DE102016225067A1 - Bipolar plate for a fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Helerson Kemmer
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine erste Verteilstruktur (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode. Dabei sind die Verteilstrukturen (50, 60) einteilig aus einem porösen Schaum (80) gebildet, und zwischen den Verteilstrukturen (50, 60) ist mindestens eine fluiddicht ausgebildete innere Trennschicht (85, 86) gebildet, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte (40) umfasst.The invention relates to a bipolar plate (40) for a fuel cell, comprising a first distribution structure (50) for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution structure (60) for distributing an oxidizing agent to a second electrode. In this case, the distribution structures (50, 60) are formed in one piece from a porous foam (80), and between the distribution structures (50, 60) at least one fluid-tight inner separation layer (85, 86) is formed, which is integral with the porous foam (80 ) is trained. The invention also relates to a fuel cell, which comprises at least one membrane electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from one another by a membrane, and at least one bipolar plate (40) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche eine erste Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, which comprises a first distribution structure for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution structure for distributing an oxidizing agent to a second electrode. The invention also relates to a fuel cell comprising at least one bipolar plate according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.A fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) in water (H2O), electrical energy and heat are converted.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.Among others, proton exchange membrane (proton exchange membrane = PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged membrane which is permeable to protons, that is to say to hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.Proton exchange membrane fuel cells further include an anode and a cathode. The fuel is supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons with release of electrons. The protons pass through the membrane to the cathode. The emitted electrons are discharged from the fuel cell and flow through an external circuit to the cathode.

Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O The oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell and it reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane to the cathode to water. The resulting water is discharged from the fuel cell. The gross reaction is: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.In this case, a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, a plurality of fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack and electrically connected in series.

Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Gasverteilerplatten vorgesehen, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.For uniform distribution of the fuel to the anode and for uniform distribution of the oxidant to the cathode gas distribution plates are provided, which are also referred to as bipolar plates. The bipolar plates have, for example, channel-like structures for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. The channel-like structures also serve to dissipate the water formed during the reaction. The bipolar plates may further include structures for passing a cooling liquid through the fuel cell to dissipate heat.

Es sind auch Bipolarplatten mit Verteilstrukturen zur Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode bekannt, welche poröse Schäume aufweisen. Die Schäume weisen dabei derartige Porositäten auf, dass die zugeführten Reaktionsgase sowie das bei der Reaktion entstandene Wasser hindurchströmen können.Also known are bipolar plates having distribution structures for distributing the fuel to the anode and for distributing the oxidant to the cathode, which have porous foams. The foams have such porosities that the supplied reaction gases and the water formed during the reaction can flow through.

Auch aus der DE 10 2013 223 776 A1 ist eine gattungsgemäße Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel bekannt. Die Bipolarplatte weist Verteilstrukturen auf, welche aus metallischem Schaum hergestellt sind und welche zur Einleitung der Reaktionsgase in den Brennstoffzellenstapel sowie zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers dienen. Die Bipolarplatte weist ferner eine Verteilstruktur auf, welche aus metallischem Schaum hergestellt ist und welche Durchleitung einer Kühlflüssigkeit dient.Also from the DE 10 2013 223 776 A1 a generic bipolar plate for a fuel cell stack is known. The bipolar plate has distribution structures which are made of metallic foam and which serve to introduce the reaction gases into the fuel cell stack and to dissipate the water formed during the reaction. The bipolar plate also has a distribution structure, which is made of metallic foam and which serves to pass a cooling liquid.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche eine erste Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und eine zweite Verteilstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst.A bipolar plate for a fuel cell is proposed which comprises a first distribution structure for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution structure for distributing an oxidizing agent to a second electrode.

Erfindungsgemäß sind die Verteilstrukturen dabei einteilig aus einem porösen Schaum gebildet, und zwischen den Verteilstrukturen ist mindestens eine fluiddicht ausgebildete innere Trennschicht gebildet, welche einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet ist.According to the invention, the distribution structures are formed in one piece from a porous foam, and at least one inner separating layer which is formed in a fluid-tight manner and which is formed integrally with the porous foam is formed between the distribution structures.

