WO2023110438A2 - Bipolarplatte für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2023110438A2
WO2023110438A2 PCT/EP2022/084087 EP2022084087W WO2023110438A2 WO 2023110438 A2 WO2023110438 A2 WO 2023110438A2 EP 2022084087 W EP2022084087 W EP 2022084087W WO 2023110438 A2 WO2023110438 A2 WO 2023110438A2
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plate
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Axel Bölt
Ferdinand Löbbering
Andreas Lukasch
Kay Hälsig
Steffen Kunz
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Vitesco Technologies GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a bipolar plate according to the preamble of claim 1 and a fuel cell stack formed using such bipolar plates.
  • a fuel cell stack according to the prior art is composed of a plurality of fuel cells stacked in a stacking direction, each having a plate-like shape and extending in a first transverse direction and a second transverse direction orthogonal thereto when viewed orthogonally to the stacking direction.
  • the individual fuel cells of a fuel cell stack each typically have, stacked in the stacking direction: an anode-side bipolar half-plate with a fuel channel structure for guiding a fuel, an anode-side gas diffusion layer, a membrane-electrode unit, having an electrolyte membrane and arranged on both sides of it in the stacking direction Electrode layers that form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidant, a cathode-side gas diffusion layer, a cathode-side bipolar half-plate with an oxidant channel structure for guiding the oxidant.
  • the electrochemical reaction converts the chemical reaction energy of the fuel (e.g. hydrogen) and the oxidizing agent (e.g. oxygen or air) into electrical energy.
  • the fuel e.g. hydrogen
  • the oxidizing agent e.g. oxygen or air
  • bipolar plates are usually used, which are prefabricated from two (bipolar) half-plates which, during later operation of the fuel cell stack, act as an anode-side Half-plate of a fuel cell and act as a cathode-side half-plate of a fuel cell immediately adjacent in the stack.
  • a bipolar plate thus represents a separator plate between fuel cells that are adjacent to one another in the stack and serves in particular for the electrical connection of fuel cells that are adjacent to one another in the stack and, in the case of a bipolar plate according to the preamble of claim 1, also to create a defined flow space for guiding a coolant inside the Bipolar plate (between the half-plates), so that the fuel cells formed in the stack on both sides of the bipolar plate can be cooled or tempered.
  • a bipolar plate according to the preamble of claim 1 is known for example from the publication DE 10 2019 000 150 A1 and has: two interconnected half-plates, an inflow opening located at a first edge of the bipolar plate and one located at an opposite second edge of the bipolar plate Outflow opening, a flow space formed between the half-plates for distributing a coolant over the surface of a flow field of the bipolar plate when the coolant flows into the flow space via the inflow opening and out of the flow space via the outflow opening, with the flow field at its the ends facing the first and second edges of the bipolar plate open into a distribution area connected to the respective opening.
  • flow field generally refers to the area observed in the plane of the bipolar plate in which, during operation of the fuel cell, the electrochemical reaction of the continuously supplied fuel (e.g. hydrogen) with the continuously supplied oxidizing agent (e.g. oxygen or air ) takes place.
  • continuously supplied fuel e.g. hydrogen
  • oxidizing agent e.g. oxygen or air
  • the “distribution area” thus represents a sub-area of the flow space, which is arranged between an assigned opening (inflow opening or outflow opening) on the one hand and an assigned one of the two ends of the flow field on the other hand.
  • the two distribution areas of the bipolar plate thus serve to "distribute” the coolant inflow over the width of the flow field, starting from the inflow opening, or to "collect” a coolant outflow there over the width of the outflow opening, starting from the flow field. , in such a way that a desired flow of coolant through the flow field, which is usually as uniform as possible, is achieved. Since the area available for the distribution areas is limited in practice, the function of such distribution areas is often not entirely satisfactory.
  • the bipolar plate according to the invention is characterized in that the distribution area has a pre-distribution channel which opens into the respective breakthrough, which extends along a direction of the first and second edges of the bipolar plate and has a plurality of throttle apertures (openings) arranged distributed and facing the flow field along its course .
  • the direction of the aforementioned first and second edges of the bipolar plate is hereinafter also referred to as the "transverse direction” of the bipolar plate, and the in-plane direction orthogonal to the transverse direction is also hereinafter referred to as the "longitudinal direction" of the bipolar plate.
  • the direction orthogonal to the plane of the bipolar plate is called the "vertical direction”.
  • the "pre-distribution channel” can be viewed as a transversely elongated partial area of the flow space, and here specifically an elongated partial area of the distribution area, which, viewed in terms of flow technology, is located between an associated opening (inflow opening or downstream breakthrough) and on the other hand a z. B. is arranged in a conventional manner shaped remaining part of the relevant distribution area.
  • the pre-distribution channel can e.g. B. via a single connection passage or opening (with a relatively large cross-section), or via several (z. B. 2 to 30) fluidically and / or geometrically parallel arranged connection passages in the relevant (assigned) opening.
  • a section of the channel located immediately adjacent to this opening is also referred to below as the proximal section of the channel.
  • the inflow-side pre-distribution channel extends along the transverse direction of the bipolar plate, its advantageous function of “pre-distribution” of inflowing coolant in this transverse direction results.
  • this coolant is more or less "channeled" in the transverse direction, i.e. a large part of the coolant flowing from the inflow opening into the upstream pre-distribution channel flows from the proximal section essentially into Transverse direction, towards more "distal" sections of the canal.
  • the extent of the pre-distribution channels in the transverse direction should not rule out the possibility of these channels running at an angle to the transverse direction, at least in sections, as long as such angles are less than 45°.
  • z. B. at least 5, preferably z. B. at least 10 distributed throttle apertures facing the flow field are provided, in the area of each of these throttle apertures a part of the coolant flowing in the respective area of the channel can be fed transversely to the course of the channel, i.e. essentially in the longitudinal direction, into the enter said remaining part of the upstream distribution area.
  • the coolant can be pre-distributed in the transverse direction by means of the pre-distribution channel, with the pre-distributed coolant passing through the channel through the arranged distributed in the transverse direction Leaves throttle apertures in the longitudinal direction again, e.g. B. even before the coolant viewed in the longitudinal direction of the bipolar plate has "progressed" particularly far.
  • a desired pre-distribution of the inflowing coolant which is usually as uniform as possible, can be achieved particularly advantageously with high accuracy by appropriately dimensioning the channel cross section and selecting the number, arrangement and cross sections of the throttle apertures.
  • an “average position” of the positions of the throttle apertures of a pre-distribution channel, viewed in the longitudinal direction of the bipolar plate, is within that half of the extent of the relevant distribution area viewed in the longitudinal direction of the bipolar plate, which faces the associated opening.
  • the downstream distribution area which could also be referred to as the "collection area” (since the coolant leaving the flow field distributed in the transverse direction is concentrated or collected here in the transverse direction), and the downstream pre-distribution channel arranged therein, which could also be referred to as a "post-collection duct” with respect to the reverse coolant flow.
  • a respective channel with throttle apertures in the respective distribution area of the bipolar plate which is provided according to the invention on the upstream and downstream side, enables, in particular, e.g. B. an outstandingly uniform flow distribution of the coolant as it flows through the flow space formed between the two half-plates of the bipolar plate for the coolant in the area of the "flow field", i.e. the area considered in the plane of the bipolar plate in which the electrochemical reaction takes place during operation of the fuel cells energy conversion takes place.
  • the respectively assigned pre-distribution channels can, starting from the respective opening, either "single-arm” only in one direction (orientation) or “two-arm” in both directions (orientation) in the transverse direction of the Extend bipolar plate.
  • the proximal section of the Channel one or two transversely extending "arms" of the channel up to the (one) or the (two) distal end portions of the channel.
  • the two half-plates connected to one another and thus also the bipolar plate have an at least approximately rectangular format, be it square or elongated.
  • z. B an at least approximately polygonal format with more than four sides can be provided.
  • the flow field of the bipolar plate is preferably formed in a center of a surface of the bipolar plate and can e.g. B. have an at least approximately rectangular format, be it approximately square or elongated. In the case of an elongated format, it is usually favorable if the corresponding longitudinal direction of the flow field corresponds to the longitudinal direction of the bipolar plate.
  • the half-plates are each made of a material of uniform thickness, in particular e.g. B. from a metal material, formed with a respective corrugation, z. B. by a forming process in a press, so that the shape of the flow space between the half-plates is defined by these conjugations of the half-plates.
  • the flow space can also be defined by z. B. between the half-plates inserted seals and / or before the interconnection of the half-plates dispensed seals on at least one of the half-plates.
  • the openings in the bipolar plate provided for supplying and removing the coolant take up less than 50%, in particular less than 30%, of the width of the bipolar plate available in the transverse direction, viewed in the transverse direction of the bipolar plate.
  • further openings can be arranged through which the fuel (e.g. hydrogen) flows into or out of the fuel channel structure formed on the outside of the anode-side bipolar half-plate, and the oxidizing agent (e.g. oxygen or air) flows into and out of the oxidant channel structure formed on the outside of the cathode-side bipolar half-plate.
  • the fuel e.g. hydrogen
  • the oxidizing agent e.g. oxygen or air
  • the openings (for supply and removal) for the coolant are each the middle openings of a respective row of three openings for fuel, coolant and oxidant arranged next to one another in the transverse direction of the bipolar plate, in which case the pre-distribution channels each have two arms, which, starting from the respective proximal channel section, run away from the proximal channel section in mutually opposite orientations of the transverse direction.
