WO2022228609A1 - Bipolarplatte für eine brennstoffzelle - Google Patents

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WO2022228609A1
WO2022228609A1 PCT/DE2022/100285 DE2022100285W WO2022228609A1 WO 2022228609 A1 WO2022228609 A1 WO 2022228609A1 DE 2022100285 W DE2022100285 W DE 2022100285W WO 2022228609 A1 WO2022228609 A1 WO 2022228609A1
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flow
bipolar plate
cell according
process gas
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PCT/DE2022/100285
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Ann-Kathrin Henss
Barnaby Law
Alexander FIEBIG
Wolfram Kaiser
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MTU Aero Engines AG
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode assembly arranged between two bipolar plates, the bipolar plate having at least one flow profile on at least one side for guiding a process gas to the membrane-electrode assembly.
  • the fuel cell is particularly suitable for use in aviation.
  • Fuel cells are electrochemical devices that produce heat and electrical energy from a fuel, which is typically a proton-releasing source, and an oxidant.
  • Known fuel cells use, for example, hydrogen as a proton source and oxygen, in particular from the ambient air, as an oxidizing agent.
  • a fuel cell usually has a large number of membrane-electrode assemblies whose electrical voltages, and thus their power output, add up. Such an arrangement is referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack.
  • the edge cells of a fuel cell stack are connected to an external electrical conductor circuit that feeds the generated electrical energy to a consumer. From a formal point of view, edge cells do not have a bipolar plate at the interface for electrical contacting, but a monopolar plate. To simplify the explanation, such monopolar plates are also subsumed below under the term “bipolar plate”.
  • a bipolar plate is arranged between each two membrane-electrode assemblies (MEA), on the side surfaces of which process gas is guided to the membrane-electrode assemblies.
  • MEA membrane-electrode assemblies
  • a membrane electrode assembly has both an anode and a cathode region, with the fuel being routed to the anode region and the oxidant being routed to the cathode region.
  • the fuel is oxidized catalytically with the release of electrons.
  • the remaining ions pass through the electrolyte, which is usually present in the form of a membrane, into the cathode area, where they react with the oxidizing agent (oxygen) supplied to the cathode and the electrons conducted to the cathode via an external circuit to form a reaction product.
  • oxygen oxygen
  • the efficiency of the fuel cells also depends in particular on the design of the bipolar plates and in particular the Flow profiles and thus the supply of the process gases to the membrane-electrode assemblies, and the removal of the reaction products from there. Furthermore, a low weight of fuel cells is aimed at, in particular when used in vehicles and in particular in aircraft.
  • a fuel cell with at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode assembly arranged between two bipolar plates the bipolar plate having at least one flow profile on at least one side for guiding a process gas to the membrane-electrode assembly.
  • At least two separate flow profiles are arranged on the at least one side of the bipolar plate, with the inlets and/or the outlets of two flow profiles being arranged in a common connection area.
  • Fuel cells are usually designed in the form of fuel cell stacks. Such assemblies usually include a number of alternately arranged bipolar plates and membrane electrode assemblies (MEA). Such fuel cell stacks, which consequently have at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode arrangement arranged between two bipolar plates in each case, are simply referred to as “fuel cell” within the scope of the description of the invention.
  • a bipolar plate arranged between two membrane-electrode assemblies physically and electrically conductively connects the anode of one membrane-electrode assembly to the cathode of the membrane-electrode assembly arranged on the other side of the bipolar plate.
  • the edge cells of a fuel cell stack are connected to an external electrical conductor circuit that feeds the generated electrical energy to a consumer.
  • edge cells do not have a bipolar plate at the interface for electrical contacting, but a monopolar plate.
  • a bipolar plate has on at least one side (depending on an arrangement of the bipolar plate at the edge or within the stack) at least one flow profile for conducting a process gas in the reaction zone arranged on the membrane-electrode arrangement.
  • the flow profiles formed on the bipolar plate can be produced in particular by means of archetype, forming or machining manufacturing processes. In particular, these are designed in such a way that they can be sealed off from the environment and/or the adjacent reaction gas space, in particular in cooperation with the membrane-electrode arrangement.
  • a bipolar plate thus has a fuel-carrying anode side (negative pole) and an oxidant-carrying cathode side (positive pole) of a fuel cell.
  • a bipolar plate is also used to derive electrical and thermal energy from the fuel cell.
  • the respective side of the bipolar plate has at least two flow profiles which are in particular not fluid-tightly separated from one another, in order to provide favorable guidance of the process gases on the membrane-electrode arrangement for the course of the reaction processes in the fuel cell.
  • the flow of the process gases can be guided along the membrane electrode assembly in a targeted manner, particularly starting from several inputs with a suitable flow profile, in a manner that is advantageous for the reaction process, so that the reactivity of the respective process gas is sufficient to achieve a high degree of efficiency of the fuel cell is used.
  • the inputs and/or the outputs of two flow profiles arranged on one side of the bipolar plate are advantageously arranged on a common connection area.
  • This enables a compact and therefore also light design of the bipolar plates and also simplifies the sealing of the inlet and outlet openings of the flow profiles with respect to the connection area.
  • so-called "pneumatic short circuits" at the connections are prevented, i.e. an overflow of process gases between areas with different pressures or volume flows and in particular input and output areas.
  • the process gas of two flow profiles can be supplied or discharged via the one common connection area, which simplifies the structure of the bipolar plate and thus also of the fuel cell.
  • At least two flow profiles are separated from further flow profiles by a fluid-tight sealing device.
  • a fluid-tight sealing device can prevent process gas from flowing out of the at least two flow profiles, which are in particular arranged adjacent to each other, out of these and in particular into other flow profiles, as a result of which in particular the flow properties of the process gas in the flow profiles can be maintained in the intended manner, in particular to achieve the intended efficiency of the fuel cell.
  • At least two separate flow profiles are arranged on both sides of the bipolar plate, with the inlets and outlets of the flow profiles arranged on both sides being arranged on essentially opposite, in particular opposite, sides of the bipolar plate.
  • the process gases can be guided on both sides of a membrane-electrode assembly in a kind of co-current or counter-current flow along the membrane-electrode assemblies, resulting in a relatively even reaction process through the "consumption" of the process gases along the flow profile can be reached at the membrane electrode assembly.
  • such a structure enables a compact design and accessibility of the process gas connections with respective supply and discharge connections on essentially opposite, in particular opposite, sides of the fuel cell.
  • At least one flow profile is designed in such a way that the flow cross section decreases away from the inlet and/or increases towards the outlet.
  • the flow profile can be so be designed so that the flow cross section increases away from the input and/or decreases towards the output.
  • the flow cross section increases and/or decreases in at least one region of the flow profile, in particular successively along the extent of the flow profile.
  • the process gases fed into the fuel cell are mostly humidified gases with a high volume as a result.
