DE102018211078B3 - Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich (AA) und einem inaktiven Bereich (IA) umfassend einen Stapel mit einer Anodenplatte (50), einer planparallel an die Kühlmittelplatte (60) angeordneten Kathodenplatte (70), welche jeweils eine ebene Seite aufweisen sowie einer Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anodenplatte (50) und die Kathodenplatte (70) Erste Abstandselemente (52, 72) aufweisen, die auf einer der ebenen Seite gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Platte (51, 71) stoffschlüssig mit dieser verbunden sind, wobei die Anodenplatte (50) und die Kathodenplatte (70) im aktiven Bereich (AA) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (53, 73) aufweisen.

The invention relates to a bipolar plate (15) for a fuel cell with an active region (AA) and an inactive region (IA) comprising a stack with an anode plate (50), a cathode plate (70) arranged plane - parallel to the coolant plate (60) each having a flat side and a fuel cell and a fuel cell stack with such.
According to the invention, it is provided that the anode plate (50) and the cathode plate (70) have first spacer elements (52, 72) which are connected in a material-locking manner on a side of the respective plate (51, 71) opposite the flat side, the anode plate (50) and the cathode plate (70) in the active region (AA) having a plurality of through holes (53, 73).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell. Furthermore, the invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack with such bipolar plates.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical voltages are added together. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺→H₂O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flux field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H ₂ to protons H ⁺ takes place with release of electrons (H ₂ → 2 H ⁺ + 2 e ^- ). Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O ₂ to O ^2- takes place with absorption of the electrons (½O ₂ + 2e ^- → O ^2- ) , At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O ^2- + 2 H ⁺ → H ₂ O).

Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Häuptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The supply of the fuel cell stack with its operating media, so the anode operating gas (for example, hydrogen), the cathode operating gas (for example, air) and the coolant, via main supply channels that enforce the stack in its entire stacking direction and of which the operating media on the bipolar plates, the single cells be supplied. For each operating medium, at least two such main supply channels are present, namely one for the supply and one for the removal of the respective operating medium.

Typischerweise bestehen Bipolarplatten aus zwei miteinander verbundenen Halbplatten, die jeweils beidseitig strukturiert sind. Auf den voneinander abgewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport der Betriebsmedien und auf den zueinander zugewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport von Kühlmittel benötigt. Dabei müssen die Halbplatten jeweils aufeinander abgestimmt werden, da drei separate Transportwege mittels zweier Halbplatten zur Verfügung gestellt werden müssen. Das führt zu weiteren Randbedingungen, die die Flexibilität der Ausgestaltungen der Bipolarplatten reduziert. In typischen Ausführungen sind die Halbplatten bekannter Bipolarplatten profiliert ausgebildet, wobei die Profile ineinander eingreifen beziehungsweise verschachtelt sind.Typically, bipolar plates consist of two interconnected half-plates, each of which is structured on both sides. Structures for transporting the operating media are used on the sides facing away from one another and structures for transporting coolant are required on the sides facing one another. In this case, the half-plates must be matched to each other, since three separate transport routes must be provided by means of two half-plates available. This leads to further boundary conditions, which reduces the flexibility of the embodiments of the bipolar plates. In typical embodiments, the half-plates of known bipolar plates are formed profiled, wherein the profiles intermesh or nested.

In der EP 1 432 060 A1 wird eine Bipolarplatte vorgeschlagen, die aus drei Einzelplatten besteht. Dabei sind jedoch die drei Platten auf gleiche Weise strukturiert, das heißt, Kathoden-Flussfeld, Anoden-Flussfeld und KühlmittelFlussfeld sind baugleich.In the EP 1 432 060 A1 a bipolar plate is proposed which consists of three individual plates. However, the three plates are structured in the same way, that is, the cathode flow field, anode flow field and coolant flow field are identical.