  • the half-plates have protruding into the respective distribution areas and abutting pairs of projections through which z. B. in the respective distribution areas orthogonal to the plane of the bipolar plate (ie in the vertical direction) extending (z. B. round) columns and / or (z. B. plate-like) wall elements are formed.
  • Such columns and/or wall elements can advantageously bring about both a mechanical support of the half-plates on one another and a better-defined flow guidance for the coolant in the distribution areas.
  • further “structural elements” can be formed on the half-plates in the area of the distribution areas, by means of which (e.g. in addition to their effect in the flow space) projections on a side of the relevant half-plate opposite the flow space for mechanical support of an electrolyte membrane of the relevant fuel cell of the later fuel cell stack are formed.
  • the columns and/or plate-like wall elements form a row that runs along the course of the respective pre-distribution channel on its side facing the flow field, so that along the course of the row between the columns or wall elements the spaces remaining between the Realize throttle apertures of the respective pre-distribution channel.
  • the aforementioned row is formed at least in sections only from plate-like wall elements and these plate-like wall elements are each, for example (and preferably) oriented parallel to the course of the respective pre-distribution channel.
  • the throttle apertures in a proximal section (viewed from the assigned opening) of the pre-distribution channel have a smaller cross section (and thus greater flow resistance) than the throttle apertures in a distal end section of the pre-distribution channel viewed from the assigned opening (be it the end section of a "single-arm" pre-distribution duct, or at least one of the two end sections of a "two-arm" pre-distribution duct).
  • z. B be provided in the aforementioned series of columns and / or plate-like wall elements that the clear distances are smaller in the proximal portion than in the distal end portion.
  • the throttle apertures in a proximal section of the pre-distribution channel have a greater mutual distance from one another than the throttle apertures in a distal end section of the pre-distribution channel.
  • the flow field is delimited on at least one of the half plates by flow field channels running in a straight line parallel to one another in the longitudinal direction of the bipolar plate.
  • the flow field on at least one of the half plates z. B. be limited by wave-shaped parallel to each other in the longitudinal direction flow field channels.
  • a fuel channel structure formed on the outside of the later anode-side bipolar half-plate for guiding the fuel through the relevant fuel cell in the area of the flow field of the bipolar plate consists of a large number (e.g. at least 20, in particular at least 40) of rectilinear parallel limited to each other in the longitudinal direction of the bipolar plate running flow field channels.
  • an oxidizing agent channel structure formed on the outside of the later cathode-side bipolar half-plate for guiding the oxidizing agent through the fuel cell in question in the area of the flow field of the bipolar plate consists of a large number (e.g. at least 20, in particular at least 40) of wavy parallel limited to each other in the longitudinal direction of the bipolar plate running flow field channels.
  • the pre-distribution channels each take up more than 60%, in particular more than 80%, of the width of the bipolar plate viewed in the transverse direction.
  • the pre-distribution channels each take up essentially the entire width of the bipolar plate or at least essentially the entire width of the associated end of the flow field, so that the "pre-distribution" of the coolant takes place over the entire width of the flow field.
  • the pre-distribution does not take place over almost the entire width of the bipolar plate or the flow field, ie z. B. a proportion of this width, z. B. less than 20% or z. B. less than 10% of the width of the bipolar plate, "without pre-distribution" of the coolant is provided.
  • the coolant can still be distributed at the relevant points by the respective remaining parts of the relevant distribution area before it enters the flow field. The same (with reverse coolant flow) applies to the downstream area of the bipolar plate.
  • the pre-distribution channels have a width viewed in the plane of the bipolar plate and transverse to its direction of extent, and a height viewed orthogonally to this plane, with their width being greater than their height over a large part of their extent.
  • this width can be greater than the height by at least a factor of 1.5, in particular at least a factor of 2, over a large part of the course of the pre-distribution channel.
  • This version carries z. B. advantageously takes into account the fact that on the one hand the pre-distribution channel should have a relatively small flow resistance (and thus a relatively large cross-section) in order to fulfill its function, On the other hand, however, a maximum height at each point of the flow space between the two half-plates of a bipolar plate is more or less severely limited in practice, since a general goal in the design of fuel cell stacks is usually (also) to make the stack as compact as possible ( ie form the individual fuel cells relatively thin).
  • the pre-distribution channels each occupy an area that is at least 5%, in particular at least 10%, and/or at most 40%, in particular at most 30%, of the area of the respective distribution area.
  • This version carries z. B. advantageously takes into account the fact that for a particularly precise coolant distribution in the flow field, both the pre-distribution channel provided according to the invention together with the throttle apertures distributed along its course and a remaining part of a conventional distribution area (known from the prior art) are usually required, in order to "finely distribute” the coolant exiting at the "discrete” points (the throttle apertures) in a pre-distributed manner from the pre-distribution channel in the direction of the flow field, before it reaches the flow field. The same (with reverse coolant flow) applies to the downstream area of the bipolar plate.
  • a fuel cell stack which has a plurality of bipolar plates of the type described here.
  • the bipolar plates can be used here as "separator plates" between adjacent fuel cells of the stack (as described, for example, at the outset).
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a bipolar plate according to an embodiment
  • Fig. 2 shows a top view of a first of two half-plates for the production of a bipolar plate according to an exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a plan view of the half-plate of Fig. 2 viewed from the other side
  • Fig. 5 is a plan view of the half-plate of Fig. 4 viewed from the other side,
  • Fig. 6 shows a detail of Fig. 2
  • Fig. 7 shows a detail of Fig. 4,
  • FIGS. 8 is a perspective, partially sectioned view of a bipolar plate made from the half-plates of FIGS. 2 to 7.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a bipolar plate 10 for a fuel cell stack in a highly schematic representation.
  • a corresponding fuel cell stack contains, among other things, a large number of such bipolar plates 10, which are arranged stacked in the stack in a stacking direction "z", and which each have a plate-shaped design and are therefore viewed orthogonally to the stacking direction z, in each case in a first transverse direction "x”. and a second transverse direction "y" orthogonal thereto.
  • the bipolar plate 10 has two prefabricated by a respective forming and stamping process and then in places by a weld (e.g.
  • a flow space 16 is formed between the half-plates 12, 14, which serves to allow an inflow opening 20 flowing into the flow space 16 at a first edge 18 of the bipolar plate 10 and at an opposite second edge 22 of the bipolar plate 10 Outflow breakthrough 24 to distribute coolant flowing out of the flow space 16 over the surface of a flow field 30 of the bipolar plate 10 .
  • the drawn first and second transverse directions x, y are chosen so that the first and second edges 18, 22 in the Run x direction and these two (opposite) edges 18, 22 are thus spaced apart in the y direction.
  • the direction in which the edges 18, 22 run ie the direction x
  • the direction x is referred to below as the “transverse direction” x and the direction y orthogonal thereto in the plane of the bipolar plate 10 as the “longitudinal direction” y of the bipolar plate 10.
  • the direction z orthogonal to the plane of the bipolar plate 10 corresponds to the subsequent stacking direction (of the fuel cell stack) and is referred to below as the "vertical direction" z.
  • the formation of the flow space 16 is based on the fact that the two half-plates 12, 14 were each provided with a respective corrugation during their prefabrication from a metal foil of uniform thickness by the aforementioned forming process in a press. After the half-plates 12, 14 have been welded, a three-dimensional shape of the flow space 16 defined by these conjugations results in the interior of the bipolar plate 10.
  • the punching process carried out before or after the forming of the half-plates 12, 14 produced the openings 20, 24 and other openings for a fuel (here, for example, hydrogen) and an oxidizing agent (not shown in FIG. 1 for the sake of simplicity of illustration). here, for example, air).
  • a fuel here, for example, hydrogen
  • an oxidizing agent here, for example, air
  • the flow field 30 opens at its ends 32, 34 facing the first and second edges 18, 22 of the bipolar plate 10 into a distribution area 36, 38, which in turn is connected to the respective opening 20, 24.
  • Each distribution area 36, 38 thus represents a partial area of the flow space 16, which is arranged between the assigned opening (inflow opening 20 or outflow opening 24) on the one hand and the flow field 30 on the other hand.
  • a special feature of the bipolar plate 10 is that the distribution area 36, 38 has a pre-distribution channel 40, 42 which opens into the respective opening 20, 24, which extends along the transverse direction x of the bipolar plate 10 and along its course several distributed arranged and the flow field 30 facing throttle apertures 44,46.
  • Each of the pre-distribution channels 40, 42 has here, starting from a proximal portion of the respective pre-distribution channel 40, 42, the dem respective breakthrough 20, 24 is immediately adjacent, two "arms" which extend in Fig. 1 in the transverse direction x to the left and right up to the respective distal end sections of the channel.
  • the proximal section runs exactly in the transverse direction x, whereas the two arms of the channel each run at an incline to the transverse direction x.
  • the openings 20, 24, viewed in the transverse direction x each take up about 30% of the total width of the bipolar plate 10 that is available in the transverse direction x in the region of the openings 20, 24.
  • the half-plates 12, 14 have in the respective distribution areas 36, 38 (in the vertical direction z) protruding and in pairs abutting projections through which in the respective distribution areas 36, 38 in the vertical direction z extending columns 50 of z.
  • Structural elements 53 are also shown in Fig.
  • the plate-like wall elements 52 shown in Fig. 1 form a row that runs along the course of the respective pre-distribution channel 40, 42 on its side facing the flow field 30, so that along the course of the row between the wall elements 52 remaining gaps form the throttle apertures 44 , 46 of the respective pre-distribution channel 40, 42. As shown in FIG. 1, these plate-like wall elements 52 are particularly advantageously oriented parallel to the course of the respective pre-distribution channel 40, 42.
