 2002-12-10 2004-06-23 Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. Integrated bipolar plate module for fuel cell stack
DE102007039467A1 (en) 2006-08-24 2008-03-27 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Electroconductive ridges adhered to gas diffusion media and methods of making and using same
US20110223512A1 (en) * 2008-11-13 2011-09-15 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Fuel Cell Without Bipolar Plates
DE102016200398A1 (en) 2016-01-14 2017-07-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, fuel cell stack with such bipolar plates and vehicle with such a fuel cell stack

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018211078B3 (en) 2019-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017186770A1 (en) Bipolar plate which has reactant gas channels with variable cross-sectional areas, fuel cell stack, and vehicle comprising such a fuel cell stack
EP3378117B1 (en) Bipolar plate having asymmetrical sealing sections, and fuel cell stack having such a bipolar plate
DE102015225228A1 (en) Bipolar plate for a fuel cell and fuel cell stack with such
WO2017025555A1 (en) Bipolar plate and a fuel cell stack comprising same
WO2017220552A1 (en) Bipolar plate having a variable width of the reaction channels in the inlet region of the active region, fuel cell stack and fuel cell system having bipolar plates of this type, as well as a vehicle
DE102017124843B4 (en) Single cell of a fuel cell
EP3884535B1 (en) Fuel cell plate, bipolar plate and fuel cell device
WO2010054744A1 (en) Bipolar plate for a fuel cell arrangement, particularly for disposing between two adjacent membrane electrode arrangements in a fuel cell stack
DE102016121506A1 (en) Bipolar plate and fuel cell with such a
DE102015223040A1 (en) Fuel cell and fuel cell system with such
DE102004058117B4 (en) Thickness-optimized bipolar plate for fuel cell stack and bipolar plate arrangement in a fuel cell stack
WO2010083788A1 (en) Repeating unit for a fuel cell stack
DE102016200398A1 (en) Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, fuel cell stack with such bipolar plates and vehicle with such a fuel cell stack
DE102015223640A1 (en) fuel cell stack
EP3736894B1 (en) Bipolar plate for fuel cells, fuel cell stack comprising such bipolar plates and vehicle comprising such a fuel cell stack
DE102015207455A1 (en) Bipolar plate with different thickness half plates and fuel cell stack with such
DE102018211078B3 (en) Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates
EP3953986A1 (en) Flow field plate for fuel cells, fuel cell stack with flow field plates of this type, and vehicle with a fuel cell stack of this type
DE102015218757A1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell stack and fuel cell system with such
DE102019206117A1 (en) Fuel cell stacks comprising variable biopolar plates
DE102019203321A1 (en) Fuel cell plate, fuel cell structure and fuel cell system
WO2017085030A1 (en) Fuel cell stack having bipolar plates, and fuel cell system
DE102013203311A1 (en) The fuel cell system
DE102016201707A1 (en) Bipolar plate for fuel cells with improved structure, fuel cell stack with such bipolar plates and vehicle with such a fuel cell stack
WO2016030095A1 (en) Bipolar plate and fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19749200

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19749200

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1