WO2020152084A1

WO2020152084A1 - Bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2020152084A1
Application number: PCT/EP2020/051242
Authority: WO
Inventors: Helerson Kemmer; Felix Wald
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2020-07-30
Also published as: DE102019200946A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend eine erste Verteilstruktur mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode. Der zweite Verteilbereich (160) umfasst eine Mehrzahl von zweiten Verteilsegmenten (165), wobei jedes der zweiten Verteilsegmente (165) mit einem separaten zweiten Zufuhrkanal (161) zur Zuführung des Oxidationsmittels und mit einem separaten zweiten Abfuhrkanal (162) zur Abführung von nicht benötigtem Oxidationsmittel verbunden ist, wobei von einem zweiten Zufuhrkanal (161) zu einem zweiten Abfuhrkanal (162) orientierte zweite Strömungsrichtungen (61) von benachbart angeordneten zweiten Verteilsegmenten (165) antiparallel orientiert sind. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Membran- Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.

Description

Beschreibung

Titel

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche eine erste Verteilstruktur mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten

Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.

Stand der Technik

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische

Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere

Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere

Wasserstoff, getrennt.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.

Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind

Gasverteilerplatten vorgesehen, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf.

Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur

Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.

Es sind auch Bipolarplatten mit Verteilstrukturen zur Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode bekannt, welche poröse Schäume aufweisen. Die Schäume weisen dabei derartige Porositäten auf, dass die zugeführten Reaktionsgase sowie das bei der Reaktion entstandene Wasser hindurchströmen können.

Auch aus der DE 10 2013 223 776 Al ist eine gattungsgemäße Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel bekannt. Die Bipolarplatte weist Verteilstrukturen auf, welche aus metallischem Schaum hergestellt sind und welche zur Einleitung der Reaktionsgase in den Brennstoffzellenstapel sowie zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers dienen. Die Bipolarplatte weist ferner eine Verteilstruktur auf, welche aus metallischem Schaum hergestellt ist und welche Durchleitung einer Kühlflüssigkeit dient.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche eine erste Verteilstruktur mit einem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur mit einem zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst.

Erfindungsgemäß umfasst der zweite Verteilbereich zur Verteilung des

Oxidationsmittels eine Mehrzahl von zweiten Verteilsegmenten. Dabei ist jedes der zweiten Verteilsegmente mit einem separaten zweiten Zufuhrkanal zur Zuführung des Oxidationsmittels und mit einem separaten zweiten Abfuhrkanal zur Abführung von nicht benötigtem Oxidationsmittel verbunden. Das

Oxidationsmittel strömt innerhalb von jedem der zweiten Verteilsegmente jeweils von dem zweiten Zufuhrkanal zu dem zweiten Abfuhrkanal in eine zweite Strömungsrichtung. Die von einem zweiten Zufuhrkanal zu einem zweiten Abfuhrkanal orientierten zweiten Strömungsrichtungen von benachbart angeordneten zweiten Verteilsegmenten sind dabei antiparallel orientiert.

Im Betrieb der Bipolarplatte in der Brennstoffzelle sind Regionen nahe einem Zufuhrkanal relativ trocken und Regionen nahe einem Abfuhrkanal eher feucht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung entstehen in jedem zweiten Verteilsegment je eine feuchte und eine trockene Region. Es werden somit feuchte und trockene Regionen über den zweiten Verteilbereich annähernd homogen verteilt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbart angeordnete zweite Verteilsegmente durch zweite Trennwände voneinander getrennt. Dabei sind die zweiten Trennwände für das Oxidationsmittel undurchlässig. Das Oxidationsmittel kann somit nicht von einem zweiten Verteilsegment in ein benachbartes zweites Verteilsegment strömen. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbart angeordnete zweite Verteilsegmente durch zweite Trennwände voneinander getrennt. Dabei ist mindestens eine der zweiten Trennwände von mindestens einem Querkanal durchbrochen. Das Oxidationsmittel kann somit von einem zweiten Verteilsegment durch den Querkanal in ein benachbartes zweites Verteilsegment strömen.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die zweiten Trennwände aus einem gasdichten, aber wasserpermeablen Material hergestellt sein. Dadurch ist ein Austausch von Feuchtigkeit zwischen benachbarten zweiten Verteilsegmenten möglich. Somit können feuchte Regionen vereinfacht