  • the throttle apertures (eg their centers) in a proximal section of the pre-distribution channel have a greater mutual distance from one another than the throttle apertures in a distal end section of the pre-distribution channel.
  • z. B be provided in the aforementioned series of plate-like wall elements that their in the direction of the channel considered lengths are greater in the proximal section than in the distal end section (the latter is the case, for example, in the example of FIG. 1).
  • the cooling or temperature control of the bipolar plate 10 during its operation in a fuel cell stack works as follows:
  • a coolant is continuously fed to the bipolar plate 10 via the inflow opening 20 and enters the inflow-side pre-distribution channel 40 which is fluidically connected to the opening 20 . Due to a relatively large cross section (and thus relatively low flow resistance) of the pre-distribution channel 40, a large part of the coolant flowing into the channel 40 then initially flows inside the channel 40 extending in the transverse direction x, i.e. in Fig. 1 starting from the entry point essentially downstream left and right.
  • the flow field 30 of the illustrated bipolar plate 10 is formed in a center of the surface of the bipolar plate 10 and has a rectangular format, the longer sides of which run in the longitudinal direction y of the bipolar plate 10 .
  • This flow field 30, not shown in detail in Fig. 1, is delimited on both half-plates 12, 14 by a flow field channel structure running in the longitudinal direction y, the shape of which in the example shown corresponds to the "inverse" of the outer sides (facing away from the flow area 16) of the respective half-plates 12 and 14 formed flow field channel structure for the fuel (half-plate 12) and the oxidant (half-plate 14), respectively.
  • the flow field 30 is delimited on the half-plate 12 side by flow field channels running parallel to one another in a straight line in the longitudinal direction y of the bipolar plate 10 and on the half-plate 14 side by flow field channels running parallel to one another in a wavy manner in the longitudinal direction y.
  • the pre-distribution channels 40, 42 viewed in the transverse direction x, each take up only about 65% of the width of the bipolar plate 10 available in the transverse direction x.
  • the “pre-distribution” of the coolant therefore takes place over this proportion of the width of the bipolar plate 10.
  • a "post-distribution" of the coolant over the entire width in the transverse direction x up to the corresponding end 32, 34 of the flow field 30 takes place in this case through the remaining part of the corresponding distribution area 36, 38 that is not occupied by the pre-distribution channel 40, 42.
  • the pre-distribution channels 40, 42 each claim almost the entire width of the bipolar plate or at least almost the entire width of the flow field.
  • the pre-distribution channels 40, 42 each occupy an area which is approximately 10% of the area of the respective distribution area 36, 38.
  • FIGS. 2 to 5 show top views of two half-plates 12, 14 for the production of a bipolar plate 10 according to a further embodiment.
  • the first half-plate 12 shown in FIGS. 2 and 3 is provided as the anode-side half-plate of a bipolar plate 10 manufactured therewith (see FIG. 8), and the second half-plate 14 shown in FIGS. 4 and 5 is provided as the cathode-side half-plate of the Bipolar plate 10 provided.
  • FIG. 3 and 5 show the 'outsides' of the half-plates 12, 14, on which a fuel channel structure (Fig. 3, half-plate 12) for guiding the fuel and an oxidant channel structure (Fig. 5, half-plate 14) for Leadership of the oxidizing agent is formed.
  • FIGS. 6 and 7 which show details from FIGS. 2 and 4 on an enlarged scale
  • FIG. 8 which shows a perspective, partially sectioned view of a detail of the bipolar plate 10, the inventive design of this bipolar plate 10 can be better seen.
  • the pre-distribution channels 40, 42 each advantageously occupy essentially the entire width of the corresponding end 32, 34 of the flux field 30.
  • e.g. B. illustrates the advantageous feature that over a large part of the course of the pre-distribution channels 40, 42 whose width is greater than their height.
  • the width of the pre-distribution channel 40 is greater by about a factor of 3 than its height at this point.
  • this mentioned height has a value that is not exceeded at any other point on the surface of the bipolar plate 10 . In other words, this value corresponds to a "maximum height" of the flow space 16 formed between the half-plates 12, 14.
  • a measure that is often advantageous within the scope of the invention can also be seen, which consists in forming the throttle apertures distributed along the course of the pre-distribution channel in an edge region of the pre-distribution channel, in which the height of the channel is compared to the height in the central area of the channel is significantly reduced (e.g. by a factor in the range from 1.5 to 4) (in the example of FIG. 8 this factor is about 3).
  • Such a height-reduced edge area of the pre-distribution channel can be formed over a large part of the length of the channel and in particular also over its at least approximately entire length.
  • FIG. 8 also shows a measure that is often advantageous within the scope of the invention, which consists in providing a narrowing of the cross section at at least one point in the course of the pre-distribution channels.
  • Two such cross-sectional constrictions 60 can be seen in FIG.
  • a further improved optimization of the flow of the coolant in the pre-distribution channels can be achieved in terms of a desired "pre-distribution" of the coolant in the transverse direction x.
  • the cross section at the point of such a cross-sectional constriction is reduced by at least a factor of 2 compared to each of the two cross-sections that the pre-distribution channel in question has immediately adjacent to the cross-sectional constriction, and/or is the Cross-sectional constriction realized by a corresponding reduction in the width of the relevant pre-distribution channel at the point of constriction.
  • the channel 40 has a uniform height over the entire length of its course, despite the cross-sectional constrictions 60 formed thereon.
  • the invention and the exemplary embodiments described propose a bipolar plate (10) for use in a fuel cell stack, by means of which a particularly uniform distribution of the coolant over the surface of the flow field (30) can be achieved, particularly in the case of a distribution area (36, 38) that takes up a relatively small area. and thus in particular a particularly uniform cooling or temperature control of the fuel cell stack over its volume can be achieved.
  • the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel e.g. hydrogen
  • a continuously supplied oxidizing agent e.g. oxygen or air
  • the reactants of the electrochemical reaction i.e. fuel and oxidizing agent, are fed to different sides of a membrane-electrode unit within each fuel cell, viewed in the stacking direction.
  • the bipolar half-plates of each fuel cell are to be formed with a channel structure on their sides facing the membrane-electrode assembly, in order to transport the fuel and the oxidizing agent on the respective sides of the membrane-electrode assembly via these channel structures into a respective adjacent Bring gas diffusion layer and thus introduce the respective gas diffusion layer to the respective electrode layer on the corresponding side of the electrolyte membrane.
  • the electrode layers can e.g. B. formed from a carbon material and z. B. be coated or interspersed with a suitable catalyst.
  • the electrode layer on the fuel side forms an anode and the electrode layer on the oxidizing agent side forms a cathode of the membrane-electrode assembly.
  • the electrochemical reaction taking place in fuel cells for example water, can be discharged via the fuel cell region carrying oxidizing agent (eg air).
  • oxidizing agent eg air

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend zwei miteinander verbundene Halbplatten (12, 14) und einen zwischen den Halbplatten (12, 14) ausgebildeten Strömungsraum (16) zur Verteilung eines über einen an einem ersten Rand (18) der Bipolarplatte (10) befindlichen Zustrom-Durchbruch (20) der Bipolarplatte (10) in den Strömungsraum (16) einströmenden und über einen an einem entgegengesetzten zweiten Rand (22) der Bipolarplatte (10) befindlichen Abstrom-Durchbruch (24) der Bipolarplatte (10) aus dem Strömungsraum (16) ausströmenden Kühlmittels über die Fläche eines Strömungsfelds (30) der Bipolarplatte (10), wobei das Strömungsfeld (30) an dessen den ersten und zweiten Rändern (18, 22) der Bipolarplatte (10) zugewandten Enden (32, 34) in einen mit dem jeweiligen Durchbruch (20, 24) verbundenen Verteilbereich (36, 38) mündet. Um eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Fläche des Strömungsfelds (30) erzielen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verteilbereich (36, 38) einen in den jeweiligen Durchbruch (20, 24) mündenden Vorverteilungskanal (40, 42) aufweist, der sich entlang einer Richtung (x) der ersten und zweiten Ränder (18, 22) der Bipolarplatte (10) erstreckt und entlang seines Verlaufes mehrere verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld (30) zugewandte Drossel-Aperturen (44, 46) aufweist.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie einen unter Verwendung derartiger Bipolarplatten gebildeten Brennstoffzellenstapel.
Ein Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik ist aus einer Vielzahl von in einer Stapelrichtung gestapelt angeordneten Brennstoffzellen gebildet, die jeweils eine plattenförmige Formgestaltung besitzen und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken. Die einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels weisen hierbei jeweils in der Stapelrichtung gestapelt typischerweise auf: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes, eine anodenseitige Gasdiffusionslage, eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden, eine kathodenseitige Gasdiffusionslage, eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels.
Durch die elektrochemische Reaktion wird im Betrieb des Brennstoffzellenstapels die chemische Reaktionsenergie des Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt.
Zum Stand der Technik derartiger Brennstoffzellenstapel sei beispielhaft auf die Veröffentlichungen EP 2 357 698 B1 , EP 2 445 045 B1 , EP 2 584 635 B1 , EP 2 946 431 B1 und EP 3 316 377 A1 verwiesen.
Für die Fertigung eines Brennstoffzellenstapels werden in der Regel sogenannte "Bipolarplatten" verwendet, welche aus zwei (Bipolar-)Halbplatten vorgefertigt sind, die im späteren Betrieb des Brennstoffzellenstapels als eine anodenseitige Halbplatte einer Brennstoffzelle und als eine kathodenseitige Halbplatte einer im Stapel unmittelbar benachbarten Brennstoffzelle fungieren.