  • the gas molecules of the process gases are “consumed” or react to form liquid water, for example, which means that the volume at the exit of the flow profile of the bipolar plate can decrease on the anode side and increase on the cathode side.
  • the local flow rate of the process gases can be adapted to their volume change.
  • the flow profile forms at least one channel together with the membrane-electrode assembly.
  • a channel is formed, for example, by an elongate recess arranged on the bipolar plate, the cross section of which is closed by a surface or an elongate recess of the membrane electrode arrangement arranged thereon, which is also, in particular, a mirror image.
  • a recess has, for example, a substantially U-shaped or V-shaped, or substantially trapezoidal, cross-section and can be provided with a sealing device, in particular at the upper ends of the wall, which can be formed, for example, materially and/or positively.
  • a predetermined volume flow of a process gas can be guided along a predetermined path over a predetermined surface of the membrane electrode assembly in order to achieve the desired reaction of the process gases in the fuel cell.
  • designing the flow profile with at least one channel also reduces the risk of what is known as “channel clogging”, in which a channel is clogged by a drop of process liquid, such as a drop of water. In this way, in particular, the reliability of the fuel cell can also be increased.
  • the at least one channel formed by the flow profile divides into a plurality of channels at the inlet or at the outlet.
  • the flow cross section of the flow profile can be reduced away from the inlet or enlarged towards the outlet.
  • the volume of fuel may decrease toward the exit of the anode side bipolar plate airfoil, while the volume of oxidant may increase toward the exit of the cathode side airfoil.
  • the flow speed of the process gases can be adapted to their volume change by dividing the at least one channel into a plurality of channels at the inlet or outlet, in particular by increasing the flow cross section.
  • At least one flow profile is designed with a meandering course, at least in sections, in the sense of a curve that fills the area.
  • a meandering course of the channel allows the process gas to sweep over a maximum area, since the recesses and thus the channel sections formed in connection with the membrane-electrode arrangement can be arranged directly next to one another.
  • the recesses of the flow profile or the channel sections can be arranged at least in sections so as to meander transversely, longitudinally and/or diagonally with respect to the absolute flow direction of the process gas over the bipolar plate (from the inlet to the outlet of the flow profile).
  • the at least two flow profiles are configured essentially symmetrically, in particular symmetrically, with respect to one another.
  • the local distribution of the reaction or the reaction products on the bipolar plate or on the membrane-electrode arrangement is designed according to the flow profile or the associated flow of the process gas through the flow profile.
  • Substantially symmetrical, in particular symmetrically designed flow profiles therefore enable a substantially symmetrical, in particular symmetrical and thus in particular also uniform distribution of the reaction products and correspondingly also the electrical charge and the thermal energy on the bipolar plate.
  • a plurality of separate flow profiles are arranged on at least one side of the bipolar plate, with the inlets and outlets of two adjacent flow profiles being arranged in common connection areas.
  • Such an embodiment is particularly suitable for bipolar plates with larger dimensions.
  • the risk of pneumatic short circuits can be reduced by arranging the inlets and outlets of flow profiles on common connection areas. In this way, so-called "pneumatic short circuits" in the area of the connections, i.e. an overflow of process gases between areas with different pressures or volume flows, are prevented.
  • the supply and removal of process gas from two flow profiles via a common connection area simplifies the structure of the bipolar plate and thus also of the fuel cell.
  • connection areas of the inlets of a first process gas and the outlets of a second process gas are each arranged alternately on one side of the bipolar plate and the connection areas of the outlets of the first process gas and the inlets of the second process gas are each arranged alternately on the other side of the bipolar plate .
  • the process gases can be guided in a type of countercurrent flow at the membrane-electrode assemblies in this embodiment, as a result of which a relatively uniform reaction process over the membrane-electrode assembly can be achieved.
  • such a structure enables a compact design of the process gas connections with respective supply and discharge connections on essentially opposite, in particular opposite, sides of the fuel cell.
  • connection areas of a first process gas are connected in the bipolar plate, the connection area being arranged in particular on a side of a connection area of a second process gas arranged between the at least two connection areas that is essentially opposite the flow profile, in particular opposite.
  • the connection area is one on a side facing away from the airfoil Connection area formed for the other process gas.
  • the connection of the at least two connection areas on one side of the bipolar plate simplifies the routing of the process gas and the connection of the connection areas to the process gas supply. Overall, the proposed design enables a more compact construction of the fuel cell.
  • the bipolar plates have cooling channels through which a cooling medium can flow.
  • thermal energy is produced as a reaction product, which can be dissipated in particular by the bipolar plates.
  • a bipolar plate can have cooling channels through which a cooling medium can flow, in particular internal cooling channels, with the cooling medium absorbing thermal energy as it flows through the cooling channels and transporting it away accordingly.
  • a cooling medium can flow through the cooling channels continuously or intermittently, for example.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary fuel cell consisting of a plurality of individual fuel cells arranged in series;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention.
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a further exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of yet another exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary fuel cell 1 with at least two, in the representation five bipolar plates 10 and at least one, in the representation three between two bipolar plates 10 arranged membrane electrode assemblies 20.
  • a current collector plate 3 for making electrical contact with an outer conductor circuit 4 is arranged on the sides of the fuel cell 1 .
  • the charge transport within the fuel cell is indicated by arrows.
  • the two bipolar plates 10 arranged on the outside of the end plates have two separate flow profiles 11, 12 on one side and the other bipolar plates 10 on both sides for guiding a process gas to the membrane electrode -Arrangement 20 on. It is also shown that the bipolar plates 10 have cooling channels 14 through which a cooling medium can flow.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary bipolar plate 10 of a fuel cell 1 according to the invention.
  • One side of the bipolar plate 10 is shown with two separate flow profiles 11 and 12 arranged on it, which are designed to conduct a process gas on a membrane electrode assembly 20 are.
  • the flow profiles 11, 12 are arranged essentially symmetrically to one another, in particular symmetrically with respect to an axis A.
  • the flow profiles 11, 12 are formed by recesses 11a, 12a introduced into the bipolar plate 10.
  • the cross section of these recesses 11a, 12a is closed in the assembled state of the fuel cell 1 by a surface or by a recess 11a, 12a, which is in particular a mirror image and is also elongated, of a membrane electrode assembly 20 arranged on the bipolar plate 12, so that the flow profile 11, 12 together with the membrane electrode assembly 20 forms at least one channel.
  • the recesses 11a, 12a of the exemplary embodiment have an essentially U-shaped cross section for guiding the process gases.
  • the respective recesses 11a, 12a of the flow profiles 11, 12 have a meandering course, as a result of which the process gas is guided over a large part of the surface of the membrane electrode assembly 20.
  • the flow profiles 11, 12 are arranged in a longitudinally meandering manner, ie parallel to the absolute direction of flow of the process gases from the respective inlet 16a, 17a to the respective outlet 18a, 19a.