Aus DE 10 2016 200 398 A1 und DE 10 2007 039 467 A1 sind Bipolarplatten bekannt, die auf einer Seite flach ausgeführt sind und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Anordnung von Abstandselementen oder einer Profilierung ein Flussfeld ausbilden. An das Flussfeld ist jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit angeordnet.Out DE 10 2016 200 398 A1 and DE 10 2007 039 467 A1 Bipolar plates are known which are flat on one side and form a flow field on the opposite side by the arrangement of spacers or profiling. To the flow field in each case a membrane-electrode unit is arranged.

Aus DE 10 2016 122 590 A1 sind Bipolarplatten bekannt, die aus zwei profilierten Blechlagen zusammengesetzt sind und an ihren Außenflächen Federvorsprünge aufweisen. Die Federvorsprünge geben bei in Stapelrichtung einwirkender Kraft nach und dienen der Aufnahme von Biegemomenten beim Zusammenbau und der Erhöhung der strukturellen Steifigkeit.Out DE 10 2016 122 590 A1 Bipolar plates are known, which are composed of two profiled sheet metal layers and having on their outer surfaces spring projections. The spring protrusions yield when applied in the stacking direction force and absorb the bending moments during assembly and increase the structural rigidity.

DE 10 2014 224 025 A1 beschreibt einen Separator für eine Brennstoffzelle, der aus einer ebenen Platte und einer daran planparallel angeordneten zickzackförmig gebogenen Platte aufgebaut ist. Um eine Strömung orthogonal zu dem Profil der gebogenen Platte zu ermöglichen, weist die gebogene Platte Öffnungen auf, welche Einlässe uns Auslässe für das Betriebsmittel bilden. DE 10 2014 224 025 A1 describes a separator for a fuel cell, which is constructed from a flat plate and a plane-parallel arranged zigzag curved plate. In order to allow a flow orthogonal to the profile of the curved plate, the curved plate has openings which inlets make us outlets for the resource.

Einigen der beschriebenen Bipolarplatten ist gemeinsam, dass es bei der Anordnung der Membran-Elektroden-Einheit an die Bipolarplatte zu einer sogenannten Intrusion der zur Membran-Elektroden-Einheit gehörigen Gasdiffusionsschicht (GDL) in die Kanäle des Flussfeldes kommt. Diese Intrusion, also Einwölbung von GDL-Material in die Strömungskanäle führt zu einer Verringerung deren Querschnitts. Dies ist nachteilig, da damit ein unerwünschter Druckanstieg in den Strömungskanälen und eine Leistungsminderung der Brennstoffzelle einhergeht. Some of the described bipolar plates have in common that in the arrangement of the membrane-electrode assembly to the bipolar plate to a so-called intrusion of the membrane-electrode assembly belonging gas diffusion layer (GDL) comes into the channels of the flow field. This intrusion, ie bulging of GDL material in the flow channels leads to a reduction in their cross-section. This is disadvantageous because it is associated with an undesirable pressure increase in the flow channels and a reduction in performance of the fuel cell.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Reduktion des Kanalquerschnitts in einer Brennstoffzelle zu verhindern oder zumindest zu verringern.The invention is based on the object to prevent or at least reduce a reduction of the channel cross-section in a fuel cell.

Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, sowie eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a bipolar plate according to the invention, as well as a fuel cell or a fuel cell system with such having the features of the independent claims.

Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich und einem inaktiven Bereich. Die Bipolarplatte umfasst einen Stapel mit einer Anodenplatte, einer Kathodenplatte und einer Kühlmittelplatte, die entlang ihrer Längsseiten übereinander gestapelt sind. Mit anderen Worten ist planparallel an der Anodenplatte eine Kühlmittelplatte angeordnet und planparallel an der Kühlmittelplatte eine Kathodenplatte angeordnet. Die Platten weisen jeweils eine im Wesentlichen ebene Seite auf. Erfindungsgemäß sind auf einer der ebenen Seite gegenüberliegenden Seite der Anoden- und Kathodenplatte, jeweils erste Abstandselemente angeordnet, die mit der jeweiligen Platte stoffschlüssig verbunden sind. Zusätzlich weisen die Anodenplatte und die Kathodenplatte im aktiven Bereich eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf.Thus, a first aspect of the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell having an active region and an inactive region. The bipolar plate comprises a stack having an anode plate, a cathode plate, and a coolant plate stacked along their longitudinal sides. In other words, a coolant plate is arranged plane-parallel to the anode plate and arranged plane-parallel to the coolant plate, a cathode plate. The plates each have a substantially flat side. According to the invention, in each case first spacer elements are arranged on a side opposite the flat side of the anode and cathode plates, which are connected in a material-locking manner to the respective plate. In addition, the anode plate and the cathode plate have a plurality of through holes in the active region.