Feuchtigkeit an benachbarte trockene Regionen abgeben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der erste Verteilbereich eine Mehrzahl von ersten Verteilsegmenten. Dabei ist jedes der ersten Verteilsegmente mit einem separaten ersten Zufuhrkanal zur Zuführung des Brennstoffs und mit einem separaten ersten Abfuhrkanal zur Abführung von nicht benötigtem Brennstoff verbunden. Der Brennstoff strömt innerhalb von jedem der ersten Verteilsegmente jeweils von dem ersten Zufuhrkanal zu dem ersten Abfuhrkanal in eine erste Strömungsrichtung. Die von einem ersten Zufuhrkanal zu einem ersten Abfuhrkanal orientierten ersten

Strömungsrichtungen von benachbart angeordneten ersten Verteilsegmenten sind dabei antiparallel orientiert.

Im Betrieb der Bipolarplatte in der Brennstoffzelle existieren Regionen mit höherer Temperatur und mit geringerer Temperatur. Durch die besagte vorteilhafte Weiterbildung erfolgt eine homogenere Temperaturverteilung über die einzelnen Regionen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbart angeordnete erste Verteilsegmente durch erste Trennwände voneinander getrennt. Dabei sind die ersten Trennwände für den Brennstoff undurchlässig.

Der Brennstoff kann somit nicht von einem ersten Verteilsegment in ein benachbartes erstes Verteilsegment strömen. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbart angeordnete erste Verteilsegmente durch erste Trennwände voneinander getrennt. Dabei ist mindestens eine der ersten Trennwände von mindestens einem Querkanal durchbrochen. Der Brennstoff kann somit von einem ersten Verteilsegment durch den Querkanal in ein benachbartes erstes Verteilsegment strömen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten

Strömungsrichtungen des Brennstoffs rechtwinklig zu den zweiten

Strömungsrichtungen des Oxidationsmittels orientiert. Eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Bipolarplatte kann somit im Kreuzstrom betrieben werden.

Durch den Betrieb im Kreuzstrom kann der Brennstoff Feuchtigkeit von den feuchten Regionen der zweiten Verteilsegmente zu trockenen Regionen von benachbarten zweiten Verteilsegmenten transportieren. Die Feuchtigkeit der einzelnen Regionen wird damit aneinander angeglichen und somit wird die Feuchtigkeit in dem zweiten Verteilbereich noch homogener verteilt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der ersten Verteilstruktur und der zweiten Verteilstruktur der Bipolarplatte eine dritte Verteilstruktur mit einem dritten Verteilbereich zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen. Der dritte Verteilbereich umfasst eine Mehrzahl von dritten

Verteilsegmenten. Dabei ist jedes der dritten Verteilsegmente mit einem separaten dritten Zufuhrkanal zur Einleitung des Kühlmittels und mit einem separaten dritten Abfuhrkanal zur Ausleitung des Kühlmittels verbunden. Das Kühlmittel strömt innerhalb von jedem der dritten Verteilsegmente jeweils von dem dritten Zufuhrkanal zu dem dritten Abfuhrkanal in eine dritte

Strömungsrichtung. Die von einem dritten Zufuhrkanal zu einem dritten

Abfuhrkanal orientierten dritten Strömungsrichtungen von benachbart angeordneten dritten Verteilsegmenten sind dabei antiparallel orientiert.

Im Betrieb der Bipolarplatte in der Brennstoffzelle existieren Regionen mit höherer Temperatur und mit geringerer Temperatur. Durch die besagte vorteilhafte Weiterbildung wird das Kühlmittel abwechselnd durch Regionen mit höherer Temperatur und mit geringerer Temperatur geleitet. Dadurch erfolgt eine homogenere Temperaturverteilung über die einzelnen Regionen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbart angeordnete dritte Verteilsegmente durch dritte Trennwände voneinander getrennt. Dabei sind die dritten Trennwände für das Kühlmittel undurchlässig.

Das Kühlmittel kann somit nicht von einem dritten Verteilsegment in ein benachbartes drittes Verteilsegment strömen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind benachbart angeordnete dritte Verteilsegmente durch dritte Trennwände voneinander getrennt. Dabei ist mindestens eine der dritten Trennwände von mindestens einem Querkanal durchbrochen. Das Kühlmittel kann somit von einem dritten Verteilsegment durch den Querkanal in ein benachbartes drittes Verteilsegment strömen.

Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran- Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine

erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran- Elektrodeneinheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt. Die erste Elektrode wird auch als Anode bezeichnet und die zweite Elektrode wird auch als Kathode bezeichnet.