  • the inputs 16a, 17a of the flow profiles 11, 12 of the bipolar plate 10 shown in Fig. 2 are each separately at connection areas 16, 17 arranged on the right in Fig. 2, and the outputs 18a, 19a of the flow profiles 11, 12 are at a common connection area 15 arranged, whereby a good sealability of the gas spaces of the bipolar plate 10 and a compact structure of the bipolar plate 10 is made possible.
  • coolant connection areas 24 for supplying and removing coolant to and from the coolant channels 14 arranged in the bipolar plate 11 are arranged on the bipolar plate 10 shown in FIG is guided along the flow profiles on the opposite side of the bipolar plate 10 .
  • the bipolar plate 10 has sealing devices 28, in particular on the edge of areas to be sealed from the environment, which can be designed, for example, as sealing surfaces, undercuts, in particular in connection with sealing means such as elastomers or the like.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of another exemplary bipolar plate 10 of a fuel cell 1 according to the invention.
  • the bipolar plate 10 shown in Fig. 3 is constructed similarly to the bipolar plate 10 described in connection with Fig were described in connection with FIG.
  • the respective features are provided with the same reference symbols and are described repeatedly in connection with FIG. 3, in particular with regard to additional features.
  • the flow profiles 11, 12 of the bipolar plate 10 of the embodiment in FIG to the absolute flow direction running channels on the membrane electrode assembly 20 is performed.
  • the flow cross sections of the flow profiles 11, 12 are designed in such a way that the flow cross section in a region 13 of the flow profiles 11, 12 first increases and then decreases again.
  • the channel of the flow profiles 11, 12 is divided into several channels at the entrance to the area 13, so that the area 13 has multiple channels. These several channels then unite in the further course of the flow profiles 11, 12 back to a single channel, whereby the flow cross-section is reduced again.
  • connection areas 15, 16, 17, 25, 26, 27 of the bipolar plate 10 shown in FIG. 3 essentially corresponds to the arrangement of the connection areas 15, 16, 17, 25, 26, 27 of the bipolar plate shown in FIG 10 match.
  • the coolant connection areas 24 for supplying and removing coolant to and from the coolant channels 14 arranged in the bipolar plate 10 are arranged, in contrast to the embodiment from FIG. 2 , on the sides of the bipolar plate 10 arranged at the top and bottom in the illustration.
  • connection area 23 is arranged on a side of the connection area 15 or 25 of a second process gas arranged between the at least two connection areas 16, 17 and 26, 27 that is essentially opposite to the flow profiles 11, 12, in particular on the opposite side, so that the connection area 23 on a side of the connection area 15, 25 facing away from the flow profiles 11, 12 is formed for the other process gas.
  • the exemplary bipolar plate 10 shown in FIG. 3a corresponds to the bipolar plate 10 shown in FIG. 3, so that reference is made to the description of FIG. 3 with regard to the further features.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a further exemplary bipolar plate 10 of a fuel cell 11 according to the invention, on which eight flow profiles 11, 12 are formed.
  • the bipolar plate 10 shown in FIG. 4 is designed similarly to the bipolar plate 10 described in connection with FIGS. 2 and 3 and accordingly has a large number of features which have already been described in connection with FIGS. The respective features are provided with the same reference symbols and are described repeatedly in connection with FIG. 4, in particular in connection with additional features.
  • the bipolar plate 10 in FIG. 4 is shown rotated by 90° in relation to the bipolar plate 10 in FIG. 3 .
  • the bipolar plate 10 is constructed essentially symmetrically, in particular symmetrically.
  • the respective flow profiles 11 , 12 are each arranged essentially symmetrically to one another and also essentially symmetrically to an axis A of the bipolar plate 10 .
  • the recesses 11a, 12a of the flow profiles 11, 12 have a transversely meandering course, so that the process gas is guided through channels running transversely to the absolute direction of flow on the membrane-electrode assembly 20.
  • the flow cross sections of the flow profiles 11, 12 of the bipolar plate 10 shown in FIG. 4 are also designed such that the flow cross section in a region 13 of the flow profiles 11, 12 first increases and then decreases again.
  • connection areas 15, 16, 25, 26 of the bipolar plate 10 from Fig. 4 essentially corresponds to the arrangement of the connection areas 15, 16, 25, 26 on the bipolar plate 10 from Fig. 3, with the output connection areas 16 and 23 in 3 are additionally denoted by reference numerals 17 and 27, which are denoted jointly by 16 and 26 in FIG.
  • the inputs 16a, 17a and the outputs 18a, 19a of the adjacent airfoils 11 and 12 are arranged on common connection areas 15 and 16. Furthermore, in the embodiment shown in Fig.
  • connection areas 16 of the inlets 16a, 17a of a first process gas and the connection areas 25 of the outlets of a second process gas are each arranged alternately on one side of the bipolar plate 25 and the connection areas 15 of the outlets 18a, 19a of the first Process gas and the connection areas 26 of the inputs of the second process gas are each arranged alternately on the other side of the bipolar plate 10 .
  • at least two flow profiles 11, 12 are separated from further flow profiles 11, 12 by a fluid-tight sealing device 29.
  • FIGS. Only one side of the exemplary bipolar plate 10 shown is shown in FIGS. In connection with the arrangement of the connection areas 15, 16, 17, 25, 26, 27, it can be seen that both sides of the bipolar plate 10 are essentially mirror images and accordingly at least two separate flow profiles 11, 12 exhibit.
  • the number of parallel channels on the anode and cathode sides can differ, and it is only necessary for the webs on the anode and cathode sides to be largely aligned in order to enable a fluid-tight seal or power transmission in the stack.
  • the inlets 16a, 17a and the outlets 18a, 19a of the flow profiles 11, 12 arranged on both sides are arranged on substantially opposite sides of the bipolar plate 10.
  • the term "essentially opposite” or “essentially symmetrical” is to be understood here that up to gross deviations are possible here, but which in the overall view are still roughly opposite, i.e. e.g. not directly next to each other, or - referring to " essentially symmetrical" - a rough symmetry is recognizable, but this does not have to be completely given. According to the invention, a larger span is to be understood here.
  • Deviations can, for example, be in the range of 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15% , 16%, 17%, 18%, 19%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24%, 25%, 26%, 27%, 28%, 29%, 30%, 31%, 32 Move %, 33%, 34%, 35%, 36%, 37%, 38%, 39%, 40%, 41%, 42%, 43%, 44% or 45% or more.
  • connection area 25 connection area

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere zur Anwendung in der Luftfahrt, mit wenigstens zwei Bipolarplatten (10) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (10) angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung (20), wobei die Bipolarplatte (10) an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung (20) aufweist. An der wenigstens einen Seite der Bipolarplatte (10) sind dabei wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile (11, 12) angeordnet.