Unter fluiddicht ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Trennschicht für den der Brennstoffzelle zugeführten gasförmigen Brennstoff, für das der Brennstoffzelle zugeführte gasförmige Oxidationsmittel sowie für das für die Kühlung der Brennstoffzelle erforderliche Kühlmittel undurchlässig ist. Der Schaum der Verteilstruktur ist also porös und somit fluiddurchlässig ausgebildet und weist die besagte mindestens eine fluiddichte innere Trennschicht auf, welche die Verteilstrukturen voneinander trennt.In this context, fluid-tight means that the separating layer is impermeable to the gaseous fuel supplied to the fuel cell, to the gaseous oxidizing agent supplied to the fuel cell and also to the coolant required for cooling the fuel cell. The foam of the distribution structure is therefore porous and thus fluid-permeable and has said at least one fluid-tight inner Separation layer, which separates the distribution structures from each other.

Ein solcher Schaum ist beispielsweise durch einen schmelzmetallurgischen Herstellprozess herstellbar. Dabei wird zunächst ein poröser Formkörper als Platzhalter aus beispielsweise Polyurethan oder ähnlichem Material erstellt. Der Platzhalter wird derart gebildet, dass ein offenporöser Raum in seinem Inneren entsteht, und einige Seiten ganz frei vom Platzhaltermaterial sind. Der offenporöse Innenraum wird ferner durch zwei freie Räume aufgeteilt. Der Formkörper mit dann mit einer flüssigen Vergussmasse umgossen. Bei der flüssigen Vergussmasse handelt es sich beispielsweise um eine Metallschmelze. Die Vergussmasse dringt dabei in den offenporösen Raum beziehungsweise in die freien Innenräume und Seitenräume des Formkörpers ein und bildet nach Erstarren den offenporösen Schaum beziehungsweise die fluiddichten Trennschichten, welche 10 bis 100 µm dick sind. Das Platzhaltermaterial wird danach durch Spülen oder Wegbrennen entfernt.Such a foam can be produced, for example, by a melt-metallurgical production process. In this case, first a porous shaped body is created as a placeholder made of, for example, polyurethane or similar material. The placeholder is formed in such a way that an open-porous space is created in its interior, and some sides are completely free of the placeholder material. The open-porous interior is further divided by two free spaces. The molding is then cast around with a liquid potting compound. The liquid potting compound is, for example, a molten metal. The potting compound penetrates into the open-pore space or into the free internal spaces and side chambers of the shaped body and, after solidification, forms the open-pore foam or the fluid-tight separating layers, which are 10 to 100 μm thick. The placeholder material is then removed by rinsing or burning away.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bipolarplatte quaderförmig ausgebildet. Dabei weist die Bipolarplatte eine Deckfläche und eine gegenüberliegende Bodenfläche auf, welche parallel verlaufen. Die Deckfläche und die Bodenfläche sind dabei fluiddurchlässig ausgebildet, also insbesondere für den gasförmigen Brennstoff, für das gasförmige Oxidationsmittel sowie für das abzuleitende Wasser durchlässig. Falls durch den Herstellungsprozess des Schaums alle Flächen durch eine fluiddichte äußere Trennschicht verschlossen sein sollten, wird diese Trennschicht nachfolgend an der Bodenfläche sowie an der Deckfläche entfernt.According to an advantageous embodiment of the invention, the bipolar plate is formed cuboid. In this case, the bipolar plate has a top surface and an opposite bottom surface, which run parallel. The top surface and the bottom surface are fluid-permeable in this case, that is permeable in particular to the gaseous fuel, to the gaseous oxidizing agent and to the water to be discharged. If, due to the manufacturing process of the foam, all surfaces should be closed by a fluid-tight outer separating layer, this separating layer is subsequently removed on the bottom surface and on the top surface.