Vorliegend ist unter eben zu verstehen, dass die Platte auf der betreffenden Seite eine zumindest im aktiven Bereich ebene, also flache Oberfläche aufweist, welche nicht durch Erhebungen, Auswölbungen oder Profilierungen strukturiert ist.In the present case, it is to be understood as meaning that the plate has on the relevant side a flat surface which is flat at least in the active region and which is not structured by elevations, bulges or profilings.

Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle bildet sich zwischen den ersten Abstandselementen ein Flussfeld mit Strömungskanälen für dasjeweilige Betriebsmittel, insbesondere für Brennstoff in der Ariodenplatte und Oxidationsmittel in der Kathodenplatte, aus. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen, dass die Kanäle von beiden Seiten der jeweiligen Platte mit Betriebsgas versorgt werden können. Somit ist es möglich, die Membran-Elektroden-Einheit an die flache Oberfläche der im Wesentlichen ebenen Seite der jeweiligen Platte anzuordnen. Die Betriebsgase strömen dann über die Gasdiffusionsschicht durch die Durchgangsöffnungen in das Flussfeld beziehungsweise andersherum. Die Anordnung der komprimierbaren Gasdiffusionsschicht auf der im Wesentlichen ebenen Seite der Platte verhindert wiederum eine Intrusion der Gasdiffusionsschicht in die Kanäle. Somit bleiben die Querschnitte des Flussfeldes der Platten auch im komprimierten Schichtstapel von der Gasdiffusionsschicht unbeeinflusst. Zudem verhindert die beschriebene Anordnung, dass Bereiche der Bipolarplatte punktuell beziehungsweise kleinflächig auf die Gasdiffusionsschicht Druck ausüben und die Gasdiffusionsschicht in der Folge inhomogen zusammengepresst wird. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte reduziert demnach eine lokale Erhöhung des Strömungswiderstands der Betriebsgase sowohl im Flussfeld der Bipolarplatte als auch in der an der Bipolarplatte angeordneten Gasdiffusionsschicht.In an arrangement of the bipolar plate according to the invention in a fuel cell, a flow field with flow channels for the respective operating medium, in particular for fuel in the ariode plate and oxidizing agent in the cathode plate, forms between the first spacer elements. The through holes allow the channels to be supplied with operating gas from both sides of the respective plate. Thus, it is possible to arrange the membrane-electrode assembly on the flat surface of the substantially flat side of the respective plate. The operating gases then flow via the gas diffusion layer through the passage openings into the flow field or vice versa. The placement of the compressible gas diffusion layer on the substantially planar side of the plate in turn prevents intrusion of the gas diffusion layer into the channels. Thus, the cross sections of the flow field of the plates remain unaffected even in the compressed layer stack of the gas diffusion layer. In addition, the arrangement described prevents areas of the bipolar plate from exerting punctual or small-area pressure on the gas diffusion layer and the gas diffusion layer is subsequently compressed in an inhomogeneous manner. The bipolar plate according to the invention accordingly reduces a local increase in the flow resistance of the operating gases both in the flow field of the bipolar plate and in the gas diffusion layer arranged on the bipolar plate.