Eine Bipolarplatte stellt somit eine Separatorplatte zwischen im Stapel einander benachbarten Brennstoffzellen dar und dient hierbei insbesondere zur elektrischen Verbindung von im Stapel einander benachbarten Brennstoffzellen und im Falle einer Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zusätzlich zur Schaffung eines definierten Strömungsraums zur Führung eines Kühlmittels im Inneren der Bipolarplatte (zwischen den Halbplatten), so dass damit die im Stapel beiderseits der Bipolarplatte ausgebildeten Brennstoffzellen gekühlt bzw. temperiert werden können.
Eine Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der Veröffentlichung DE 10 2019 000 150 A1 bekannt und weist auf: zwei miteinander verbundene Halbplatten, einen an einem ersten Rand der Bipolarplatte befindlichen Zustrom-Durchbruch und einen an einem entgegengesetzten zweiten Rand der Bipolarplatte befindlichen Abstrom-Durchbruch, einen zwischen den Halbplatten ausgebildeten Strömungsraum zur Verteilung eines Kühlmittels über die Fläche eines Strömungsfelds der Bipolarplatte, wenn das Kühlmittel über den Zustrom-Durchbruch in den Strömungsraum einströmt und über den Abstrom-Durchbruch aus dem Strömungsraum ausströmt, wobei das Strömungsfeld an dessen den ersten und zweiten Rändern der Bipolarplatte zugewandten Enden in einen mit dem jeweiligen Durchbruch verbundenen Verteilbereich mündet.
Der Begriff "Strömungsfeld" bezeichnet allgemein denjenigen, in der Ebene der Bipolarplatte betrachteten Bereich, in welchem im Betrieb der Brennstoffzellen die elektrochemische Reaktion des kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) mit dem kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) stattfindet.
Der "Verteilbereich" stellt somit einen Teilbereich des Strömungsraums dar, der zwischen einerseits einem zugeordneten Durchbruch (Zustrom-Durchbruch oder Abstrom-Durchbruch) und andererseits einem zugeordneten der beiden Enden des Strömungsfelds angeordnet ist. Strömungstechnisch betrachtet dienen die beiden Verteilbereiche der Bipolarplatte somit dazu, ausgehend vom Zustrom-Durchbruch den Kühlmittel-Zustrom auf die Breite des Strömungsfelds zu "verteilen" bzw. ausgehend vom Strömungsfeld einen dortigen Kühlmittel-Abstrom auf die Breite des Abstrom-Durchbruchs zu "sammeln", und zwar so, dass damit eine gewünschte, in der Regel möglichst gleichmäßige Durchströmung des Strömungsfelds mit Kühlmittel erzielt wird. Da die für die Verteilbereiche zur Verfügung stehende Fläche in der Praxis begrenzt ist, ist die Funktion derartiger Verteilbereiche oftmals nicht ganz zufriedenstellend.
Die einzelnen bis hierher beschriebenen bekannten Merkmale von Brennstoffzellenstapeln und Bipolarplatten können auch bei der nachfolgend beschriebenen vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Weg aufzuzeigen, mit dem bei einer Bipolarplatte der eingangs genannten Art, insbesondere auch bei relativ wenig Fläche beanspruchendem Verteilbereich, eine besonders präzise und insbesondere gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Fläche des Strömungsfelds erzielt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Bipolarplatte nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilbereich einen in den jeweiligen Durchbruch mündenden Vorverteilungskanal aufweist, der sich entlang einer Richtung der ersten und zweiten Ränder der Bipolarplatte erstreckt und entlang seines Verlaufes mehrere verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld zugewandte Drossel-Aperturen (Öffnungen) aufweist.
Die Richtung der vorerwähnten ersten und zweiten Ränder der Bipolarplatte wird nachfolgend auch als "Querrichtung" der Bipolarplatte bezeichnet, und die in der Ebene der Bipolarplatte liegende Richtung orthogonal zur Querrichtung wird nachfolgend auch als "Längsrichtung" der Bipolarplatte bezeichnet. Die Richtung orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte wird als "Vertikalrichtung" bezeichnet.
Der "Vorverteilungskanal" kann als ein in Querrichtung langgestreckter Teilbereich des Strömungsraums und hier speziell ein langgestreckter Teilbereich des Verteilbereichs angesehen werden, der strömungstechnisch betrachtet zwischen einerseits einem zugeordneten Durchbruch (Zustrom-Durchbruch oder Abstrom-Durchbruch) und andererseits einem z. B. in herkömmlicher Weise formgestalteten restlichen Teil des betreffenden Verteilbereichs angeordnet ist.
Da der Vorverteilungskanal in den jeweiligen Durchbruch mündet, kann Kühlmittel ausgehend vom Zustrom-Durchbruch direkt in den zustromseitigen Vorverteilungskanal einströmen bzw. aus dem abstromseitigen Vorverteilungskanal direkt in den Abstrom-Durchbruch abströmen. Der Vorverteilungskanal kann z. B. über eine einzige Verbindungspassage oder Öffnung (mit relativ großem Querschnitt), oder aber über mehrere (z. B. 2 bis 30) strömungstechnisch und/oder geometrisch parallel zueinander angeordnete Verbindungspassagen in den betreffenden (zugeordneten) Durchbruch münden. Ein unmittelbar benachbart dieser Mündung befindlicher Abschnitt des Kanals wird nachfolgend auch als proximaler Abschnitt des Kanals bezeichnet.
Da sich der zustromseitige Vorverteilungskanal entlang der Querrichtung der Bipolarplatte erstreckt, ergibt sich dessen vorteilhafte Funktion zur "Vorverteilung" von zuströmendem Kühlmittel in dieser Querrichtung. Unmittelbar nach dem Eintritt des Kühlmittels in den Kanal, also in dessen proximalen Abschnitt, wird dieses Kühlmittel mehr oder weniger in Querrichtung "kanalisiert", d.h. ein Großteil des vom Zustrom-Durchbruch in den zustromseitigen Vorverteilungskanal einströmenden Kühlmittels strömt ausgehend vom proximalen Abschnitt im Wesentlichen in Querrichtung, hin zu "distaleren" Abschnitten des Kanals.
Die Erstreckung der Vorverteilungskanäle in Querrichtung soll nicht ausschließen, dass diese Kanäle zumindest abschnittweise in einem Winkel zur Querrichtung verlaufen, solange derartige Winkel kleiner als 45° sind.
Da entlang des Verlaufes des zustromseitigen Vorverteilungskanals mehrere, insbesondere z. B. mindestens 5, bevorzugt z. B. mindestens 10, verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld zugewandte Drossel-Aperturen vorgesehen sind, kann im Bereich jeder dieser Drossel-Aperturen jeweils ein Teil des im jeweiligen Bereich des Kanals strömenden Kühlmittels quer zum Verlauf des Kanals, also im Wesentlichen in Längsrichtung, in den besagten restlichen Teil des zustromseitigen Verteilbereichs eintreten.
Zusammenfassend kann zustromseitig also mittels des Vorverteilungskanals eine Vorverteilung des Kühlmittels in Querrichtung erfolgen, wobei das vorverteilte Kühlmittel den Kanal durch die in Querrichtung verteilt angeordneten Drossel-Aperturen in Längsrichtung wieder verlässt, z. B. noch bevor das Kühlmittel in Längsrichtung der Bipolarplatte betrachtet besonders weit "vorangekommen" ist.
Besonders vorteilhaft kann eine gewünschte, in der Regel möglichst gleichmäßige Vorverteilung des zuströmenden Kühlmittels durch eine entsprechende Dimensionierung des Kanalquerschnitts sowie Wahl von Anzahl, Anordnung und Querschnitten der Drossel-Aperturen mit hoher Genauigkeit erzielt werden.
In einer Ausführungsform befindet sich eine in Längsrichtung der Bipolarplatte betrachtet "gemittelte Position" der Positionen der Drossel-Aperturen eines Vorverteilungskanals innerhalb derjenigen Hälfte der in Längsrichtung der Bipolarplatte betrachteten Erstreckung des betreffenden Verteilbereichs, die dem zugeordneten Durchbruch zugewandt ist.
Analoges, gewissermaßen nur mit umgekehrter Kühlmittelströmung, gilt für den abstromseitigen Verteilbereich, der auch als "Sammelbereich" bezeichnet werden könnte (da das in Querrichtung verteilt das Strömungsfeld verlassende Kühlmittel hier in Querrichtung konzentriert bzw. aufgesammelt wird), und den darin angeordneten abstromseitigen Vorverteilungskanal, der im Hinblick auf die umgekehrte Kühlmittelströmung auch als "Nachsammlungskanal" bezeichnet werden könnte.
Die erfindungsgemäß zustromseitig und abstromseitig vorgesehene Integration eines jeweiligen Kanals mit Drossel-Aperturen in den jeweiligen Verteilbereich der Bipolarplatte ermöglicht insbesondere z. B. eine überragend gleichmäßige Strömungsverteilung des Kühlmittels bei der Durchströmung des zwischen den beiden Halbplatten der Bipolarplatte für das Kühlmittel ausgebildeten Strömungsraums im Bereich des "Strömungsfelds", also dem in der Ebene der Bipolarplatte betrachteten Bereich, in welchem im Betrieb der Brennstoffzellen die elektrochemische Reaktion zur Energiewandlung stattfindet.