Description

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung, wobei die Bipolarplatte an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung aufweist. Die Brennstoffzelle ist insbesondere geeignet zur Anwendung in der Luftfahrt.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die Wärme und elektrische Energie aus einem Brennstoff, der typischerweise eine protonenfrei setzende Quelle ist, und einem Oxidationsmittel erzeugen. Bekannte Brennstoffzellen verwenden beispielsweise Wasserstoff als Protonenquelle und Sauerstoff, insbesondere aus der Umgebungsluft als Oxidationsmittel. Dabei weist eine Brennstoffzelle meist eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen auf, deren elektrische Spannungen, und damit deren Leistungsabgabe, sich addieren. Eine solche Anordnung wird als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnet. Die Randzellen eines Brennstoffzellenstacks sind mit einem äußeren elektrischen Leiterkreis verbunden, der die erzeugte elektrische Energie einem Verbraucher zuführt. Formal gesehen weisen Randzellen an der Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung keine Bipolarplatte, sondern eine Monopolarplatte auf. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden auch solche Monopolarplatten im Folgenden unter dem Begriff "Bipolarplatte" subsummiert.
Zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) ist je eine Bipolarplatte angeordnet, an deren Seitenflächen Prozessgas an die Membran-Elektroden-Anordnungen geführt wird. Eine Membran-Elektroden-Anordnung weist sowohl einen Anoden- als auch einen Kathodenbereich auf, wobei der Brennstoff zum Anodenbereich und das Oxidationsmittel zum Kathodenbereich geführt wird. An der Anode wird der Brennstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die verbleibenden Ionen gelangen durch den meist in Form einer Membran vorliegenden Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Oxidationsmittel (Sauerstoff) sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu einem Reaktionsprodukt reagieren.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen hängt dabei insbesondere auch von der Gestaltung der Bipolarplatten und insbesondere der daran, zumeist in Fluidverteilerstrukturen ausgebildeten, Strömungsprofile und damit der Zuführung der Prozessgase zu den Membran-Elektroden- Anordnungen, und der Abführung der Reaktionsprodukte von dort, ab. Ferner wird ein geringes Gewicht von Brennstoffzellen insbesondere bei einer Verwendung in Fahrzeugen und insbesondere Luftfahrzeugen angestrebt.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Brennstoffzellen mit einer verbesserten Zuführung von Prozessgasen zu Membran-Elektroden- Anordnungen vorzuschlagen. Dies wird erfmdungsgemäß durch die Lehre des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung vorgeschlagen, wobei die Bipolarplatte an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung aufweist. An der wenigstens einen Seite der Bipolarplatte sind dabei wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile angeordnet, wobei jeweils die Eingänge und/ oder die Ausgänge von zwei Strömungsprofilen an einem gemeinsamen Anschlussbereich angeordnet sind.
Brennstoffzellen sind üblicherweise in Form von Brennstoffzellenstapeln ausgebildet. Solche Anordnungen weisen gewöhnlich eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) auf. Derartige Brennstoffzellenstapel, welche folglich wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens eine zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnungen aufweisen, werden im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfacht als „Brennstoffzelle“ bezeichnet. Eine zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnete Bipolarplatte verbindet die Anode einer Membran-Elektroden-Anordnung mit der Kathode der an der anderen Seite der Bipolarplatte angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung physikalisch und elektrisch leitend. Die Randzellen eines Brennstoffzellenstapels sind mit einem äußeren elektrischen Leiterkreis verbunden, der die erzeugte elektrische Energie einem Verbraucher zuführt. Formal gesehen weisen Randzellen an der Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung keine Bipolarplatte, sondern eine Monopolarplatte auf. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden auch solche Monopolarplatten im Folgenden unter dem Begriff "Bipolarplatte" subsummiert. Ferner weist eine Bipolarplatte an wenigstens einer Seite (abhängig von einer Anordnung der Bipolarplatte am Rand oder innerhalb des Stapels) wenigstens ein Strömungsprofil zum Führen eines Prozessgases in der an der Membran-Elektroden- Anordnung angeordneten Reaktionszone auf. Dabei können die an der Bipolarplatte ausgebildeten Strömungsprofile insbesondere mittels Urform-, Umform- oder spanabhebender Fertigungsverfahren hergestellt sein. Insbesondere sind diese so ausgebildet, dass sie insbesondere zusammenwirkend mit der Membran-Elektroden- Anordnung gegenüber der Umgebung und/ oder dem benachbarten Reaktionsgasraum abdichtbar sind.
Mittels der Strömungsprofile werden die Prozessgase, auf einer Seite der Bipolarplatte der Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff und auf der anderen Seite Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft, an die Membran-Elektroden-Anordnung geführt. Eine Bipolarplatte weist damit eine brennstoffführende Anodenseite (Minuspol) und eine oxidationsmittelführende Kathodenseite (Pluspol) einer Brennstoffzelle auf. Zudem dient eine Bipolarplatte auch zum Ableiten von elektrischer und thermischer Energie von der Brennstoffzelle.
Es wird vorgeschlagen, dass die jeweilige Seite der Bipolarplatte wenigstens zwei voneinander insbesondere nicht fluiddicht getrennte Strömungsprofile aufweist, um eine für den Ablauf der Reaktionsprozesse der Brennstoffzelle günstige Führung der Prozessgase an der Membran- Elektroden-Anordnung zur Verfügung zu stellen. Bei mehreren getrennten Strömungsprofilen kann die Strömung der Prozessgase insbesondere ausgehend von mehreren Eingängen mit einem geeigneten Strömungsprofil gezielt in einer für den Reaktionsprozess vorteilhaften Weise an der Membran-Elektroden-Anordnung entlang geführt werden, so dass die Reaktionsfähigkeit des jeweiligen Prozessgases zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle genutzt wird.