Vorteilhaft grenzt dabei die erste Verteilstruktur an die Bodenfläche an und die zweite Verteilstruktur grenzt an die Deckfläche an. Somit kann durch die fluiddurchlässige Bodenfläche der Brennstoff zu der ersten Elektrode gelangen und durch die fluiddurchlässige Deckfläche kann das Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode gelangen.Advantageously, the first distribution structure adjoins the bottom surface and the second distribution structure adjoins the top surface. Thus, the fuel can reach the first electrode through the fluid-permeable bottom surface, and the oxidizing agent can reach the second electrode through the fluid-permeable cover surface.

Vorzugsweise sind zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen der Bipolarplatte jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht gebildet, wobei die fluiddichten äußeren Trennschichten einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet sind.Preferably, two opposing side surfaces of the bipolar plate are each completely formed by a fluid-tight outer separation layer, wherein the fluid-tight outer separation layers are formed integrally with the porous foam.

Es ist auch denkbar, dass die gegenüberliegenden Seitenflächen der Bipolarplatte jeweils teilweise von einer fluiddichten äußeren Trennschicht gebildet sind, wobei die fluiddichten äußeren Trennschichten einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet sind. Die Seitenflächen können in diesem Fall auch fluiddurchlässige Bereiche, insbesondere zum Einlass sowie zum Auslass des Brennstoffs, des Oxidationsmittels sowie des abzuleitenden Wassers, aufweisen.It is also conceivable that the opposite side surfaces of the bipolar plate are each partially formed by a fluid-tight outer separating layer, wherein the fluid-tight outer separating layers are formed integrally with the porous foam. The side surfaces may in this case also fluid-permeable areas, in particular to the inlet and outlet of the fuel, the oxidizing agent and the water to be discharged, have.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen der Bipolarplatte jeweils teilweise von einer fluiddichten äußeren Trennschicht gebildet, wobei die fluiddichten äußeren Trennschichten einteilig mit dem porösen Schaum ausgebildet sind. Die Stirnflächen weisen aber auch fluiddurchlässige Bereiche, insbesondere zum Einlass sowie zum Auslass des Brennstoffs, des Oxidationsmittels sowie des abzuleitenden Wassers auf.According to an advantageous development of the invention, two opposite end faces of the bipolar plate are each partially formed by a fluid-tight outer separating layer, wherein the fluid-tight outer separating layers are formed integrally with the porous foam. But the end faces also have fluid-permeable areas, in particular to the inlet and outlet of the fuel, the oxidizing agent and the water to be discharged.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Bipolarplatte eine dritte Verteilstruktur zur Durchleitung eines Kühlmittels auf. Die dritte Verteilstruktur ist mit der ersten Verteilstruktur und der zweiten Verteilstruktur einteilig aus dem porösen Schaum gebildet. Dabei ist die dritte Verteilstruktur von der ersten Verteilstruktur durch eine erste innere Trennschicht getrennt, und von der zweiten Verteilstruktur ist die dritte Verteilstruktur durch eine zweite innere Trennschicht getrennt.According to an advantageous embodiment of the invention, the bipolar plate has a third distribution structure for the passage of a coolant. The third distribution structure is formed integrally with the first distribution structure and the second distribution structure of the porous foam. In this case, the third distribution structure is separated from the first distribution structure by a first inner separation layer, and of the second distribution structure, the third distribution structure is separated by a second inner separation layer.

Vorzugsweise sind die erste Verteilstruktur, die zweite Verteilstruktur und die dritte Verteilstruktur jeweils quaderförmig ausgebildet. Durch entsprechende Anordnung der Verteilstrukturen ist dann auch die Bipolarplatte quaderförmig ausgebildet.Preferably, the first distribution structure, the second distribution structure and the third distribution structure are each cuboid. By appropriate arrangement of the distribution structures and the bipolar plate is then cuboid.

Die erste innere Trennschicht verläuft dabei bevorzugt parallel zu der zweiten inneren Trennschicht. Ferner verlaufen die inneren Trennschichten bevorzugt parallel zu der Deckfläche und zu der Bodenfläche der quaderförmigen Bipolarplatte.The first inner separating layer preferably runs parallel to the second inner separating layer. Furthermore, the inner separating layers preferably run parallel to the cover surface and to the bottom surface of the cuboid bipolar plate.