Im Betrieb der Brennstoffzelle werden die feuchten Regionen durch die dünne Membran Wasser an die Anode abgeben, während die trockenen Regionen eher Wasser von der Anode bekommen. Insbesondere, wenn die Brennstoffzelle im Kreuzstrom betrieben wird, wird der Brennstoff Wasser von einer feuchten Region an der Kathode aufnehmen und zu einem benachbarten zweiten

Verteilsegment transportieren, und dem dortigen trockenen Bereich an der Kathode wieder abgeben. Dadurch wird der Feuchtegehalt deutlich

homogenisiert. Somit wird der Eintrittsbereich eines Kathodensegmentes über die Führung des Brennstoffs an der Anode aus dem Austrittsbereich eines anderen Kathodensegmentes befeuchtet. Vorteile der Erfindung

Beim Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Bipolarplatte wird die Feuchte einer Membran einer zugehörigen Membran- Elektrodeneinheit vorteilhaft homogenisiert. Dadurch tritt eine Verbesserung der Protonleitfähigkeit der Membran ein, was zu einer besseren Effizienz und zu einer Reduzierung der Kosten eines Brennstoffzellenstapels führt. Durch die homogenere Membranfeuchte stellt sich eine homogenere Stromdichte in der Brennstoffzelle ein, wodurch auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht wird. Ferner ergibt sich eine Verbesserung der inneren Befeuchtung der Brennstoffzelle sowie des Brennstoffzellenstapels, wodurch ein externer Befeuchter vereinfacht ausgestaltet werden kann oder ganz entfallen kann. Dadurch ergibt sich eine weitere Reduzierung der Systemkosten. Es kommt zu einem geringeren Wasseraustrag durch die Luft und zu einer Reduzierung des Systemdrucks und damit auch der Systemkosten. Ferner erfolgt eine

Verbesserung der Gleichverteilung von Reaktionsmedien, also Brennstoff und Oxidationsmittel, und von Reaktionsprodukten, insbesondere Wasser. Auch erfolgte eine Homogenisierung der Temperaturverteilung. Dadurch werden Temperaturspitzen vorteilhaft reduziert und die Brennstoffzellen kann mit einer durchschnittlich höheren Temperatur betrieben werden, wodurch die Effizienz weiter gesteigert wird. Querkanäle in den Trennwänden verbessern zusätzlich die homogene Verteilung von Feuchtigkeit und Temperatur.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Verteilstruktur, Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Verteilstruktur,

Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Verteilstruktur und

Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer

modifizierten zweiten Verteilstruktur.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran- Elektrodeneinheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H⁺-lonen, durchlässig.

Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektrodeneinheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.

Die Bipolarplatten 40 und die Membran- Elektrodeneinheiten 10 sind jeweils abwechselnd in eine Vertikalrichtung z zu dem Brennstoffzellenstapel 5 gestapelt. Eine Längsrichtung x erstreckt sich rechtwinklig zu der Vertikalrichtung z. Eine Querrichtung y erstreckt sich rechtwinklig zu der Längsrichtung x und zu der Vertikalrichtung z.

Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils eine erste Verteilstruktur 50 zur

Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Verteilstruktur 60 zur Verteilung eines Oxidationsmittels, die der Kathode 22 zugewandt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.

Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Verteilstruktur 70, welche zwischen der ersten Verteilstruktur 50 und der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet ist. Die dritte Verteilstruktur 70 dient zur Durchleitung eines

Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzellen 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.

Die erste Verteilstruktur 50 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine erste innere Trennschicht 85 voneinander getrennt. Die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine zweite innere Trennschicht 86 voneinander getrennt. Die innere Trennschicht 85, 86 der Bipolarplatten 40 sind fluiddicht ausgebildet.

Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite

Verteilstruktur 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend

Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen fließen durch die Verteilstrukturen 50, 60, 70 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen

Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die

Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser. Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Verteilstruktur 60 einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5. Die zweite Verteilstruktur 60 umfasst einen zweiten Verteilbereich 160 zur Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode 22. Der zweite Verteilbereich 160 ist annähernd rechteckig ausgebildet und erstreckt sich rechtwinklig zu der Vertikalrichtung z in die Längsrichtung x und in die Querrichtung y.

Der zweite Verteilbereich 160 ist in der Längsrichtung x von einer ersten

Grundseite 45 und einer zweiten Grundseite 46 begrenzt. Die Grundseiten 45, 46 verlaufen in die Querrichtung y. Der zweite Verteilbereich 160 ist in der

Querrichtung y von einer ersten Stirnseite 47 und einer zweiten Stirnseite 48 begrenzt. Die Stirnseiten 47, 48 verlaufen in die Längsrichtung x.