Auch abhängig von der konkreten Anordnung der Durchbrüche für das Kühlmittel an den ersten und zweiten Rändern der Bipolarplatte, z. B. mittig oder außermittig bzw. ganz an einem Ende des betreffenden Rands, können sich die jeweils zugeordneten Vorverteilungskanäle ausgehend vom jeweiligen Durchbruch jeweils entweder "einarmig" nur in eine Richtung (Orientierung) oder "zweiarmig" in beide Richtungen (Orientierungen) in Querrichtung der Bipolarplatte erstrecken. Je nachdem, welcher Fall vorliegt, verlaufen ausgehend vom proximalen Abschnitt des Kanals ein oder zwei in Querrichtung sich erstreckende "Arme" des Kanals bis hin zu dem (einen) oder den (zwei) distalen Endabschnitten des Kanals.
In einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die beiden miteinander verbundenen Halbplatten und somit auch die Bipolarplatte ein wenigstens annähernd rechteckiges Format, sei es etwa quadratisch oder langgestreckt. Darüber hinaus kann jedoch auch z. B. ein wenigstens annähernd polygonales Format mit mehr als vier Seiten vorgesehen sein.
Im Falle eines langgestreckten, z. B. wenigstens annähernd rechteckigen Formats ist es zumeist günstig, wenn die einander entgegengesetzten ersten und zweiten Ränder der Bipolarplatte, die sich in der vorgenannten "Querrichtung" erstrecken, die kürzeren Seiten dieses Formats darstellen, wohingegen die restlichen Seiten dieses Formats (z. B. einander entgegengesetzte dritte und vierte Seiten im Falle eines Rechtecks) sich in der vorgenannten "Längsrichtung" erstrecken.
Das Strömungsfeld der Bipolarplatte ist bevorzugt in einem Zentrum einer Fläche der Bipolarplatte ausgebildet und kann z. B. ein wenigstens annähernd rechteckiges Format besitzen, sei es etwa quadratisch oder langgestreckt. Im Falle eines langgestreckten Formats ist es zumeist günstig, wenn die entsprechende Längsrichtung des Strömungsfelds der Längsrichtung der Bipolarplatte entspricht.
In einer Ausführungsform sind die Halbplatten jeweils aus einem Material von einheitlicher Dicke, insbesondere z. B. aus einem Metallmaterial, mit einer jeweiligen Korrugation ausgebildet, z. B. durch einen Umformprozess in einer Presse, so dass durch diese Konjugationen der Halbplatten die Form des Strömungsraums zwischen den Halbplatten definiert wird.
Darüber hinaus kann der Strömungsraum hierbei zusätzlich auch definiert sein durch z. B. zwischen den Halbplatten eingelegte Dichtungen und/oder vor dem miteinander Verbinden der Halbplatten an wenigstens einer der Halbplatten aufdispensierte Dichtungen.
In einer Ausführungsform beanspruchen die zur Zufuhr und Abfuhr des Kühlmittels vorgesehenen Durchbrüche der Bipolarplatte in der Querrichtung der Bipolarplatte betrachtet jeweils weniger als 50%, insbesondere weniger als 30% der in Querrichtung zur Verfügung stehenden Breite der Bipolarplatte. In der Querrichtung der Bipolarplatte betrachtet neben diesen Durchbrüchen können weitere Durchbrüche angeordnet sein, über welche der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) in die an der Außenseite der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Brennstoff-Kanalstruktur einströmt bzw. aus dieser abströmt, und das Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) in die an der Außenseite der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Oxidationsmittel-Kanalstruktur einströmt bzw. aus dieser abströmt.
In einer Ausführungsform sind die Durchbrüche (zur Zufuhr und zur Abfuhr) für das Kühlmittel jeweils die mittleren Durchbrüche einer jeweiligen Reihe von drei in Querrichtung der Bipolarplatte nebeneinander angeordneten Durchbrüchen für Brennstoff, Kühlmittel und Oxidationsmittel, wobei in diesem Fall die Vorverteilungskanäle jeweils zwei Arme besitzen, die ausgehend vom jeweiligen proximalen Kanalabschnitt in einander entgegengesetzten Orientierungen der Querrichtung vom proximalen Kanalabschnitt weg verlaufen.
In einer Ausführungsform weisen die Halbplatten in die jeweiligen Verteilbereiche hineinragende und paarweise aneinander anliegende Vorsprünge auf, durch welche z. B. in den jeweiligen Verteilbereichen orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte (also in Vertikalrichtung) sich erstreckende (z. B. runde) Säulen und/oder (z. B. plattenartige) Wandelemente ausgebildet sind.
Derartige Säulen und/oder Wandelemente können vorteilhaft sowohl eine mechanische Abstützung der Halbplatten aneinander als auch eine besser definierte Strömungsführung für das Kühlmittel in den Verteilbereichen bewirken. Außerdem können an den Halbplatten im Bereich der Verteilbereiche noch weitere "Strukturelemente" ausgebildet sein, mittels welchen (z. B. zusätzlich zu deren Wirkung im Strömungsraum) auf einer dem Strömungsraum entgegengesetzten Seite der betreffenden Halbplatte Vorsprünge zur mechanischen Abstützung einer Elektrolytmembran der betreffenden Brennstoffzelle des späteren Brennstoffzellenstapels ausgebildet werden.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform bildet zumindest ein Teil der Säulen und/oder plattenartigen Wandelemente eine Reihe, die entlang des Verlaufes des jeweiligen Vorverteilungskanals auf dessen dem Strömungsfeld zugewandten Seite verläuft, so dass entlang des Verlaufes der Reihe zwischen den Säulen bzw. Wandelementen verbleibende Zwischenräume die Drossel-Aperturen des jeweiligen Vorverteilungskanals realisieren. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die vorgenannte Reihe zumindest abschnittweise nur aus plattenartigen Wandelementen gebildet ist und diese plattenartigen Wandelemente jeweils beispielsweise (und bevorzugt) parallel zum Verlauf des jeweiligen Vorverteilungskanals orientiert sind.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Drossel-Aperturen in einem (vom zugeordneten Durchbruch aus betrachtet) proximalen Abschnitt des Vorverteilungskanals einen kleineren Querschnitt (und somit größeren Strömungswiderstand) besitzen als die Drossel-Aperturen in einem vom zugeordneten Durchbruch aus betrachtet distalen Endabschnitt des Vorverteilungskanals (sei es der Endabschnitt eines "einarmigen" Vorverteilungskanals, oder wenigstens einer der beiden Endabschnitte eines "zweiarmigen" Vorverteilungskanals). Hierfür kann z. B. bei der vorgenannten Reihe von Säulen und/oder plattenartigen Wandelementen vorgesehen sein, dass deren lichte Abstände im proximalen Abschnitt kleiner sind als im distalen Endabschnitt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Drossel-Aperturen in einem proximalen Abschnitt des Vorverteilungskanals einen größeren gegenseitigen Abstand voneinander besitzen als die Drossel-Aperturen in einem distalen Endabschnitt des Vorverteilungskanals. Hierfür kann z. B. bei der vorgenannten Reihe von plattenartigen Wandelementen vorgesehen sein, dass deren in Verlaufsrichtung des Kanals betrachtete Längen im proximalen Abschnitt größer sind als im distalen Endabschnitt.
In einer Ausführungsform ist das Strömungsfeld an wenigstens einer der Halbplatten durch geradlinig parallel zueinander in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt. Alternativ oder zusätzlich kann das Strömungsfeld an wenigstens einer der Halbplatten z. B. durch wellenförmig parallel zueinander in Längsrichtung verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt sein.
In einer Ausführungsform ist eine an der Außenseite der späteren anodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung des Brennstoffes durch die betreffende Brennstoffzelle im Bereich des Strömungsfelds der Bipolarplatte aus einer Vielzahl (z. B. mindestens 20, insbesondere mindestens 40) von geradlinig parallel zueinander in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt. In einer Ausführungsform ist eine an der Außenseite der späteren kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels durch die betreffende Brennstoffzelle im Bereich des Strömungsfelds der Bipolarplatte aus einer Vielzahl (z. B. mindestens 20, insbesondere mindestens 40) von wellenförmig parallel zueinander in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt.
In einer Ausführungsform beanspruchen die Vorverteilungskanäle in Querrichtung der Bipolarplatte betrachtet jeweils mehr als 60%, insbesondere mehr als 80% der in Querrichtung betrachteten Breite der Bipolarplatte.
Insbesondere kann hierbei z. B. vorgesehen sein, dass die Vorverteilungskanäle jeweils die im Wesentlichen gesamte Breite der Bipolarplatte oder zumindest die im Wesentlichen gesamte Breite des zugeordneten Endes des Flussfelds beanspruchen, so dass die "Vorverteilung" des Kühlmittels über die gesamte Breite des Flussfelds erfolgt.
Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die Vorverteilung nicht über die nahezu gesamte Breite der Bipolarplatte bzw. des Flussfelds erfolgt, also z. B. ein Anteil dieser Breite, z. B. weniger als 20% oder z. B. weniger als 10% der Breite der Bipolarplatte, "ohne Vorverteilung" des Kühlmittels vorgesehen ist. In diesem Fall kann an den betreffenden Stellen durch die jeweiligen restlichen Teile des betreffenden Verteilbereichs das Kühlmittel noch verteilt werden, bevor es in das Strömungsfeld eintritt. Analoges (mit umgekehrter Kühlmittelströmung) gilt für den abstromseitigen Bereich der Bipolarplatte.
In einer Ausführungsform besitzen die Vorverteilungskanäle eine in der Ebene der Bipolarplatte und quer zu ihrer Verlaufsrichtung betrachtete Breite und eine orthogonal zu dieser Ebene betrachtete Höhe, wobei über einen Großteil ihres Verlaufes deren Breite größer ist als deren Höhe.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass über einen Großteil des Verlaufes des Vorverteilungskanals diese Breite um wenigstens einen Faktor 1 ,5, insbesondere wenigstens einen Faktor 2, größer ist als die Höhe.