Die Stirnflächen der quaderförmigen Bipolarplatte weisen vorzugsweise auch fluiddurchlässige Bereiche zum Einlass sowie zum Auslass des Kühlmittels für die dritte Verteilstruktur auf.The end faces of the cuboid bipolar plate preferably also have fluid-permeable regions to the inlet and to the outlet of the coolant for the third distribution structure.

Vorzugsweise ist der poröse Schaum der Bipolarplatte aus einem metallischen Stoff gefertigt. Damit ist die Bipolarplatte mit den Verteilstrukturen und Trennschichten elektrisch leitfähig.Preferably, the porous foam of the bipolar plate is made of a metallic material. Thus, the bipolar plate with the distribution structures and separation layers is electrically conductive.

Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran-Elektrodeneinheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt.A fuel cell is also proposed which comprises at least one membrane electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from one another by a membrane, and at least one bipolar plate according to the invention. In particular, the fuel cell is constructed in such a way that in each case a bipolar plate adjoins the membrane electrode unit on both sides.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Auch ist die Fertigung der Bipolarplatte aus einteilig ausgebildetem Schaum mit fluiddichten Trennschichten verhältnismäßig einfach und kostengünstig durchführbar. Eine Beschichtung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Verteilstrukturen ist deutlich vereinfacht. Weiterhin ist die Anzahl der erforderlichen Dichtungen deutlich verringert. Insbesondere ist zwischen den Verteilstrukturen keine separate Dichtung erforderlich. Auch auf den nach außen weisenden Seitenflächen der Bipolarplatte ist keine separate Dichtung erforderlich. Lediglich an den Stirnflächen der Bipolarplatte sind an den fluiddurchlässigen Einlassbereichen und Auslassbereichen Dichtungen erforderlich.The bipolar plate according to the invention has excellent electrical and thermal conductivity. The production of the bipolar plate of integrally formed foam with fluid-tight separating layers is relatively simple and inexpensive to carry out. A coating to increase the corrosion resistance of the distribution structures is significantly simplified. Furthermore, the number of required seals is significantly reduced. In particular, no separate seal is required between the distribution structures. Also on the outwardly facing side surfaces of the bipolar plate no separate seal is required. Only at the end faces of the bipolar plate are gaskets required at the fluid-permeable inlet regions and outlet regions.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
  • 2 eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1 und
  • 3 eine teiltransparente perspektivische Darstellung der Bipolarplatte aus 2.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell stack with multiple fuel cells,
  • 2 a sectional view of a bipolar plate of the fuel cell stack 1 and
  • 3 a partially transparent perspective view of the bipolar plate 2 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran-Elektrodeneinheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-Ionen, durchlässig. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 5 with several fuel cells 2 , Every fuel cell 2 has a membrane electrode unit 10 on that a first electrode 21 , a second electrode 22 and a membrane 18 includes. The two electrodes 21 . 22 are on opposite sides of the membrane 18 arranged and thus from each other through the membrane 18 separated. The first electrode 21 is hereinafter also referred to as anode 21 and the second electrode 22 is hereafter also called a cathode 22 designated. The membrane 18 is formed as a polymer electrolyte membrane. The membrane 18 is permeable to hydrogen ions, ie H + ions.

Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektrodeneinheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.Every fuel cell 2 also has two bipolar plates 40 on, on both sides of the membrane electrode assembly 10 connect. In the arrangement of several fuel cells shown here 2 in the fuel cell stack 5 can any of the bipolar plates 40 as two fuel cells arranged adjacent to each other 2 be considered properly.

Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils eine erste Verteilstruktur 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Verteilstruktur 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, die der Kathode 22 zugewandt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.The bipolar plates 40 each comprise a first distribution structure 50 for distributing a fuel, that of the anode 21 is facing. The bipolar plates 40 each also comprise a second distribution structure 60 for the distribution of the oxidizing agent, that of the cathode 22 is facing. The second distribution structure 60 serves at the same time for the derivation of a reaction in the fuel cell 2 emerged water.

Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Verteilstruktur 70, welche zwischen der ersten Verteilstruktur 50 und der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet ist. Die dritte Verteilstruktur 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzellen 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.The bipolar plates 40 further comprise a third distribution structure 70 which is between the first distribution structure 50 and the second distribution structure 60 is arranged. The third distribution structure 70 serves for the passage of a coolant through the bipolar plate 40 and thus for cooling the fuel cell 2 and the fuel cell stack 5 ,

Die erste Verteilstruktur 50 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine erste innere Trennschicht 85 voneinander getrennt. Die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 sind durch eine zweite innere Trennschicht 86 voneinander getrennt. Die innere Trennschicht 85, 86 der Bipolarplatten 40 sind fluiddicht ausgebildet.The first distribution structure 50 and the third distribution structure 70 are through a first inner separation layer 85 separated from each other. The second distribution structure 60 and the third distribution structure 70 are through a second inner separation layer 86 separated from each other. The inner separation layer 85 . 86 the bipolar plates 40 are formed fluid-tight.

Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite Verteilstruktur 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen fließen durch die Verteilstrukturen 50, 60, 70 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.In operation of the fuel cell 2 will fuel over the first distribution structure 50 to the anode 21 directed. Likewise, oxidant is via the second distribution structure 60 to the cathode 22 directed. The fuel, in the present case hydrogen, is at the anode 21 catalytically oxidized with release of electrons to protons. The protons pass through the membrane 18 to the cathode 22. The emitted electrons flow through the distribution structures 50 . 60 . 70 to the cathode 22 the adjacent fuel cell 2 , or from the anode 21 the peripheral fuel cell 2 via an external circuit to the cathode 22 the fuel cell located at the other edge 2 , The oxidant, in the present case atmospheric oxygen, reacts by taking up the electrons thus conducted and the protons passing through the membrane 18 to the cathode 22 have come to water.

2 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1. Die Bipolarplatte 40 ist quaderförmig ausgebildet und weist eine Deckfläche 42 und eine gegenüberliegende Bodenfläche 43 auf, welche parallel zueinander und zu den inneren Trennschichten 85, 86 verlaufen. 2 shows a sectional view of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 out 1 , The bipolar plate 40 is cuboid and has a top surface 42 and an opposite floor surface 43 on which parallel to each other and to the inner separation layers 85 . 86 run.

Die erste Verteilstruktur 50, die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 der Bipolarplatte 40 sind einteilig aus einem porösen Schaum 80 gebildet. Der poröse Schaum 80 ist aus einem metallischen Stoff gefertigt. Die inneren Trennschichten 85, 86 sind dabei einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet. Die erste Verteilstruktur 50, die zweite Verteilstruktur 60 und die dritte Verteilstruktur 70 sind auch jeweils quaderförmig ausgebildet.The first distribution structure 50 , the second distribution structure 60 and the third distribution structure 70 the bipolar plate 40 are integrally formed of a porous foam 80. The porous foam 80 is made of a metallic fabric. The inner separation layers 85 . 86 are in one piece with the porous foam 80 educated. The first distribution structure 50 , the second distribution structure 60 and the third distribution structure 70 are also each cuboid.

Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 strömt der Brennstoff über einen hier nicht sichtbaren ersten Einlassbereich 56 in einer ersten Strömungsrichtung 51 in die erste Verteilstruktur 50. Ferner strömt das Oxidationsmittel über einen hier nicht sichtbaren zweiten Einlassbereich 66 in einer zweiten Strömungsrichtung 61 in die zweite Verteilstruktur 60. Das Kühlmittel strömt über einen hier nicht sichtbaren dritten Einlassbereich 76 in einer dritten Strömungsrichtung 71 in die dritte Verteilstruktur 70. Die Einlassbereiche 56, 66, 76 befinden sich dabei an einer ersten Stirnfläche 47 der Bipolarplatte 40, welche einer zweiten Stirnfläche 48 gegenüber angeordnet ist.In operation of the fuel cell 2 the fuel flows over a not visible first inlet area 56 in a first flow direction 51 into the first distribution structure 50 , Furthermore, the oxidizing agent flows over a second inlet region, which is not visible here 66 in a second flow direction 61 into the second distribution structure 60 , The coolant flows over a third inlet area, which is not visible here 76 in a third flow direction 71 into the third distribution structure 70 , The inlet areas 56 . 66 . 76 are located on a first face 47 the bipolar plate 40 , which is arranged opposite a second end face 48.

Die erste Verteilstruktur 50 grenzt an die Bodenfläche 43 an, welche fluiddurchlässig ausgebildet ist. Durch die fluiddurchlässige Bodenfläche 43 kann der Brennstoff von der ersten Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 gelangen. Die zweite Verteilstruktur 60 grenzt an die Deckfläche 42 an, welche ebenfalls fluiddurchlässig ausgebildet ist. Durch die fluiddurchlässige Deckfläche 42 kann das Oxidationsmittel von der zweiten Verteilstruktur 60 zu der Kathode 22 gelangen.The first distribution structure 50 adjoins the floor area 43 on, which is designed to be fluid-permeable. Through the fluid-permeable bottom surface 43 can the fuel from the first distribution structure 50 to the anode 21 reach. The second distribution structure 60 adjoins the top surface 42 on, which is likewise designed to be fluid-permeable. Through the fluid-permeable cover surface 42 For example, the oxidant may be from the second distribution structure 60 to the cathode 22 reach.

An der zweiten Stirnfläche 48 befinden sich ein erster Auslassbereich 57 zur Ausleitung von nicht benötigtem Brennstoff aus der ersten Verteilstruktur 50, ein zweiter Auslassbereich 67 zur Ausleitung von nicht benötigtem Oxidationsmittel sowie zur Ableitung von bei der Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser aus der zweiten Verteilstruktur 60 und ein dritter Auslassbereich 77 zur Ausleitung des Kühlmittels aus der dritten Verteilstruktur 70.At the second end face 48 There is a first outlet area 57 for discharging unneeded fuel from the first distribution structure 50 , a second outlet area 67 for the discharge of unneeded oxidant and for the derivation of the reaction in the fuel cell 2 formed water from the second distribution structure 60 and a third outlet area 77 for discharging the coolant from the third distribution structure 70 ,

3 zeigt eine teiltransparente perspektivische Darstellung der Bipolarplatte 40 aus 2. Die Bipolarplatte 40 ist, wie bereits erwähnt, quaderförmig ausgebildet und weist eine Deckfläche 42, eine gegenüberliegende Bodenfläche 43, eine erste Stirnfläche 47, eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche 48, eine erste Seitenfläche 45 und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 46 auf. Die Deckfläche 42 und die Bodenfläche 43 verlaufen rechtwinklig zu den Stirnflächen 47, 48 und rechtwinklig zu den Seitenflächen 45, 46. Die Stirnflächen 47, 48 verlaufen rechtwinklig zu den Seitenflächen 45, 46. 3 shows a partially transparent perspective view of the bipolar plate 40 from 2 , The bipolar plate 40 is, as already mentioned, cuboid and has a top surface 42 , an opposite bottom surface 43, a first end surface 47 , an opposite second end face 48 , a first side surface 45 and an opposite second side surface 46 on. The top surface 42 and the floor area 43 are perpendicular to the faces 47 . 48 and at right angles to the side surfaces 45 . 46 , The faces 47 . 48 are perpendicular to the side surfaces 45 . 46 ,

Die erste Seitenfläche 45 und die zweite Seitenfläche 46 der Bipolarplatte 40 sind jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die äußeren Trennschichten 82 der Seitenflächen 45, 46 sind dabei einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildet. Die hier nicht dargestellten inneren Trennschichten 85, 86 gehen in die äußeren Trennschichten 82 der Seitenflächen 45, 46 über.The first side surface 45 and the second side surface 46 the bipolar plate 40 are each completely from a fluid-tight outer release layer 82 educated. The outer separation layers 82 the side surfaces 45 . 46 are in one piece with the porous foam 80 educated. The inner separating layers, not shown here 85 . 86 go into the outer separation layers 82 the side surfaces 45 . 46 above.