Bei den Durchgangsöffnungen handelt es sich im Wesentlichen um Löcher, welche nahezu beliebige Form und Größe aufweisen können. Insbesondere bevorzugt sind regelmäßige Formen wie Kreise, Ellipsen, Rechtecke, Quadrate oder regelmäßige Vielecke.The passage openings are essentially holes which can have almost any shape and size. Particularly preferred are regular shapes such as circles, ellipses, rectangles, squares or regular polygons.

Zwischen den Durchgangsöffnungen ist die jeweilige Platte zumindest im aktiven Bereich eben ausgeführt, weist also keinerlei Profilierung, insbesondere keine Erhebungen und keine Ausnehmungen beziehungsweise Vertiefungen auf. Eine Summe der sich zwischen den Durchgangsöffnungen ergebenden Fläche der jeweiligen Platte im aktiven Bereich entspricht bevorzugt zumindest der Fläche aller Durchgangsöffnungen im aktiven Bereich der jeweiligen Platte.Between the passage openings, the respective plate is made even at least in the active area, thus has no profiling, in particular no elevations and no recesses or depressions. A sum of the area of the respective plate in the active area which results between the passage openings preferably corresponds at least to the area of all passage openings in the active area of the respective panel.

Mit besonderem Vorteil entspricht die Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen im aktiven Bereich der Platte bevorzugt mindestens 50 %, weiter bevorzugt zumindest 60 %, insbesondere 70 % oder mehr, weiter bevorzugt mindestens 75 % der Fläche des aktiven Bereichs der jeweiligen Platte. Je größer die Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen ausgeführt ist, desto homogener verteilt sich der Druck der Platte auf die Gasdiffusionsschicht bei Anordnung in einer, insbesondere komprimierten Brennstoffzelle und desto deutlicher wird eine Intrusion und eine Erhöhung des Strömungswiderstands der Betriebsgase reduziert.With particular advantage, the area between the passage openings in the active region of the plate preferably corresponds to at least 50%, more preferably at least 60%, in particular 70% or more, more preferably at least 75% of the area of the active region of the respective plate. The larger the area between the through holes is made, the more homogeneous the pressure of the plate is distributed to the gas diffusion layer when placed in a particularly compressed fuel cell and the more clearly an intrusion and an increase in the flow resistance of the operating gases is reduced.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kathodenplatte und/oder die Anodenplatte derart an der Kühlmittelplatte angeordnet ist, dass die ersten Abstandselemente der Kathodenplatte beziehungsweise der Anodenplatte mit einer ebenen Seite der Kühlmittelplatte in Kontakt sind.. Mit anderen Worten ist bevorzugt die flache beziehungsweise ebene Seite der Kathodenplatte und/oder der Anodenplatte von der Kühlmittelplatte abgewandt. In der Folge bilden sich zwischen Kathodenplatte und Kühlmittelplatte beziehungsweise zwischen Anodenplatte und Kühlmittelplatte die Kanäle des Flussfeldes des jeweiligen Betriebsgases aus. Die Kühlmittelplatte dient dabei als fluidundurchlässige Begrenzung, so dass keine weiteren Bauteile erforderlich sind. Alternativ weist die Platte eine separate Begrenzung auf, die beispielsweise als zusätzliche Platte an den ersten Abstandselementen angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the cathode plate and / or the anode plate is arranged on the coolant plate, that the first spacer elements of the cathode plate or the anode plate with a flat side of the coolant plate in contact .. In other words, is preferably the flat or flat side of the cathode plate and / or the anode plate of the coolant plate away. As a result, the channels of the flow field of the respective operating gas are formed between the cathode plate and the coolant plate or between the anode plate and the coolant plate. The coolant plate serves as a fluid-impermeable boundary, so that no further components are required. Alternatively, the plate has a separate boundary, which is arranged for example as an additional plate on the first spacer elements.