Vorteilhaft sind die Eingänge und/ oder die Ausgänge von zwei an einer Seite der Bipolarplatte angeordneten Strömungsprofilen an einem gemeinsamen Anschlussbereich angeordnet. Dies ermöglicht eine kompakte und damit auch leichte Gestaltung der Bipolarplatten und vereinfacht zudem die Abdichtung der Ein- bzw. Ausgangsöffnungen der Strömungsprofile gegenüber dem Anschlussbereich. Zudem können bei der vorgeschlagenen Anordnung der Ein- bzw. Ausgänge an den Anschlüssen sogenannte „pneumatische Kurzschlüsse“ verhindert werden, also ein Überströmen von Prozessgasen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Drücken bzw. Volumenströmen und insbesondere Ein- und Ausgangsbereichen. Ferner kann das Prozessgas zweier Strömungsprofile über den einen gemeinsamen Anschlussbereich zu- bzw. abgeführt werden, wodurch sich der Aufbau der Bipolarplatte und damit auch der Brennstoffzelle vereinfacht.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind wenigstens zwei Strömungsprofile von weiteren Strömungsprofilen durch eine fluiddichte Dichteinrichtung getrennt. Durch eine solche fluiddichte Dichteinrichtung kann das Überströmen von Prozessgas aus den wenigstens zwei Strömungsprofilen, die insbesondere benachbart angeordnet sind, aus diesen und insbesondere in andere Strömungsprofile verhindert werden, wodurch insbesondere die Strömungseigenschaften des Prozessgases in den Strömungsprofilen in der vorgesehenen Weise aufrecht erhalten werden können, um insbesondere auch den vorgesehenen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle zu erreichen.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind an beiden Seiten der Bipolarplatte jeweils wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile angeordnet, wobei die Eingänge und die Ausgänge der an beiden Seiten angeordneten Strömungsprofile an im Wesentlichen gegenüberliegenden, insbesondere gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte angeordnet sind. Bei entsprechender Ausbildung der Strömungsprofile können die Prozessgase zu beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung so in einer Art Gleich- oder Gegenstromführung entlang den Membran-Elektroden-Anordnungen geführt werden, wodurch über den „Verbrauch“ der Prozessgase entlang des Strömungsprofils ein verhältnismäßig gleichmäßiger Reaktionsprozess an der Membran-Elektroden-Anordnung erreichbar ist. Zudem ermöglicht ein solcher Aufbau eine kompakte Gestaltung und Zugänglichkeit der Prozessgasanschlüsse mit jeweiligen Zu- und Abfuhranschlüssen an im Wesentlichen gegenüberliegenden, insbesondere gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzelle.
Bei einer Ausführung der Brennstoffzelle ist wenigstens ein Strömungsprofil so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt vom Eingang weg verringert und/ oder zum Ausgang hin vergrößert. Bei einer anderen Ausführung der Brennstoffzelle kann das Strömungsprofil so ausgebildet sein, dass sich der Strömungsquerschnitt vom Eingang weg vergrößert und/ oder zum Ausgang hin verringert. Bei wieder einer anderen Ausführungsform, welche selbstverständlich auch mit den beiden vorgenannten Ausführungsformen und insbesondere auch innerhalb wenigstens eines Strömungsprofils kombinierbar ist, vergrößert und/ oder verringert sich der Strömungsquerschnitt in wenigstens einem Bereich des Strömungsprofils, insbesondere aufeinanderfolgend entlang der Erstreckung des Strömungsprofils. Bei den in die Brennstoffzelle geleiteten Prozessgasen handelt es sich meist um befeuchtetes Gas mit einem dadurch hohen Volumen. Während der Strömung durch das Strömungsprofil der Bipolarplatte werden die Gasmoleküle der Prozessgase „verbraucht“ bzw. reagieren beispielsweise zu flüssigem Wasser, wodurch das Volumen zum Ausgang des Strömungsprofils der Bipolarplatte auf der Anodenseite abnehmen und auf der Kathodenseite zunehmen kann. Durch eine Verringerung und/ oder Vergrößerung des Strömungsquerschnitts vom Eingang weg und/ oder zum Ausgang hin bzw. in einem Bereich des Strömungsprofils kann die lokale Strömungsgeschwindigkeit der Prozessgase an deren Volumenänderung angepasst werden.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle bildet das Strömungsprofil zusammen mit der Membran-Elektroden- Anordnung wenigstens einen Kanal aus. Ein solcher Kanal wird beispielsweise von einer langgestreckten, an der Bipolarplatte angeordneten Ausnehmung gebildet, deren Querschnitt durch eine Fläche oder eine ebenfalls, insbesondere spiegelbildlich ausgeführte, langgestreckte Ausnehmung der daran angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung geschlossen wird. Insbesondere weist eine solche Ausnehmung dabei einen beispielsweise im Wesentlichen U- oder V-förmigen, oder im Wesentlichen trapezförmigen, Querschnitt auf und kann insbesondere an den oberen Enden der Wandung mit einer Dichteinrichtung versehen sein, welche beispielsweise stoffschlüssig und/ oder formschlüssig ausgebildet sein kann. Mittels eines Kanals oder Mehrkanalbündeln kann ein vorbestimmter Volumenstrom eines Prozessgases auf einem vorbestimmten Weg über eine vorbestimmte Oberfläche der Membran-Elektroden- Anordnung geführt werden, um die gewünschte Reaktion der Prozessgase in der Brennstoffzelle zu erreichen. Insbesondere verringert eine Ausbildung des Strömungsprofils mit wenigstens einem Kanal auch das Risiko des sogenannten „channel cloggings“, bei welchem ein Kanal durch einen Tropfen einer Prozessflüssigkeit, wie einem Wassertropfen verstopft wird. So kann insbesondere auch die Ausfallsicherheit der Brennstoffzelle erhöht werden. Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle teilt sich der wenigstens eine vom Strömungsprofil ausgebildete Kanal am Eingang oder am Ausgang in mehrere Kanäle. Auf diese Weise kann der Strömungsquerschnitt des Strömungsprofils vom Eingang weg verringert oder zum Ausgang hin vergrößert ausgebildet werden. Wie bereits ausgeführt, kann sich das Volumen des Brennstoffs zum Ausgang des Strömungsprofils der Bipolarplatte der Anodenseite hin verringern, während das Volumen des Oxidationsmittels zum Ausgang der Strömungsprofils auf der Kathodenseite zunehmen kann. Entsprechend kann durch ein insbesondere den Strömungsquerschnitt vergrößerndes Aufteilen des wenigstens einen Kanals am Eingang oder am Ausgang in mehrere Kanäle die Strömungsgeschwindigkeit der Prozessgase an deren Volumenänderung angepasst werden.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle ist wenigstens ein Strömungsprofil wenigstens abschnittsweise mit einem mäandrierenden Verlauf ausgebildet, im Sinne einer flächenfüllenden Kurve. Bei der Führung eines Gases im Strömungsprofil ermöglicht ein mäandrierender Verlauf des Kanals ein Überstreichen einer maximalen Fläche mit geführten Prozessgas, da die Ausnehmungen und damit die in Verbindung mit der Membran -Elektroden -Anordnung gebildeten Kanalabschnitte unmittelbar nebeneinander angeordnet werden können. Insbesondere können die Ausnehmungen des Strömungsprofils bzw. die Kanalabschnitte gegenüber der absoluten Strömungsrichtung des Prozessgases über die Bipolarplatte (vom Ein- zum Ausgang des Strömungsprofils) wenigstens abschnittsweise quer, längs und/ oder auch diagonal mäandrierend angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind die wenigstens zwei Strömungsprofile zueinander im Wesentlichen symmetrisch, insbesondere symmetrisch ausgebildet. Die lokale Verteilung der Reaktion bzw. der Reaktionsprodukte an der Bipolarplatte bzw. an der Membran- Elektroden- Anordnung ist entsprechend dem Strömungsprofil bzw. der damit verbundenen Strömung des Prozessgases durch das Strömungsprofil ausgebildet. Im Wesentlichen symmetrisch, insbesondere symmetrisch ausgebildete Strömungsprofile ermöglichen daher eine im Wesentlichen symmetrische, insbesondere symmetrische und damit insbesondere auch gleichmäßige Verteilung der Reaktionsprodukte sowie entsprechend auch der elektrischen Ladung und der Wärmeenergie an der Bipolarplatte. Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind an wenigstens einer Seite der Bipolarplatte eine Mehrzahl voneinander getrennter Strömungsprofile angeordnet, wobei die Eingänge und die Ausgänge jeweils zwei benachbarter Strömungsprofile an gemeinsamen Anschlussbereichen angeordnet sind. Eine solche Ausführung eignet sich insbesondere für Bipolarplatten mit größeren Abmessungen. Wie bereits ausgeführt kann durch die Anordnung der Eingänge bzw. der Ausgänge von Strömungsprofilen an gemeinsamen Anschlussbereichen die Gefahr von pneumatischen Kurzschlüssen verringert werden. Auf diese Weise werden im Bereich der Anschlüsse insbesondere sogenannte „pneumatische Kurzschlüsse“, also ein Überströmen von Prozessgasen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Drücken bzw. Volumenströmen verhindert. Zudem vereinfacht sich durch das Zu- bzw. Abführen von Prozessgas zweier Strömungsprofile über einen gemeinsamen Anschlussbereich der Aufbau der Bipolarplatte und damit auch der Brennstoffzelle.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind die Anschlussbereiche der Eingänge eines ersten Prozessgases und der Ausgänge eines zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an einer Seite der Bipolarplatte angeordnet und die Anschlussbereiche der Ausgänge des ersten Prozessgases und der Eingänge des zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an der anderen Seite der Bipolarplatte angeordnet. Bei entsprechender Ausbildung der Strömungsprofile können die Prozessgase bei dieser Ausführung in einer Art Gegenstromführung an den Membran- Elektroden- Anordnungen geführt werden, wodurch ein verhältnismäßig gleichmäßiger Reaktionsprozess über der Membran-Elektroden- Anordnung erreichbar ist. Zudem ermöglicht ein solcher Aufbau eine kompakte Gestaltung der Prozessgasanschlüsse mit jeweiligen Zu- und Abfuhranschlüssen an im Wesentlichen gegenüberliegenden, insbesondere gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzelle.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind wenigstens zwei Anschlussbereiche eines ersten Prozessgases in der Bipolarplatte verbunden ausgebildet, wobei der Verbindungsbereich insbesondere auf einer dem Strömungsprofil im Wesentlichen gegenüberliegenden, insbesondere gegenüberliegenden Seite eines zwischen den wenigstens zwei Anschlussbereichen angeordneten Anschlussbereichs eines zweiten Prozessgases angeordnet ist. Bei dieser Gestaltung ist der Verbindungsbereich auf einer dem Strömungsprofil abgewandten Seite eines Anschlussbereichs für das andere Prozessgas ausgebildet. Die Verbindung der wenigstens zwei Anschlussbereiche an einer Seite der Bipolarplatte vereinfacht die Prozessgasführung sowie den Anschluss der Anschlussbereiche an die Prozessgasversorgung. Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Gestaltung einen kompakteren Aufbau der Brennstoffzelle.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle weisen die Bipolarplatten von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle auf. Während des Betriebs einer Brennstoffzelle entsteht Wärmeenergie als Reaktionsprodukt, welche insbesondere von den Bipolarplatten abführbar ist. Für diesen Zweck kann eine Bipolarplatte von einem Kühlmedium durchströmbare, insbesondere innenliegende Kühlkanäle aufweisen, wobei das Kühlmedium beim Durchströmen der Kühlkanäle Wärmeenergie aufnimmt und entsprechend abtransportiert. Hierfür können die Kühlkanäle beispielsweise kontinuierlich oder intermittierend von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennstoffzelle bestehend aus mehreren, in Serie angeordneten Einzel-Brennstoffzellen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
Fig. 3a eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung noch einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennstoffzelle 1 mit wenigstens zwei, in der Darstellung fünf Bipolarplatten 10 und wenigstens einer, in der Darstellung drei zwischen jeweils zwei Bipolarplatten 10 angeordneten Membran-Elektroden- Anordnungen 20. An den Seiten der Brennstoffzelle 1 ist jeweils eine Stromabnehmerplatte 3 zur elektrischen Kontaktierung eines äußeren Leiterkreises 4 angeordnet. Der Ladungstransport innerhalb der Brennstoffzelle ist durch Pfeile angedeutet.
Wie in der Darstellung in Fig. 1 ebenfalls erkennbar ist, weisen die beiden außen an den Endplatten angeordneten Bipolarplatten 10 an einer Seite und die anderen Bipolarplatten 10 an beiden Seiten jeweils zwei voneinander getrennte Strömungsprofile 11, 12 zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung 20 auf. Ferner ist gezeigt, dass die Bipolarplatten 10 von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle 14 aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bipolarplatte 10 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. Es ist eine Seite der Bipolarplatte 10 mit zwei daran angeordneten, voneinander getrennten Strömungsprofilen 11 und 12 dargestellt, welche zum Führen eines Prozessgases an einer Membran-Elektroden-Anordnung 20 ausgebildet sind. Die Strömungsprofile 11, 12 sind zueinander im Wesentlichen symmetrisch, insbesondere symmetrisch gegenüber einer Achse A angeordnet. Die Strömungsprofile 11, 12 werden von in die Bipolarplatte 10 eingebrachten Ausnehmungen 11a, 12a gebildet. Der Querschnitt dieser Ausnehmungen 11a, 12a wird im montierten Zustand der Brennstoffzelle 1 durch eine Fläche oder eine insbesondere spiegelbildlich ausgeführte, ebenfalls langgestreckte Ausnehmung 11a, 12a einer an der Bipolarplatte 12 angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung 20 geschlossen, so dass das Strömungsprofil 11, 12 zusammen mit der Membran-Elektroden- Anordnung 20 wenigstens einen Kanal ausbildet. Die Ausnehmungen 11a, 12a der beispielhaften Ausführung weisen einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt zum Führen der Prozessgase auf. Die jeweiligen Ausnehmungen 11a, 12a der Strömungsprofile 11, 12 weisen einen mäandrierenden Verlauf auf, wodurch das Prozessgas über einen großen Teil der Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung 20 geführt wird. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Strömungsprofile 11, 12 längsmäandrierend, d. h. parallel zur absoluten Strömungsrichtung der Prozessgase vom jeweiligen Eingang 16a, 17a zum jeweiligen Ausgang 18a, 19a angeordnet. Die Eingänge 16a, 17a der Strömungsprofile 11, 12 der in Fig. 2 dargestellten Bipolarplatte 10 sind jeweils separat an in Fig. 2 rechts angeordneten Anschlussbereichen 16, 17, und die Ausgänge 18a, 19a der Strömungsprofile 11, 12 sind an einem gemeinsamen Anschlussbereich 15 angeordnet, wodurch eine gute Abdichtbarkeit der Gasräume der Bipolarplatte 10 und ein kompakter Aufbau der Bipolarplatte 10 ermöglicht wird. Zusätzlich sind an der in Fig. 2 dargestellten Bipolarplatte 10 Kühlmittelanschlussbereiche 24 zum Zu- und Abführen von Kühlmittel zu bzw. von den in der Bipolarplatte 11 angeordneten Kühlmittelkanälen 14 angeordnet, sowie Anschlussbereiche 25, 26, 27 zum Zu- und Abführen des Prozessgases, welches entlang der Strömungsprofile auf der abgewandten Seite der Bipolarplatte 10 geführt wird. Zudem weist die Bipolarplatte 10 insbesondere am Rand von gegenüber der Umgebung abzudichtenden Bereichen Dichteinrichtungen 28 auf, welche beispielsweise als Dichtflächen, Hinter schnei düngen insbesondere in Verbindung mit Dichtmitteln wie Elastomeren oder dergleichen ausgebildet sein können.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte 10 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. Die in Fig. 3 dargestellte Bipolarplatte 10 ist ähnlich zu der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Bipolarplatte 10 aufgebaut und weist entsprechend eine Vielzahl von Merkmalen auf, welche bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurden. Die jeweiligen Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden in Verbindung mit Fig. 3 insbesondere in Bezug auf zusätzliche Merkmale wiederholt beschrieben.