Der Verteilbereich 160 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Verteilsegmenten 165, welche ebenfalls annähernd rechteckig ausgebildet sind. Benachbart angeordnete zweite Verteilsegmente 165 sind durch jeweils eine zweite

Trennwand 167 voneinander getrennt. Die zweiten Trennwände 167 verlaufen vorliegend in die Längsrichtung x. Die zweiten Verteilsegmente 165 sind somit in Querrichtung y nebeneinander angeordnet.

Die zweiten Trennwändel67 sind vorliegend fluiddicht ausgebildet und somit insbesondere für das Oxidationsmittel undurchlässig. Das Oxidationsmittel kann somit nicht von einem zweiten Verteilsegment 165 in ein benachbartes zweites Verteilsegment 165 strömen.

Der zweiten Verteilstruktur 60 sind eine Mehrzahl von zweiten Zufuhrkanälen 161 zur Zuführung des Oxidationsmittels und eine Mehrzahl von zweiten

Abfuhrkanälen 162 zur Abführung von nicht benötigtem Oxidationsmittel zugeordnet. Die zweiten Zufuhrkanäle 161 und die zweiten Abfuhrkanäle 162 sind dabei entlang der Grundseiten 45, 46 angeordnet. In Querrichtung y wechseln sich dabei jeweils ein zweiter Zufuhrkanal 161 und ein zweiter

Abfuhrkanal 162 ab.

Jedes der zweiten Verteilsegmente 165 ist mit einem separaten zweiten

Zufuhrkanal 161 und mit einem separaten zweiten Abfuhrkanal 162 verbunden. Das Oxidationsmittel strömt innerhalb von jedem der zweiten Verteilsegmente 165 jeweils von dem zweiten Zufuhrkanal 161 zu dem zweiten Abfuhrkanal 162 in eine zweite Strömungsrichtung 61. Die zweiten Strömungsrichtungen 61 von benachbart angeordneten zweiten Verteilsegmenten 165 sind somit antiparallel orientiert und verlaufen in die Längsrichtung x.

Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Verteilstruktur 50 einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5. Die erste Verteilstruktur 50 umfasst einen ersten Verteilbereich 150 zur Verteilung des Brennstoffs an die Anode 21. Der erste Verteilbereich 150 ist annähernd rechteckig ausgebildet und erstreckt sich rechtwinklig zu der Vertikalrichtung z in die Längsrichtung x und in die Querrichtung y.

Der erste Verteilbereich 150 ist in der Längsrichtung x von einer ersten

Grundseite 45 und einer zweiten Grundseite 46 begrenzt. Die Grundseiten 45, 46 verlaufen in die Querrichtung y. Der erste Verteilbereich 150 ist in der

Der erste Verteilbereich 150 umfasst eine Mehrzahl von ersten Verteilsegmenten 155, welche ebenfalls annähernd rechteckig ausgebildet sind. Benachbart angeordnete erste Verteilsegmente 155 sind durch jeweils eine erste Trennwand 157 voneinander getrennt. Die ersten Trennwände 157 verlaufen vorliegend in die Querrichtung y. Die ersten Verteilsegmente 155 sind somit in Längsrichtung x nebeneinander angeordnet.

Die ersten Trennwände 157 sind vorliegend fluiddicht ausgebildet und somit insbesondere für den Brennstoff undurchlässig. Der Brennstoff kann somit nicht von einem ersten Verteilsegment 155 in ein benachbartes erstes Verteilsegment 155 strömen.

Der ersten Verteilstruktur 50 sind eine Mehrzahl von ersten Zufuhrkanälen 151 zur Zuführung des Brennstoffs und eine Mehrzahl von ersten Abfuhrkanälen 152 zur Abführung von nicht benötigtem Brennstoff zugeordnet. Die ersten

Zufuhrkanäle 151 und die ersten Abfuhrkanäle 152 sind dabei entlang der Stirnseiten 47, 48 angeordnet. In Längsrichtung x wechseln sich dabei jeweils ein erster Zufuhrkanal 151 und ein erster Abfuhrkanal 152 ab.

Jedes der ersten Verteilsegmente 155 ist mit einem separaten ersten

Zufuhrkanal 151 und mit einem separaten ersten Abfuhrkanal 152 verbunden.