Mit Vorteil weist die Kühlmittelplatte im aktiven Bereich eine geschlossene Oberfläche auf. Dies stellt sicher, dass insbesondere bei der vorgenannten Ausführungsform eine Vermischung der Betriebsgase mit Kühlmittel oder ein Entweichen von Kühlmittel ausgeschlossen wird.Advantageously, the coolant plate has a closed surface in the active region. This ensures that, in particular in the aforementioned embodiment, a mixing of the operating gases with coolant or an escape of coolant is excluded.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelplatte zwei fläche, insbesondere ebene und im aktiven Bereich geschlossene Platten umfasst, welche über zweite Abstandselemente miteinander verbunden sind. Die zweiten Abstandselemente dienen dabei als Abstandshalter, beispielsweise in Form von Stegen und Stäbilisatoren der Kühlmittelplatte. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einer in sich geschlossenen Einheit der Kühlmittelplatte, wobei die beiden Begrenzungsplatten der Kühlmittelplatte jeweils als Begrenzung für das Flussfeld der benachbart angeordneten Kathoden- beziehungsweise Anodenplatte dienen. Die Platten der Kühlmittelplatte begrenzen also in dieser Ausgestaltung je zwei Flussfelder, das Kathodengasflussfeld und das Kühlmittelflussfeld oder das Anodenflussfeld und das Kühlmittelflussfeld.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the coolant plate comprises two surface, in particular flat and closed in the active region plates, which are interconnected via second spacers. The second spacers serve as spacers, for example in the form of webs and Stäbilisatoren the coolant plate. The advantage of this embodiment lies in a self-contained unit of the coolant plate, wherein the two boundary plates of the coolant plate each serve as a boundary for the flow field of the adjacently arranged cathode or anode plate. Thus, in this embodiment, the plates of the coolant plate each delimit two flow fields, the cathode gas flow field and the coolant flow field or the anode flow field and the coolant flow field.

Dabei sind die zweiten Abstandselemente bevorzugt mit zumindest einer der beiden Platten stoffschlüssig verbunden, wobei die stoffschlüssige Verbindung auch umfasst, dass die Begrenzungsplatte und zweite Abstandselemente einstückig ausgebildet sind. Die zweite Platte ist bevorzugt separat ausgeführt und steht mit den zweiten Abstandselementen in Kontakt. Alternativ ist auch die zweite Platte stoffschlüssig mit den zweiten Abstandselementen verbunden. Dabei bietet die separate Ausgestaltung den Vorteil höherer Flexibilität und Freiheitsgrade in der Produktion, während die verbundene Ausgestaltung Vorteile in Bezug auf Dichtigkeit und Stabilität bieten kann.In this case, the second spacer elements are preferably materially connected to at least one of the two plates, wherein the cohesive connection also includes that the boundary plate and second spacer elements are integrally formed. The second plate is preferably designed separately and is in contact with the second spacer elements. Alternatively, the second plate is materially connected to the second spacer elements. The separate design offers the advantage of higher flexibility and degrees of freedom in production, while the connected design can offer advantages in terms of tightness and stability.

Mit besonderem Vorteil sind die ersten Abstandselemente und/oder die zweiten Abstandselemente bezüglich einer Stapelrichtung der Platten übereinander positioniert. Solche Auslegungen fördern die mechanische Stabilität von Bipolarplatten, da somit die im Stapel auf die Bipolarplatte einwirkenden Anpresskräfte an solchen Positionierungen gestützt werden. Dabei können sich vorteilhaft kurze „Kraftflüsse“ entlang solcher Positionierungen ausbilden, die geringe lokale Spannungen in der Plattenkonstruktion erzeugen und somit zur Bruchresistenz beitragen.With particular advantage, the first spacer elements and / or the second spacer elements are positioned one above the other with respect to a stacking direction of the plates. Such designs promote the mechanical stability of bipolar plates, since thus the contact forces acting in the stack on the bipolar plate are supported at such positions. In this case, short "power flows" can advantageously be formed along such positions, which generate low local stresses in the plate construction and thus contribute to resistance to breakage.