Auch die Strömungsprofile 11, 12 der Bipolarplatte 10 der Ausführung der Fig. 3 sind zueinander im Wesentlichen symmetrisch, insbesondere symmetrisch gegenüber einer Achse A angeordnet, wobei die Ausnehmungen 11a, 12a der Strömungsprofile 11, 12 einen quermäandrierenden Verlauf aufweisen, wodurch das Prozessgas über quer zur absoluten Strömungsrichtung verlaufende Kanäle an der Membran-Elektroden-Anordnung 20 geführt wird. Die Strömungsquerschnitte der Strömungsprofile 11, 12 sind so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt in einem Bereich 13 der Strömungsprofile 11, 12 zunächst vergrößert und sich dann wieder verringert. Der Kanal der Strömungsprofile 11, 12 teilt sich dabei beim Eingang in den Bereich 13 zunächst in mehrere Kanäle auf, so dass der Bereich 13 mehrkanalig ist. Diese mehreren Kanäle vereinigen sich dann im weiteren Verlauf der Strömungsprofile 11, 12 wieder zu einem einzelnen Kanal, wobei auch der Strömungsquerschnitt wieder verringert wird.
Die Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 17, 25, 26, 27 der der in Fig. 3 dargestellten Bipolarplatte 10 stimmt im Wesentlichen mit der Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 17, 25, 26, 27 der in Fig. 2 dargestellten Bipolarplatte 10 überein. Die Kühlmittelanschlussbereiche 24 zum Zu- und Abführen von Kühlmittel zu bzw. weg von den in der Bipolarplatte 10 angeordneten Kühlmittelkanälen 14 sind Gegensatz zur Ausführungsform aus Fig. 2 an den in der Darstellung oben und unten angeordneten Seiten der Bipolarplatte 10 angeordnet.
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte 10 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. Bei dieser Ausführung der Bipolarplatte 10 sind jeweils zwei Anschlussbereiche 16, 17 und 26, 27 eines ersten Prozessgases miteinander verbunden ausgebildet. Dabei ist der jeweilige Verbindungsbereich 23 auf einer den Strömungsprofilen 11, 12 im Wesentlichen gegenüberliegenden, insbesondere gegenüberliegende Seite des zwischen den wenigstens zwei Anschlussbereichen 16, 17 und 26, 27 angeordneten Anschlussbereichs 15 bzw. 25 eines zweiten Prozessgases angeordnet, so dass der Verbindungsbereich 23 auf einer den Strömungsprofilen 11, 12 abgewandten Seite des Anschlussbereichs 15, 25 für das andere Prozessgas ausgebildet ist.
Darüber hinaus entspricht die in Fig. 3a dargestellte beispielhafte Bipolarplatte 10 der in Fig. 3 dargestellten Bipolarplatte 10, so dass hinsichtlich der weiteren Merkmale auf die Beschreibung der Fig. 3 verwiesen wird.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte 10 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 11, an welcher acht Strömungsprofile 11, 12 ausgebildet sind. Die in Fig. 4 dargestellte Bipolarplatte 10 ist ähnlich zu der in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 beschriebenen Bipolarplatte 10 gestaltet und weist entsprechend eine Vielzahl von Merkmalen auf, welche bereits im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschrieben wurden. Die jeweiligen Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden in Verbindung mit Fig. 4 insbesondere in Verbindung mit zusätzlichen Merkmalen wiederholt beschrieben. Insbesondere ist die Bipolarplatte 10 in Fig. 4 gegenüber der Bipolarplatte 10 in Fig. 3 um 90° gedreht dargestellt.
Die Bipolarplatte 10 ist im Wesentlichen symmetrisch, insbesondere symmetrisch aufgebaut. Dabei sind die jeweiligen Strömungsprofile 11, 12 jeweils im Wesentlichen symmetrisch zueinander sowie auch im Wesentlichen symmetrisch zu einer Achse A der Bipolarplatte 10 angeordnet. Die Ausnehmungen 11a, 12a der Strömungsprofile 11, 12 weisen einen quermäandrierenden Verlauf auf, so dass das Prozessgas über quer zur absoluten Strömungsrichtung verlaufende Kanäle an der Membran-Elektroden-Anordnung 20 geführt wird. Auch die Strömungsquerschnitte der Strömungsprofile 11, 12 der in Fig. 4 dargestellten Bipolarplatte 10 sind so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt in einem Bereich 13 der Strömungsprofile 11, 12 zunächst vergrößert und dann wieder verringert.
Die Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 25, 26 der Bipolarplatte 10 aus Fig. 4 stimmt im Wesentlichen mit der Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 25, 26 an der Bipolarplatte 10 aus Fig. 3 überein, wobei die Ausgangsanschlussbereiche 16 und 23 in Fig. 3 zusätzlich mit den Bezugszeichen 17 und 27 gekennzeichnet sind, welche in Fig. 4 gemeinsam mit 16 und 26 bezeichnet sind. Die Eingänge 16a, 17a sowie die Ausgänge 18a, 19a der jeweils benachbarten Strömungsprofile 11 und 12 sind an gemeinsamen Anschlussbereichen 15 und 16 angeordnet. Ferner sind bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform die Anschlussbereiche 16 der Eingänge 16a, 17a eines ersten Prozessgases und die Anschlussbereiche 25 der Ausgänge eines zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an einer Seite der Bipolarplatte 25 angeordnet und die Anschlussbereiche 15 der Ausgänge 18a, 19a des ersten Prozessgases und die Anschlussbereiche 26 der Eingänge des zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an der anderen Seite der Bipolarplatte 10 angeordnet. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführung sind jeweils wenigstens zwei Strömungsprofile 11, 12 von weiteren Strömungsprofilen 11, 12 durch eine fluiddichte Dichteinrichtung 29 getrennt.