Der Brennstoff strömt innerhalb von jedem der ersten Verteilsegmente 155 jeweils von dem ersten Zufuhrkanal 151 zu dem ersten Abfuhrkanal 152 in eine erste Strömungsrichtung 51. Die ersten Strömungsrichtungen 51 von benachbart angeordneten ersten Verteilsegmenten 155 sind somit antiparallel orientiert und verlaufen in die Querrichtung y.

Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Verteilstruktur 70 einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5. Die dritte Verteilstruktur 70 umfasst einen dritten Verteilbereich 170 zur Durchleitung des Kühlmittels. Der dritte Verteilbereich 170 ist annähernd rechteckig ausgebildet und erstreckt sich rechtwinklig zu der Vertikalrichtung z in die Längsrichtung x und in die

Querrichtung y.

Der dritte Verteilbereich 170 ist in der Längsrichtung x von einer ersten

Grundseite 45 und einer zweiten Grundseite 46 begrenzt. Die Grundseiten 45, 46 verlaufen in die Querrichtung y. Der dritte Verteilbereich 170 ist in der

Der dritte Verteilbereich 170 umfasst eine Mehrzahl von dritten Verteilsegmenten 175, welche ebenfalls annähernd rechteckig ausgebildet sind. Benachbart angeordnete dritte Verteilsegmente 175 sind durch jeweils eine dritte Trennwand 177 voneinander getrennt. Die dritten Trennwändel77 verlaufen vorliegend in die Querrichtung y. Die dritten Verteilsegmente 175 sind somit in Längsrichtung x nebeneinander angeordnet.

Die dritten Trennwände 177 sind vorliegend fluiddicht ausgebildet und somit insbesondere für das Kühlmittel undurchlässig. Das Kühlmittel kann somit nicht von einem dritten Verteilsegment 175 in ein benachbartes drittes Verteilsegment 175 strömen. Der dritten Verteilstruktur 70 sind eine Mehrzahl von dritten Zufuhrkanälen 171 zur Einleitung des Kühlmittels und eine Mehrzahl von dritten Abfuhrkanälen 172 zur Ausleitung des Kühlmittels zugeordnet. Die dritten Zufuhrkanäle 171 und die dritten Abfuhrkanäle 172 sind dabei entlang der Stirnseiten 47, 48 angeordnet. In Längsrichtung x wechseln sich dabei jeweils ein dritter Zufuhrkanal 171 und ein dritter Abfuhrkanal 172 ab.

Jedes der dritten Verteilsegmente 175 ist mit einem separaten dritten

Zufuhrkanal 171 und mit einem separaten dritten Abfuhrkanal 172 verbunden. Das Kühlmittel strömt innerhalb von jedem der dritten Verteilsegmente 175 jeweils von dem dritten Zufuhrkanal 171 zu dem dritten Abfuhrkanal 172 in eine dritte Strömungsrichtung 71. Die dritten Strömungsrichtungen 71 von benachbart angeordneten dritten Verteilsegmenten 175 sind somit antiparallel orientiert und verlaufen in die Querrichtung y.

Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer modifizierten zweiten Verteilstruktur 60. Die modifizierte zweite Verteilstruktur 60 entspricht weitgehend der in Figur 2 dargestellten zweiten Verteilstruktur 60. Im Folgenden wird auf die Unterschiede eingegangen.

Die zweiten Trennwände 167 zwischen den zweiten Verteilsegmenten 165 sind von Querkanälen 83 durchbrochen. Das Oxidationsmittel kann somit von einem zweiten Verteilsegment 165 durch die Querkanäle 83 in ein benachbartes zweites Verteilsegment 165 strömen. Es bilden sich Querströmungen 91 zwischen benachbarten zweiten Verteilsegmenten 165 aus. Ferner bilden sich turbulente Strömungen 93 innerhalb der zweiten Verteilsegmente 165 aus.