Die Anodenplatte weist vorteilhaft eine erste Gesamthöhe, die Kühlmittelplatte eine zweite Gesamthöhe, die Kathodenplatte eine dritte Gesamthöhe auf, wobei sich mindestens zwei der drei Gesamthöhen, insbesondere die der Kühlmittelplatte, von den Gesamthöhen der Kathoden- und der Anodenplatte voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an den jeweiligen geforderten Raumbedarf für die jeweiligen Flussfelder. Mit Vorteil sind die Gesamthöhen von Kathodenplatte und Anodenplatte gleich und gegenüber der Gesamthöhe der Kühlmittelplatte reduziert.The anode plate advantageously has a first overall height, the coolant plate has a second overall height, the cathode plate has a third overall height, at least two of the three overall heights, in particular those of the coolant plate, differing from the overall heights of the cathode plate and the anode plate. This allows flexible adaptation to the respective required space requirement for the respective flow fields. Advantageously, the overall heights of the cathode plate and anode plate are the same and reduced over the total height of the coolant plate.

Die Anoden- und/oder die Kathodenplatte weist bevorzugt eine Gesamthöhe im Bereich von 200 µm bis 400 µm, insbesondere im Bereich von 250 bis 300 µm auf. Die einzelnen Platten der Kühlmittelplatte weisen bevorzugt je eine Dicke im Bereich von 80 bis 120 µm insbesondere von 100 µm auf, die sich mit den 200 µm langen zweiten Abstandselementen zu einer Gesamthöhe der Kühlmittelplatte von 350 bis 450, insbesondere 400 µm summieren. Die vorgenannten Höhen erwiesen sich als in Bezug auf den Kompromiss zwischen möglichst großen Kanaldurchmessern für Betriebsgase und möglichst hoher Stabilität der Platte als optimal.The anode and / or the cathode plate preferably has an overall height in the range of 200 .mu.m to 400 .mu.m, in particular in the range of 250 to 300 .mu.m. The individual plates of the coolant plate preferably each have a thickness in the range of 80 to 120 .mu.m, in particular of 100 .mu.m, which add up to a total height of the coolant plate from 350 to 450, especially 400 microns with the 200 .mu.m long second spacers. The aforementioned heights proved to be optimal in relation to the compromise between the largest possible channel diameters for operating gases and the highest possible stability of the plate.

Damit ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte bevorzugt eine Gesamthöhe von nicht mehr als 2 mm aufweist und bevorzugt in einem Bereich von 1,1 mm bis 2 mm ist.This results in that the bipolar plate according to the invention preferably has an overall height of not more than 2 mm and is preferably in a range of 1.1 mm to 2 mm.

Die ersten Abstandselemente der Kathodenplatte und/oder der Anodenplatte und/oder die zweiten Abstandselemente der Kühlmittelplatte bilden vorzugsweise jeweils ein zweidimensionales Gitter aus. Dadurch wird eine strenge Kanalstruktur für die Kühlmittelversorgung vermieden, was Querströme im Kühlkanal-Flussfeld ermöglicht.The first spacer elements of the cathode plate and / or the anode plate and / or the second spacer elements of the coolant plate preferably each form a two-dimensional grid. As a result, a strict channel structure for the coolant supply is avoided, which allows cross currents in the cooling channel flow field.

Bevorzugt bilden die ersten Abstandselemente und/oder die zweiten Abstandselemente unabhängig voneinander ein Rechteck-, Quadrat- oder Dreieckgitter aus.The first spacer elements and / or the second spacer elements preferably form a rectangular, square or triangular grid independently of one another.

Vorzugsweise haben die ersten Abstandselemente dreieckige, viereckige, fünfeckige, sechseckige oder runde Grundflächen von bis zu 2 µm², bevorzugt nicht mehr als 1 µm² Grundfläche.The first spacer elements preferably have triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal or round base surfaces of up to 2 μm ² , preferably not more than 1 μm ² base surface.