Diese Ausführung trägt z. B. vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass einerseits der Vorverteilungskanal zur Erfüllung seiner Funktion einen relativ kleinen Strömungswiderstand (und somit relativ großen Querschnitt) besitzen sollte, andererseits jedoch eine maximale Höhe an jeder Stelle des Strömungsraums zwischen den beiden Halbplatten einer Bipolarplatte in der Praxis mehr oder weniger stark begrenzt ist, da ein generelles Ziel bei der Gestaltung von Brennstoffzellenstapeln in der Regel (auch) darin besteht, den Stapel möglichst kompakt auszubilden (d.h. die einzelnen Brennstoffzellen relativ dünn auszubilden).
In einer Ausführungsform beanspruchen in der Ebene der Bipolarplatte betrachtet die Vorverteilungskanäle jeweils eine Fläche, die mindestens 5%, insbesondere mindestens 10%, und/oder maximal 40%, insbesondere maximal 30%, der Fläche des jeweiligen Verteilbereichs beträgt.
Diese Ausführung trägt z. B. vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass für eine besonders präzise Kühlmittelverteilung im Strömungsfeld zumeist sowohl der erfindungsgemäß vorgesehene Vorverteilungskanal mitsamt den entlang seines Verlaufes verteilt angeordneten Drossel-Aperturen als auch ein restlicher Teil eines (aus dem Stand der Technik bekannten) herkömmlichen Verteilbereichs benötigt wird, um das an den "diskreten" Stellen (der Drossel-Aperturen) vorverteilt aus dem Vorverteilungskanal in Richtung zum Strömungsfeld hin austretende Kühlmittel noch "feinzuverteilen", bevor es das Strömungsfeld erreicht. Analoges (mit umgekehrter Kühlmittelströmung) gilt für den abstromseitigen Bereich der Bipolarplatte.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der mehrere Bipolarplatten der hier beschriebenen Art aufweist. In an sich bekannter Weise können die Bipolarplatten hierbei als "Separatorplatten" zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen des Stapels eingesetzt werden (wie z. B. eingangs beschrieben).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer Bipolarplatte gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 eine Draufsicht einer ersten von zwei Halbplatten zur Fertigung einer Bipolarplatte gemäß eines Ausführungsbeispiels, Fig. 3 eine Draufsicht der Halbplatte von Fig. 2 von der anderen Seite aus betrachtet,
Fig. 4 eine Draufsicht einer zugehörigen zweiten der zwei Halbplatten,
Fig. 5 eine Draufsicht der Halbplatte von Fig. 4 von der anderen Seite aus betrachtet,
Fig. 6 ein Detail von Fig. 2,
Fig. 7 ein Detail von Fig. 4, und
Fig. 8 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer aus den Halbplatten der Fig. 2 bis 7 gefertigten Bipolarplatte.
Fig. 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte 10 für einen Brennstoffzellenstapel.
Ein entsprechender Brennstoffzellenstapel enthält unter anderem eine Vielzahl von derartigen Bipolarplatten 10, die in dem Stapel in einer Stapelrichtung "z" gestapelt angeordnet werden, und die jeweils eine plattenförmige Formgestaltung besitzen und sich somit orthogonal zur Stapelrichtung z betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung "x" und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung "y" erstrecken.
Die Bipolarplatte 10 weist zwei durch einen jeweiligen Umform- und Stanzprozess vorgefertigte und sodann stellenweise durch eine Verschweißung (z. B.
Laserverschweißung) miteinander verbundene metallische Halbplatten 12, 14 auf.
Zwischen den Halbplatten 12, 14 ist ein Strömungsraum 16 ausgebildet, der dazu dient, ein über einen an einem ersten Rand 18 der Bipolarplatte 10 befindlichen Zustrom-Durchbruch 20 in den Strömungsraum 16 einströmendes und über einen an einem entgegengesetzten zweiten Rand 22 der Bipolarplatte 10 befindlichen Abstrom-Durchbruch 24 aus dem Strömungsraum 16 ausströmendes Kühlmittel über die Fläche eines Strömungsfelds 30 der Bipolarplatte 10 zu verteilen.
Bei der Darstellung von Fig. 1 sind die eingezeichneten ersten und zweiten Querrichtungen x, y so gewählt, dass die ersten und zweiten Ränder 18, 22 in der Richtung x verlaufen und diese beiden (einander entgegengesetzten) Ränder 18, 22 somit in der Richtung y voneinander beabstandet sind.
Nachfolgend wird der Einfachheit halber die Richtung des Verlaufes der Ränder 18, 22, also die Richtung x, als "Querrichtung" x und die dazu orthogonale Richtung y in der Ebene der Bipolarplatte 10 als "Längsrichtung" y der Bipolarplatte 10 bezeichnet. Die Richtung z orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte 10 entspricht der späteren Stapelrichtung (des Brennstoffzellenstapels) und wird nachfolgend als "Vertikalrichtung" z bezeichnet.
Die Ausbildung des Strömungsraums 16 beruht in diesem Beispiel darauf, dass die beiden Halbplatten 12, 14 bei deren Vorfertigung jeweils aus einer Metallfolie von einheitlicher Dicke durch den vorerwähnten Umformprozess in einer Presse mit einer jeweiligen Korrugation versehen wurden. Nach der Verschweißung der Halbplatten 12, 14 ergibt sich eine durch diese Konjugationen definierte dreidimensionale Form des Strömungsraums 16 im Inneren der Bipolarplatte 10.
Durch den vor oder nach dem Umformen der Halbplatten 12, 14 durchgeführten Stanzprozess wurden die Durchbrüche 20, 24 sowie weitere, in Fig. 1 der Einfachheit der Darstellung halber nicht eingezeichnete Durchbrüche für einen Brennstoff (hier z. B. Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (hier z. B. Luft) ausgebildet.
Das Strömungsfeld 30 mündet an dessen den ersten und zweiten Rändern 18, 22 der Bipolarplatte 10 zugewandten Enden 32, 34 in einen Verteilbereich 36, 38, der wiederum mit dem jeweiligen Durchbruch 20, 24 verbunden ist. Jeder Verteilbereich 36, 38 stellt somit einen Teilbereich des Strömungsraums 16 dar, der zwischen einerseits dem zugeordneten Durchbruch (Zustrom-Durchbruch 20 oder Abstrom-Durchbruch 24) und andererseits dem Strömungsfeld 30 angeordnet ist.
Eine Besonderheit der Bipolarplatte 10 besteht darin, dass der Verteilbereich 36, 38 einen in den jeweiligen Durchbruch 20, 24 mündenden Vorverteilungskanal 40, 42 aufweist, der sich entlang der Querrichtung x der Bipolarplatte 10 erstreckt und entlang seines Verlaufes mehrere verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld 30 zugewandte Drossel-Aperturen 44, 46 aufweist.
Jeder der Vorverteilungskanäle 40, 42 besitzt hierbei ausgehend von einem proximalen Abschnitt des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42, der dem jeweiligen Durchbruch 20, 24 unmittelbar benachbart ist, zwei "Arme", die sich in Fig. 1 in Querrichtung x nach links und rechts bis hin zu jeweiligen distalen Endabschnitten des Kanals erstrecken. Der proximale Abschnitt verläuft in diesem Beispiel exakt in Querrichtung x, wohingegen die beiden Arme des Kanals jeweils mit einer Neigung zur Querrichtung x verlaufen.
Im dargestellten Beispiel beanspruchen die Durchbrüche 20, 24 in Querrichtung x betrachtet jeweils etwa 30% der in Querrichtung x im Bereich der Durchbrüche 20, 24 zur Verfügung stehenden Gesamtbreite der Bipolarplatte 10.
Die Halbplatten 12, 14 weisen in die jeweiligen Verteilbereiche 36, 38 (in Vertikalrichtung z) hineinragende und paarweise aneinander anliegende Vorsprünge auf, durch welche in den jeweiligen Verteilbereichen 36, 38 in Vertikalrichtung z sich erstreckende Säulen 50 von z. B. rundem oder ringförmigem Querschnitt in der x-y-Ebene und plattenartige Wandelemente 52 mit oval-länglichem Querschnitt in der x-y-Ebene ausgebildet sind. Außerdem sind in Fig. 1 Strukturelemente 53 eingezeichnet, welche eine Doppelfunktion besitzen, nämlich einerseits in den jeweiligen Verteilbereichen 36, 38 Säulen von ringförmigem Querschnitt ausbilden können und andererseits auf einer dem Strömungsraum 16 entgegengesetzten Seite der betreffenden Halbplatte 12, 14 Vorsprünge zur mechanischen Abstützung einer Elektrolytmembran der betreffenden Brennstoffzelle im späteren Brennstoffzellenstapel ausbilden.
Die in Fig. 1 eingezeichneten plattenartigen Wandelemente 52 bilden eine Reihe, die entlang des Verlaufes des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42 auf dessen dem Strömungsfeld 30 zugewandten Seite verläuft, so dass entlang des Verlaufes der Reihe zwischen den Wandelementen 52 verbleibende Zwischenräume die Drossel-Aperturen 44, 46 des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42 realisieren. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind diese plattenartigen Wandelemente 52 besonders vorteilhaft jeweils parallel zum Verlauf des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42 orientiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drossel-Aperturen (z. B. deren Mittelpunkte) in einem proximalen Abschnitt des Vorverteilungskanals einen größeren gegenseitigen Abstand voneinander besitzen als die Drossel-Aperturen in einem distalen Endabschnitt des Vorverteilungskanals. Hierbei bzw. hierfür kann z. B. bei der vorgenannten Reihe von plattenartigen Wandelementen vorgesehen sein, dass deren in Verlaufsrichtung des Kanals betrachtete Längen im proximalen Abschnitt größer sind als im distalen Endabschnitt (Letzteres ist z. B. im Beispiel von Fig. 1 der Fall).