Die erste Stirnfläche 47 ist teilweise von einer einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildeten fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die erste Stirnfläche 47 weist den fluiddurchlässigen ersten Einlassbereich 56 auf, der frei von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 ist. Die erste Stirnfläche 47 weist auch den fluiddurchlässigen zweiten Einlassbereich 66 auf, der frei von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 ist. Ferner weist die erste Stirnfläche 47 den fluiddurchlässigen dritten Einlassbereich 76 auf, der frei von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 ist.The first face 47 is partially of a fluid-tight outer separation layer formed integrally with the porous foam 80 82 educated. The first face 47 has the fluid-permeable first inlet region 56 free of a fluid-tight outer release layer 82 is. The first face 47 also has the fluid-permeable second inlet area 66 free of a fluid-tight outer release layer 82 is. Furthermore, the first end face 47 the fluid-permeable third inlet region 76 free of a fluid-tight outer release layer 82 is.

Die zweite Stirnfläche 48, welche der ersten Stirnfläche 47 gegenüber liegt, ist ebenfalls teilweise von einer einteilig mit dem porösen Schaum 80 ausgebildeten fluiddichten äußeren Trennschicht 82 gebildet. Die zweite Stirnfläche 48 weist den fluiddurchlässigen ersten Auslassbereich 57 auf, der frei von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 ist. Die zweite Stirnfläche 48 weist auch den fluiddurchlässigen zweiten Auslassbereich 67 auf, der frei von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 ist. Ferner weist die zweite Stirnfläche 48 den fluiddurchlässigen dritten Auslassbereich 77 auf, der frei von einer fluiddichten äußeren Trennschicht 82 ist.The second face 48 , which is the first end face 47 is also partially in one piece with the porous foam 80 formed fluid-tight outer separation layer 82 educated. The second face 48 has the fluid-permeable first outlet region 57 free of a fluid-tight outer release layer 82 is. The second face 48 also has the fluid-permeable second outlet region 67 free of a fluid-tight outer release layer 82 is. Furthermore, the second end face 48 the fluid-permeable third outlet area 77 free of a fluid-tight outer release layer 82 is.

Der erste Auslassbereich 57 ist derart angeordnet, dass bezogen auf den ersten Einlassbereich 56 eine optimale Strömung des Brennstoffs möglich ist. Beispielsweise sind der erste Einlassbereich 56 und der erste Auslassbereich 57 an diagonal gegenüberliegenden Ecken der ersten Verteilstruktur 50 angeordnet. Der zweite Auslassbereich 67 ist derart angeordnet, dass bezogen auf den zweiten Einlassbereich 66 eine optimale Strömung des Oxidationsmittels möglich ist. Beispielsweise sind der zweite Einlassbereich 66 und der zweite Auslassbereich 67 an diagonal gegenüberliegenden Ecken der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet.The first outlet area 57 is arranged such that with respect to the first inlet area 56 an optimal flow of the fuel is possible. For example, the first inlet area 56 and the first outlet area 57 at diagonally opposite corners of the first distribution structure 50 arranged. The second outlet area 67 is arranged such that with respect to the second inlet area 66 an optimal flow of the oxidizing agent is possible. For example, the second inlet area 66 and the second outlet area 67 at diagonally opposite corners of the second distribution structure 60 arranged.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013223776 A1 [0009]DE 102013223776 A1 [0009]

Claims (10)

Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend eine erste Verteilstruktur (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21) und eine zweite Verteilstruktur (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilstrukturen (50, 60) einteilig aus einem porösen Schaum (80) gebildet sind, und dass zwischen den Verteilstrukturen (50, 60) mindestens eine fluiddicht ausgebildete innere Trennschicht (85, 86) gebildet ist, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet ist.A bipolar plate (40) for a fuel cell (2), comprising a first distribution structure (50) for distributing a fuel to a first electrode (21) and a second distribution structure (60) for distributing an oxidant to a second electrode (22), characterized in that the distribution structures (50, 60) are formed in one piece from a porous foam (80), and that at least one fluid-tight inner separation layer (85, 86) is formed between the distribution structures (50, 60) which is integral with the porous foam (80) is formed. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) quaderförmig ausgebildet ist, und dass eine Deckfläche (42) und eine gegenüberliegende Bodenfläche (43) der Bipolarplatte (40) fluiddurchlässig ausgebildet sind.Bipolar plate (40) after Claim 1 , characterized in that the bipolar plate (40) is cuboid-shaped, and that a cover surface (42) and an opposite bottom surface (43) of the bipolar plate (40) are designed to be fluid-permeable. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilstruktur (50) an die Bodenfläche (43) angrenzt, und dass die zweite Verteilstruktur (60) an die Deckfläche (42) angrenzt.Bipolar plate (40) after Claim 2 , characterized in that the first distribution structure (50) adjoins the bottom surface (43) and that the second distribution structure (60) adjoins the top surface (42). Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen (45, 46) der Bipolarplatte (40) jeweils vollständig von einer fluiddichten äußeren Trennschicht (82) gebildet sind, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet sind.Bipolar plate (40) according to one of Claims 2 to 3 , characterized in that two opposite side surfaces (45, 46) of the bipolar plate (40) are each completely formed by a fluid-tight outer separating layer (82), which are formed integrally with the porous foam (80). Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen (47, 48) der Bipolarplatte (40) jeweils teilweise von einer fluiddichten äußeren Trennschicht (82) gebildet sind, welche einteilig mit dem porösen Schaum (80) ausgebildet sind, und dass die Stirnflächen (47, 48) fluiddurchlässige Bereiche (56, 57, 66, 67, 76, 77) aufweisen.Bipolar plate (40) according to one of Claims 2 to 4 , characterized in that two opposite end faces (47, 48) of the bipolar plate (40) are each partially formed by a fluid-tight outer separating layer (82) formed integrally with the porous foam (80), and in that the end faces (47 , 48) have fluid-permeable regions (56, 57, 66, 67, 76, 77). Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Verteilstruktur (70) zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen ist, welche mit der ersten Verteilstruktur (50) und der zweiten Verteilstruktur (60) einteilig aus dem porösen Schaum (80) gebildet ist, und welche von der ersten Verteilstruktur (50) durch eine erste innere Trennschicht (85) und von der zweiten Verteilstruktur (60) durch eine zweite innere Trennschicht (86) getrennt ist.Bipolar plate (40) according to one of the preceding claims, characterized in that a third distribution structure (70) is provided for the passage of a coolant, which with the first distribution structure (50) and the second distribution structure (60) in one piece from the porous foam (80). and which is separated from the first distribution structure (50) by a first inner separation layer (85) and from the second distribution structure (60) by a second inner separation layer (86). Bipolarplatte (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilstrukturen (50, 60, 70) jeweils quaderförmig ausgebildet sind.Bipolar plate (40) after Claim 6 , characterized in that the distribution structures (50, 60, 70) are each formed cuboid. Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innere Trennschicht (85) parallel zu der zweiten inneren Trennschicht (86) verläuft.Bipolar plate (40) according to one of Claims 6 to 7 , characterized in that the first inner separation layer (85) is parallel to the second inner separation layer (86). Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Schaum (80) aus einem metallischen Stoff gefertigt ist.Bipolar plate (40) according to one of the preceding claims, characterized in that the porous foam (80) is made of a metallic material. Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Membran-Elektrodeneinheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Fuel cell (2) comprising at least one membrane electrode assembly (10) having a first electrode (21) and a second electrode (22) separated from each other by a membrane (18), and at least one bipolar plate (40) according to one of the preceding claims.
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