Mit Vorteil sind die Durchgangsöffnungen dann in den Zwischengitterplätzen, insbesondere in Reihen angeordnet. Dabei sind die Reihen bevorzugt versetzt oder nicht versetzt zueinander angeordnet. In letztgenannter Ausgestaltung bilden die Durchgangsöffnungen ebenfalls ein zweidimensionales Gitter aus, welches zu dem Gitter der ersten Abstandselemente in zwei Richtungen um je eine halbe Gitterkonstante versetzt ist.Advantageously, the passage openings are then arranged in the interstices, in particular in rows. The rows are preferably offset or not offset from each other. In the last-mentioned embodiment, the passage openings also form two-dimensional grid, which is offset from the grid of the first spacer elements in two directions by half a lattice constant.

Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass die ersten Abstandselemente einer der Platten ein zweidimensionales Gitter ausbilden und die Durchgangsöffnungen der entsprechenden Platte zwischen den Gitterpunkten, insbesondere entlang einer Reihe von ersten Abstandselementen und/oder in Reihe zwischen zwei benachbarten Reihen von ersten Abstandselementen des Gitters angeordnet sind.In other words, it is preferred that the first spacer elements of one of the plates form a two-dimensional grid and the passage openings of the corresponding plate are arranged between the grid points, in particular along a row of first spacer elements and / or in series between two adjacent rows of first grid spacing elements ,

Mit besonderem Vorteil weisen die ersten Abstandselemente von Anoden- und/oder Kathodenplatte ausgehend von der stoffschlüssigen Verbindung mit der jeweiligen Platte bezogen auf den Querschnitt eine verjüngende Form auf. Diese Ausgestaltung bietet Vorteile in der Stabilisierung und Kraftverteilung bei Anordnung und Komprimierung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle und ermöglicht gleichzeitig eine Erhöhung der Kanaldurchmesser des jeweiligen Flussfeldes.With particular advantage, the first spacer elements of anode and / or cathode plate, starting from the cohesive connection with the respective plate with respect to the cross section on a tapered shape. This embodiment offers advantages in the stabilization and force distribution in the arrangement and compression of the bipolar plate according to the invention in a fuel cell and at the same time allows an increase in the channel diameter of the respective flow field.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßen Bipolarplatten umfasst. Dabei umfasst die Membran-Elektroden-Einheit bevorzugt eine Gasdiffusionsschicht, welche an der ebenen Seite der Kathodenplatte und/oder der ebenen Seite der Anodenplatte angeordnet ist.Another aspect of the invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack comprising a stack between two end plates of alternately arranged membrane-electrode assemblies and bipolar plates according to the invention. In this case, the membrane-electrode unit preferably comprises a gas diffusion layer, which is arranged on the flat side of the cathode plate and / or the flat side of the anode plate.

Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.Furthermore, the invention relates to a fuel cell system and a vehicle having a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention. The vehicle is preferably an electric vehicle in which an electrical energy generated by the fuel cell system is used to supply an electric traction motor and / or a traction battery.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

• 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
• 2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung;
• 3 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte in Aufsicht auf diese;
• 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer bevorzugten Ausgestaltung;
• 5 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung;
• 6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Schrägansicht;
• 7 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Elektrodenplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausführungsform in Aufsicht auf die ebene Seite;
• 8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Elektrodenplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der bevorzugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die der ebene Seite gegenüberliegenden Seite;
• 9 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kühlmittelplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die ebene Seite; und
• 10 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kühlmittelplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der bevorzugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die der ebene Seite gegenüberliegenden Seite.