Die Kühlung bzw. Temperierung der Bipolarplatte 10 in deren Betrieb in einem Brennstoffzellenstapel funktioniert wie folgt:
Über den Zustrom-Durchbruch 20 wird der Bipolarplatte 10 kontinuierlich ein Kühlmittel zugeführt, das in den mit dem Durchbruch 20 fluidtechnisch in Verbindung stehenden zustromseitigen Vorverteilungskanal 40 eintritt. Aufgrund eines relativ großen Querschnitts (und somit relativ geringem Strömungswiderstand) des Vorverteilungskanals 40 strömt ein Großteil des in den Kanal 40 einströmenden Kühlmittels sodann zunächst im Inneren des sich in Querrichtung x erstreckenden Kanals 40, in Fig. 1 also von der Eintrittsstelle ausgehend im Wesentlichen nach links und rechts. Jedoch erreicht nur ein Teil dieses Kühlmittels ein jeweiliges Ende der beiden in Fig. 1 nach links und rechts verlaufenden 'Arme" des Kanals 40, da entlang des Kanals 40 die in Fig. 1 z. B. zwanzig dem Strömungsfeld 30 zugewandten Drossel-Aperturen 44 ausgebildet sind, durch welche hindurch jeweils ein Teil des im jeweiligen Bereich im Kanal 40 strömenden Kühlmittels orthogonal zum dortigen Verlauf des Kanals 40 in einen restlichen Teil des zustromseitigen Verteilbereichs 36 eintritt. In diesem Teil des Verteilbereichs 36 strömt das Kühlmittel in Fig. 1 nach unten weiter bis hin zum zustromseitigen Ende 32 (Einlassende) des Strömungsfelds 30, wobei die dort angeordneten Säulen 50 und Strukturelemente 53 vorteilhaft zu einer weiteren Vergleichmäßigung der in Querrichtung x betrachteten Verteilung der Strömungsrate des im Wesentlichen in Längsrichtung y (in Fig. 1 nach unten) strömenden Kühlmittels beitragen. Es ergibt sich damit vorteilhaft eine Verteilung des zuströmenden Kühlmittels, durch welche im dargestellten Beispiel Kühlmittel mit im Wesentlich identischer Strömungsrate in die Vielzahl von im Bereich des Endes 32 befindlichen "Kanalstruktureingängen" eintritt, und dementsprechend auch mit im Wesentlich identischer Strömungsrate aus der Vielzahl von im Bereich des Endes 34 (Auslassende) befindlichen "Kanalstrukturausgängen" wieder austritt. Für die weitere Strömung des Kühlmittels durch den abstromseitigen Verteilbereich 38, weiter durch die abstromseitigen Drossel-Aperturen 46 in den abstromseitigen Vorverteilungskanal 42 und weiter in den Abstrom-Durchbruch 24 gilt (unter Berücksichtigung der dort gewissermaßen umgekehrt vom Kühlmittel durchströmten Bereiche) analoges. Das Strömungsfeld 30 der dargestellten Bipolarplatte 10 ist in einem Zentrum der Fläche der Bipolarplatte 10 ausgebildet und besitzt ein rechteckiges Format, dessen längere Seiten in Längsrichtung y der Bipolarplatte 10 verlaufen.
Dieses in Fig. 1 nicht detailliert dargestellte Strömungsfeld 30 wird an beiden Halbplatten 12, 14 jeweils durch eine in Längsrichtung y verlaufende Strömungsfeldkanalstruktur begrenzt, deren Formgestaltung im dargestellten Beispiel dem "Inversen" der an den (dem Strömungsbereich 16 abgewandten) Außenseiten der jeweiligen Halbplatten 12 bzw. 14 ausgebildeten Strömungsfeldkanalstruktur für den Brennstoff (Halbplatte 12) bzw. das Oxidationsmittel (Halbplatte 14) entspricht. Im Beispiel ist das Strömungsfeld 30 seitens der Halbplatte 12 durch geradlinig parallel zueinander in Längsrichtung y der Bipolarplatte 10 verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt und seitens der Halbplatte 14 durch wellenförmig parallel zueinander in Längsrichtung y verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt.
Im dargestellten Beispiel beanspruchen die Vorverteilungskanäle 40, 42 in Querrichtung x betrachtet jeweils nur etwa 65% der in Querrichtung x zur Verfügung stehenden Breite der Bipolarplatte 10. Über diesen Anteil der Breite der Bipolarplatte 10 erfolgt also die "Vorverteilung" des Kühlmittels. Eine "Nachverteilung" des Kühlmittels über die gesamte Breite in Querrichtung x bis hin zu dem entsprechenden Ende 32, 34 des Strömungsfelds 30 erfolgt in diesem Fall durch den nicht vom Vorverteilungskanal 40, 42 besetzten restlichen Teil des entsprechenden Verteilbereichs 36, 38. Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist es im Rahmen der Erfindung jedoch zumeist bevorzugt, wenn die Vorverteilungskanäle 40, 42 jeweils die nahezu gesamte Breite der Bipolarplatte oder zumindest die nahezu gesamte Breite des Flussfelds beanspruchen. Insbesondere kann die Erstreckungsbreite der Vorverteilungskanäle 40, 42 hierbei z. B. mehr als 80%, insbesondere z. B. mindestens 90%, der Breite der Bipolarplatte 10 betragen.
Außerdem ist im dargestellten Beispiel vorgesehen, dass in der x-y-Ebene der Bipolarplatte 10 betrachtet die Vorverteilungskanäle 40, 42 jeweils eine Fläche beanspruchen, die etwa 10% der Fläche des jeweiligen Verteilbereichs 36, 38 beträgt.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen von Halbplatten bzw. einer daraus gebildeten Bipolarplatte werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen Draufsichten von zwei Halbplatten 12, 14 zur Fertigung einer Bipolarplatte 10 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte erste Halbplatte 12 ist als die anodenseitige Halbplatte einer damit gefertigten Bipolarplatte 10 (vgl. Fig. 8) vorgesehen, und die in den Fig. 4 und 5 dargestellte zweite Halbplatte 14 ist als die kathodenseitige Halbplatte der Bipolarplatte 10 vorgesehen.
Die Fig. 3 und 5 zeigen die 'Außenseiten" der Halbplatten 12, 14, an denen eine Brennstoff-Kanalstruktur (Fig. 3, Halbplatte 12) zur Führung des Brennstoffes bzw. eine Oxidationsmittel-Kanalstruktur (Fig. 5, Halbplatte 14) zur Führung des Oxidationsmittels ausgebildet ist.
Die Fig. 2 und 4 zeigen die "Innenseiten" der Halbplatten 12, 14, an denen die Führung des Kühlmittels durch das Innere der aus den Halbplatten 12, 14 gebildeten Bipolarplatte 10 vorgesehen ist.
Aus den Fig. 6 und 7, die in vergrößertem Maßstab Details aus Fig. 2 bzw. 4 zeigen, sowie Fig. 8, die eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht eines Details der Bipolarplatte 10 zeigt, ist die erfindungsgemäße Gestaltung dieser Bipolarplatte 10 besser ersichtlich.
Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise der aus den Halbplatten 12, 14 (Fig. 2 bis 7) gefertigten Bipolarplatte 10 (Fig. 8) wird auf die Erläuterungen des Beispiels von Fig. 1 verwiesen.
Im Beispiel der Bipolarplatte 10 von Fig. 8 beanspruchen die Vorverteilungskanäle 40, 42 vorteilhaft jeweils die im Wesentlichen gesamte Breite des entsprechenden Endes 32, 34 des Flussfelds 30.
Im Beispiel von Fig. 8 ist darüber hinaus z. B. die vorteilhafte Besonderheit verdeutlicht, wonach über einen Großteil des Verlaufes der Vorverteilungskanäle 40, 42 deren Breite größer ist als deren Höhe. In der in Fig. 8 ersichtlichen Schnittebene ist die Breite des Vorverteilungskanals 40 etwa um einen Faktor 3 größer als dessen Höhe an dieser Stelle. Außerdem besitzt im dargestellten Beispiel diese genannte Höhe einen Wert, der an keiner anderen Stelle der Fläche der Bipolarplatte 10 überschritten wird. Mit anderen Worten entspricht dieser Wert also einer "Maximalhöhe" des zwischen den Halbplatten 12, 14 ausgebildeten Strömungsraums 16. Beide Maßnahmen sind im Rahmen der Erfindung insofern vorteilhaft, als diese dazu beitragen, den Strömungswiderstand der (z. B. im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander ausgebildeten) Vorverteilungskanäle (40, 42) zu minimieren. Im Beispiel von Fig. 8 ist des Weiteren eine im Rahmen der Erfindung oftmals vorteilhafte Maßnahme zu erkennen, die darin besteht, die entlang des Verlaufes des Vorverteilungskanals verteilt angeordneten Drossel-Aperturen in einem Randbereich des Vorverteilungskanals auszubilden, in welchem die Höhe des Kanals im Vergleich zur Höhe im zentralen Bereich des Kanals deutlich (z. B. um einen Faktor im Bereich von 1 ,5 bis 4) verringert ist (Im Beispiel von Fig. 8 beträgt dieser Faktor etwa 3). Ein solcher höhenreduzierter Randbereich des Vorverteilungskanals kann über einen Großteil der Länge des Kanals und insbesondere auch über dessen zumindest annähernd gesamte Länge ausgebildet sein.