Nicht dargestellt ist eine modifizierte erste Verteilstruktur 50, deren erste

Trennwände 157 zwischen den ersten Verteilsegmenten 155 ebenfalls von Querkanälen 83 durchbrochen sind. Der Brennstoff kann somit von einem ersten Verteilsegment 155 durch die Querkanäle 83 in ein benachbartes erstes

Verteilsegment 155 strömen. Es bilden sich Querströmungen 91 zwischen benachbarten ersten Verteilsegmenten 155 aus. Ferner bilden sich turbulente Strömungen 93 innerhalb der ersten Verteilsegmente 155 aus. Auch nicht dargestellt ist eine modifizierte dritte Verteilstruktur 70, deren dritte Trennwände 177 zwischen den dritten Verteilsegmenten 175 ebenfalls von Querkanälen 83 durchbrochen sind. Das Kühlmittel kann somit von einem dritten Verteilsegment 175 durch die Querkanäle 83 in ein benachbartes drittes

Verteilsegment 175 strömen. Es bilden sich Querströmungen 91 zwischen benachbarten dritten Verteilsegmenten 175 aus. Ferner bilden sich turbulente Strömungen 93 innerhalb der dritten Verteilsegmente 175 aus. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche

1. Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend

eine erste Verteilstruktur (50) mit einem ersten Verteilbereich (150) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21) und

eine zweite Verteilstruktur (60) mit einem zweiten Verteilbereich (160) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22), dadurch gekennzeichnet, dass

der zweite Verteilbereich (160) eine Mehrzahl von zweiten

Verteilsegmenten (165) umfasst, wobei

jedes der zweiten Verteilsegmente (165) mit einem separaten zweiten Zufuhrkanal (161) zur Zuführung des Oxidationsmittels und mit einem separaten zweiten Abfuhrkanal (162) zur Abführung von nicht benötigtem Oxidationsmittel verbunden ist, wobei

von einem zweiten Zufuhrkanal (161) zu einem zweiten Abfuhrkanal (162) orientierte zweite Strömungsrichtungen (61) von benachbart angeordneten zweiten Verteilsegmenten (165) antiparallel orientiert sind.

2. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

benachbart angeordnete zweite Verteilsegmente (165) durch zweite Trennwände (167) voneinander getrennt sind, welche

für das Oxidationsmittel undurchlässig sind.

3. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

benachbart angeordnete zweite Verteilsegmente (165) durch zweite Trennwände (167) voneinander getrennt sind, wobei

mindestens eine der zweiten Trennwände (167) von mindestens einem Querkanal (83) durchbrochen ist.

4. Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Verteilbereich (150) eine Mehrzahl von ersten

Verteilsegmenten (155) umfasst, wobei

jedes der ersten Verteilsegmente (155) mit einem separaten ersten Zufuhrkanal (151) zur Zuführung des Brennstoffs und mit einem separaten ersten Abfuhrkanal (152) zur Abführung von nicht benötigtem Brennstoff verbunden ist, wobei

von einem ersten Zufuhrkanal (151) zu einem ersten Abfuhrkanal (152) orientierte erste Strömungsrichtungen (51) von benachbart

angeordneten ersten Verteilsegmenten (155) antiparallel orientiert sind.

5. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete erste Verteilsegmente (155) durch erste Trennwände (157) voneinander getrennt sind, welche

für den Brennstoff undurchlässig sind.

6. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete erste Verteilsegmente (155) durch erste Trennwände (157) voneinander getrennt sind, wobei

mindestens eine der ersten Trennwände (157) von mindestens einem Querkanal (83) durchbrochen ist.

7. Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, dass die ersten Strömungsrichtungen (51) rechtwinklig zu den zweiten Strömungsrichtungen (61) orientiert sind.

8. Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

zwischen der ersten Verteilstruktur (50) und der zweiten Verteilstruktur (60) eine dritte Verteilstruktur (70) mit einem dritten Verteilbereich (170) zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen ist, wobei

der dritte Verteilbereich (170) eine Mehrzahl von dritten

Verteilsegmenten (175) umfasst, wobei

jedes der dritten Verteilsegmente (175) mit einem separaten dritten Zufuhrkanal (171) zur Einleitung des Kühlmittels und mit einem separaten dritten Abfuhrkanal (172) zur Ausleitung des Kühlmittels verbunden ist, wobei

von einem dritten Zufuhrkanal (171) zu einem dritten Abfuhrkanal (172) orientierte dritten Strömungsrichtungen (71) von benachbart angeordneten dritten Verteilsegmenten (175) antiparallel orientiert sind.

9. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete dritte Verteilsegmente (175) durch dritte Trennwände (177) voneinander getrennt sind, welche

für das Kühlmittel undurchlässig sind.

10. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete dritte Verteilsegmente (175) durch dritte Trennwände (177) voneinander getrennt sind, wobei

mindestens eine der dritten Trennwände (177) von mindestens einem Querkanal (83) durchbrochen ist.

11. Brennstoffzelle (2), umfassend

mindestens eine Membran- Elektrodeneinheit (10) mit einer ersten

Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und

mindestens eine Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden

Ansprüche.