In den Figuren 2 bis 4 ist von der dargestellten beispielhafte Bipolarplatte 10 jeweils nur eine Seite gezeigt. In Verbindung mit der Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 17, 25, 26, 27 ist erkennbar, dass beide Seiten der Bipolarplatte 10 im Wesentlichen spiegelbildlich ausgebildet sind und entsprechend jeweils wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile 11, 12 aufweisen. Die Anzahl von Parallelkanälen auf Anoden- und Kathodenseite kann sich unterscheiden, und es ist lediglich erforderlich, dass die Stege von Anoden- und Kathodenseite weitgehend fluchten, um eine fluiddichte Abdichtung bzw. Kraftübertragung im Stack zu ermöglichen.
Aus den Figuren 3 und 4 geht ferner hervor, dass die Eingänge 16a, 17a und die Ausgänge 18a, 19a der an beiden Seiten angeordneten Strömungsprofile 11, 12 an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 10 angeordnet sind. Unter dem Begriff „im Wesentlichen gegenüberliegend“ oder „im Wesentlichen symmetrisch“ ist vorliegend zu verstehen, dass hier bis zu groben Abweichungen möglich sind, die aber in der Gesamtschau noch als grob gegenüberliegend, also z.B. nicht direkt nebeneinander, oder - Bezug nehmend auf „im Wesentlichen symmetrisch“ - eine grobe Symmetrie erkennbar ist, diese jedoch nicht vollständig gegeben sein muss. Erfindungsgemäß ist hier also eine größere Spanne zu verstehen. Abweichungen können sich beispielsweise im Bereich 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, 18%, 19%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24%, 25%, 26%, 27%, 28%, 29%, 30%, 31%, 32%, 33%, 34%, 35%, 36%, 37%, 38%, 39%, 40%, 41%, 42%, 43%, 44% oder 45% oder mehr bewegen.
BEZUGSZEICHENLISTE 1 Brennstoffzelle
3 Stromabnehmerplatte
4 äußerer Leiterkreis
10 Bipolarplatte
11 Strömungsprofil 11a Ausnehmung
12 Strömungsprofil
12a Ausnehmung
13 Bereich des Strömungsprofils
14 Kühlmittelkanal 15 Anschlussbereich
16 Anschlussbereich
16a Eingang
17 Anschlussbereich
17a Eingang 18a Ausgang
19a Ausgang
20 Membran-Elektroden-Anordnung
23 Verbindungsbereich
24 Kühlmittelanschlussbereiche 25 Anschlussbereich
26 Anschlussbereich
27 Anschlussbereich
28 Dichteinrichtung
29 Dichteinrichtung
A Achse

Claims

ANSPRUCHS
1. Brennstoffzelle, insbesondere zur Anwendung in der Luftfahrt, mit wenigstens zwei Bipolarplatten (10) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (10) angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung (20), wobei die Bipolarplatte (10) an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der wenigstens einen Seite zumindest einer der Bipolarplatten (10) wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile (11, 12) angeordnet sind, wobei jeweils die Eingänge (16a, 17a) und/ oder die Ausgänge (18a, 19a) von zwei Strömungsprofilen (11, 12) an einem gemeinsamen Anschlussbereich (15, 16, 25, 26) angeordnet sind.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens zwei Strömungsprofile (11, 12) von weiteren Strömungsprofilen (11, 12) durch eine fluiddichte Dichteinrichtung (29) getrennt sind.
3. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Seiten der Bipolarplatte (10) jeweils wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile (11, 12) angeordnet sind, wobei die Eingänge (16a, 17a) und die Ausgänge (18a, 19a) der an beiden Seiten angeordneten Strömungsprofile (11, 12) an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte (10) angeordnet sind.
4. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) so ausgebildet ist, dass sich der Strömungsquerschnitt vom Eingang (16a, 17a) weg verringert und/ oder zum Ausgang (18a, 19a) hin vergrößert.
5. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) so ausgebildet ist, dass sich der Strömungsquerschnitt vom Eingang (16a, 17a) weg vergrößert und/ oder zum Ausgang (18a, 19a) hin verringert.
6. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) so ausgebildet ist, dass sich der Strömungsquerschnitt in wenigstens einem Bereich des Strömungsprofils (11, 12) vergrößert und/ oder verringert.
7. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsprofil (11, 12) zusammen mit der Membran- Elektroden- Anordnung (20) wenigstens einen Kanal ausbildet. 8. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das sich der wenigstens eine Kanal am Eingang (16a, 17a) oder am Ausgang (18a, 19a) des Strömungsfeldes (11, 12) in mehrere Kanäle teilt.
9. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) wenigstens abschnittsweise mit einem mäandrierenden Verlauf ausgebildet ist.
10. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strömungsprofile (11, 12) zueinander im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet sind.
11 Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Seite der Bipolarplatte (10) eine Mehrzahl voneinander getrennter Strömungsprofile (11, 12) angeordnet sind, wobei die Eingänge (16a, 17a) und die Ausgänge (18a, 19a) jeweils zwei benachbarter Strömungsprofile (11, 12) an gemeinsamen Anschlussbereichen (15, 16, 25, 26) angeordnet sind.
12. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbereiche (15) der Eingänge eines ersten Prozessgases und die Anschlussbereiche (25) der Ausgänge eines zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an einer Seite der Bipolarplatte (10) angeordnet sind und die Anschlussbereiche der Ausgänge (26) des ersten Prozessgases und die Anschlussbereiche
(25) der Eingänge des zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an der anderen Seite der Bipolarplatte (10) angeordnet sind.
13. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Anschlussbereiche (15, 16, 17, 25, 26, 27) eines ersten Prozessgases in der Bipolarplatte (10) verbunden ausgebildet sind, wobei der Verbindungsbereich (23) insbesondere auf einer dem Strömungsprofil (11, 12) im Wesentlichen gegenüberliegenden Seite eines zwischen den wenigstens zwei Anschlussbereichen (15, 16, 17, 25, 26, 27) angeordneten Anschlussbereichs (15, 16, 17, 25, 26, 27) eines zweiten Prozessgases angeordnet ist.
14. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle (14) aufweisen.
15. Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese in der Luftfahrt angewendet wird.
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