Im Beispiel von Fig. 8 ist des Weiteren eine im Rahmen der Erfindung oftmals vorteilhafte Maßnahme zu erkennen, die darin besteht, im Verlauf der Vorverteilungskanäle an wenigstens einer Stelle eine Querschnittsverengung vorzusehen. In Fig. 8 sind zwei solche Querschnittsverengungen 60 zu erkennen. Damit kann unabhängig von der Anordnung und Dimensionierung der Drossel-Aperturen 44 eine weiter verbesserte Optimierung der Strömung des Kühlmittels in den Vorverteilungskanälen im Sinne einer gewünschten "Vorverteilung" des Kühlmittels in Querrichtung x bewerkstelligt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Querschnitt an der Stelle einer solchen Querschnittsverengung (vgl. Querschnittsverengungen 60 in Fig. 8) um mindestens einen Faktor 2 gegenüber jedem der beiden Querschnitte verringert, die der betreffende Vorverteilungskanal unmittelbar benachbart der Querschnittsverengung besitzt, und/oder ist die Querschnittsverengung durch eine entsprechende Verkleinerung der Breite des betreffenden Vorverteilungskanals an der Stelle der Verengung realisiert. Im dargestellten Beispiel von Fig. 8 besitzt der Kanal 40 trotz der daran ausgebildeten Querschnittsverengungen 60 über die gesamte Länge seines Verlaufes eine einheitliche Höhe. Zusammenfassend wird mit der Erfindung und den beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Bipolarplatte (10) zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, mittels welcher insbesondere auch bei relativ wenig Fläche beanspruchendem Verteilbereich (36, 38) eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Fläche des Strömungsfelds (30) und somit insbesondere eine besonders gleichmäßige Kühlung oder Temperierung des Brennstoffzellenstapels über dessen Volumen erzielt werden kann.
In an sich bekannter Weise kann mit dem so gebildeten Brennstoffzellenstapel durch eine elektrochemische Reaktion die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt werden, wobei im Betrieb der über die (elektrisch leitfähigen) Halbplatten in elektrischer Reihenschaltung angeordneten Brennstoffzellen die Reaktanten der elektrochemischen Reaktion, also Brennstoff und Oxidationsmittel, auf in Stapelrichtung betrachtet unterschiedlichen Seiten einer Membran-Elektroden-Einheit innerhalb jeder Brennstoffzelle zugeführt werden. Zu diesem Zweck sind die Bipolar-Halbplatten jeder Brennstoffzelle auf ihren der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Seiten jeweils mit einer Kanalstruktur auszubilden, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf den jeweiligen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit über diese Kanalstrukturen in eine dort angrenzende jeweilige Gasdiffusionslage einzubringen und somit über die jeweilige Gasdiffusionslage an die jeweilige Elektrodenschicht auf der entsprechenden Seite der Elektrolytmembran heranzuführen. Die Elektrodenschichten können z. B. aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet und z. B. mit einem geeigneten Katalysator beschichtet bzw. durchsetzt sein. Die brennstoffseitige Elektrodenschicht bildet hierbei eine Anode und die oxidationsmittelseitige Elektrodenschicht eine Kathode der Membran-Elektroden-Einheit. Das Produkt der in den einzelnen
Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden. Bezugszeichenliste
10 Bipolarplatte
12 erste Halbplatte (anodenseitig)
14 zweite Halbplatte (kathodenseitig) x Querrichtung y Längsrichtung z Vertikalrichtung
16 Strömungsfeld
18 erster Rand
20 Zustrom-Durchbruch (für Kühlmittel)
20' Zustrom-Durchbruch (für Brennstoff)
20" Zustrom-Durchbruch (für Oxidationsmittel)
22 zweiter Rand
24 Abstrom-Durchbruch (für Kühlmittel)
24' Abstrom-Durchbruch (für Brennstoff)
24" Abstrom-Durchbruch (für Oxidationsmittel)
30 Strömungsfeld
32 erstes Ende (des Strömungsfelds)
34 zweites Ende (des Strömungsfelds)
36 Verteilbereich (zustromseitig)
38 Verteilbereich (abstromseitig)
40 Vorverteilungskanal (zustromseitig)
42 Vorverteilungskanal (abstromseitig)
44 Drossel-Aperturen (zustromseitig)
46 Drossel-Aperturen (abstromseitig)
50 Säulen
52 Wandelemente
53 Strukturelemente
60 Querschnittsverengungen

Claims

Patentansprüche
1 . Bipolarplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend zwei miteinander verbundene Halbplatten (12, 14) und einen zwischen den Halbplatten (12, 14) ausgebildeten Strömungsraum (16) zur Verteilung eines über einen an einem ersten Rand (18) der Bipolarplatte (10) befindlichen Zustrom-Durchbruch (20) der Bipolarplatte (10) in den Strömungsraum (16) einströmenden und über einen an einem entgegengesetzten zweiten Rand (22) der Bipolarplatte (10) befindlichen Abstrom-Durchbruch (24) der Bipolarplatte (10) aus dem Strömungsraum (16) ausströmenden Kühlmittels über die Fläche eines Strömungsfelds (30) der Bipolarplatte (10), wobei das Strömungsfeld (30) an dessen den ersten und zweiten Rändern (18, 22) der Bipolarplatte (10) zugewandten Enden (32, 34) in einen mit dem jeweiligen Durchbruch (20, 24) verbundenen Verteilbereich (36, 38) mündet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Verteilbereich (36, 38) einen in den jeweiligen Durchbruch (20, 24) mündenden Vorverteilungskanal (40, 42) aufweist, der sich entlang einer Richtung (x) der ersten und zweiten Ränder (18, 22) der Bipolarplatte (10) erstreckt und entlang seines Verlaufes mehrere verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld (30) zugewandte Drossel-Aperturen (44, 46) aufweist.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , wobei die Halbplatten (12, 14) jeweils aus einem Material von einheitlicher Dicke mit einer jeweiligen Korrugation ausgebildet sind, so dass durch diese Konjugationen die Form des Strömungsraums (16) zwischen den Halbplatten (12, 14) definiert wird.
3. Bipolarplatte (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Durchbrüche (20, 24) in der Richtung (x) der ersten und zweiten Ränder (18, 22) der Bipolarplatte (10) betrachtet jeweils weniger als 50%, insbesondere weniger als 30% der in dieser Richtung (x) zur Verfügung stehenden Breite der Bipolarplatte (10) beanspruchen.
4. Bipolarplatte (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbplatten (12, 14) in die jeweiligen Verteilbereiche (36, 38) hineinragende und paarweise aneinander anliegende Vorsprünge aufweisen, durch welche in den jeweiligen Verteilbereichen (36, 38) orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte (10) sich erstreckende Säulen (50) und/oder plattenartige Wandelemente (52) ausgebildet sind.
5. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 4, wobei zumindest ein Teil der Säulen (50) und/oder plattenartigen Wandelemente (52) eine Reihe bildet, die entlang des Verlaufes des jeweiligen Vorverteilungskanals (40, 42) auf dessen dem Strömungsfeld (30) zugewandten Seite verläuft, so dass entlang des Verlaufes der Reihe zwischen den Säulen bzw. Wandelementen verbleibende Zwischenräume die Drossel-Aperturen (44, 46) des jeweiligen Vorverteilungskanals (40, 42) realisieren.
6. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 5, wobei die Reihe zumindest abschnittweise nur aus plattenartigen Wandelementen (52) gebildet ist und diese plattenartigen Wandelemente jeweils parallel zum Verlauf des jeweiligen Vorverteilungskanals (40, 42) orientiert sind.
7. Bipolarplatte (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strömungsfeld (30) an wenigstens einer (12) der Halbplatten (12, 14) durch geradlinig parallel zueinander in einer Richtung (y) orthogonal zu den ersten und zweiten Rändern (18, 22) der Bipolarplatte (10) verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt ist und/oder an wenigstens einer (14) der Halbplatten (12, 14) durch wellenförmig parallel zueinander in dieser Richtung (y) verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt ist.
8. Bipolarplatte (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorverteilungskanäle (40, 42) in der Richtung (x) der ersten und zweiten Ränder (18, 22) der Bipolarplatte (10) betrachtet jeweils mehr als 60%, insbesondere mehr als 80% der in dieser Richtung (x) betrachteten Breite der Bipolarplatte (10) beanspruchen.
9. Bipolarplatte (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorverteilungskanäle (40, 42) eine in der Ebene (x-y) der Bipolarplatte (10) und quer zu ihrer Verlaufsrichtung betrachtete Breite und eine orthogonal (z) zu dieser Ebene (x-y) betrachtete Höhe besitzen, und wobei über einen Großteil ihres Verlaufes deren Breite größer ist als deren Höhe.
10. Bipolarplatte (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in der Ebene (x-y) der Bipolarplatte (10) betrachtet die Vorverteilungskanäle (40, 42) jeweils eine Fläche beanspruchen, die mindestens 5%, insbesondere mindestens 10%, und/oder maximal 40%, insbesondere maximal 30%, der Fläche des jeweiligen Verteilbereichs (36, 38) beträgt.
11. Brennstoffzellenstapel, aufweisend mehrere Bipolarplatten (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis 10.
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