The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

• 1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment;
• 2 a plan view of a membrane-electrode assembly;
• 3 a schematic representation of a bipolar plate in top view of this;
• 4 a schematic sectional view of a section of a fuel cell stack according to the invention in a preferred embodiment;
• 5 a schematic sectional view of a section of a bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment;
• 6 a schematic representation of a section of a fuel cell stack according to the invention in an oblique view;
• 7 a schematic representation of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in plan view of the flat side;
• 8th a schematic representation of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side;
• 9 a schematic representation of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view of the flat side; and
• 10 a schematic representation of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a fuel cell system generally designated 100 according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a not further illustrated vehicle, in particular an electric vehicle having an electric traction motor, by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having alternately stacked membrane-electrode assemblies (MEAs) 14 and bipolar plates 15 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 , which is an ion-conducting polymer electrolyte membrane not shown here and on both sides arranged thereon catalytic electrodes, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell reaction and in particular can be formed as coatings on the membrane. The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material. Between a bipolar plate 15 and the anode thus becomes an anode compartment 12 formed and between the cathode and the next bipolar plate 15 the cathode compartment 13 , The bipolar plates 15 serve to supply the operating media in the anode and cathode rooms 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers may be interposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 be arranged.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.To the fuel cell stack 10 to supply with the operating media, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.The anode supply 20 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable. In addition, the anode supply can 20 as shown, a fuel recirculation line 25 comprising the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack. In the fuel recirculation line 25 is another adjusting agent 26 arranged, with which the recirculation rate is adjustable.

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplying an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown. For conveying and compressing the cathode operating medium is in the cathode supply path 31 a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 designed as a mainly electric motor driven compressor whose drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows. The compressor 33 may also be through a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) are supported by a common shaft (not shown) driven.

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment, a wastegate line 37 having the cathode supply line 31 with the cathode exhaust gas line 32 connects, so a bypass of the fuel cell stack 10 represents. The wastegate pipe 37 allows excess air mass flow at the fuel cell stack 10 to pass without the compressor 33 shut down. One in the wastegate pipe 37 arranged adjusting means 38 serves to control the amount of the fuel cell stack 10 immediate cathode operating medium. All adjusting means 24 . 26 . 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps. Corresponding further actuating means can be in the lines 21 . 22 . 31 and 32 be arranged to the fuel cell stack 10 isolate from the environment.

Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.The fuel cell system 100 may also be a humidifier module 39 exhibit. The humidifier module 39 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas. The humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane in the cathode operating gas, which is moistened in this way.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. Thus, in the anode and / or cathode exhaust path 22 . 32 one Water separator be installed in order to condense the product water resulting from the fuel cell reaction and dissipate. Finally, the anode exhaust gas line 22 into the cathode exhaust gas line 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.

Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.The 2 and 3 each show an exemplary membrane electrode assembly 14 and bipolar plate 15 according to the invention in a plan view.

Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Anodeneinlässöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels.Both components are subdivided into an active area AA and inactive areas IA , The active area AA is characterized by the fact that fuel cell reactions take place in this area. For this purpose, the membrane electrode assembly 14 in the active area AA on both sides of the polymer electrolyte membrane, a catalytic electrode 143 on. The inactive areas IA , each can be divided into service areas SA and distribution areas THERE divide. Within the service areas SA are supply openings 144 to 147 from the membrane electrode assembly 14 respectively 154 to 159 from the bipolar plate 15 arranged in the stacked state substantially aligned with each other and main supply channels within the fuel cell stack 10 form. The anode inlet openings 144 respectively 154 serve to supply the anode operating gas, so the fuel, for example hydrogen. The anode outlet openings 145 respectively 155 serve the discharge of the anode exhaust gas after overflow of the active area AA , The cathode inlet openings 146 respectively 156 serve to supply the cathode operating gas, which is in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air. The cathode outlet openings 147 respectively 157 serve the discharge of the cathode exhaust gas after overflow of the active area AA , The coolant inlet openings 148 respectively 158 serve the supply and the coolant outlet 149 respectively 159 the discharge of the coolant.

Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst.The MEA 14 has an anode side 141 on that in 2 is visible. Thus, the illustrated catalytic electrode is 143 formed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane. In the 2 invisible cathode side 142 has a corresponding catalytic electrode, here the cathode. The polymer electrolyte membrane can spread over the entire spread of the membrane-electrode assembly 14 extend, but at least over the active area AA , In the inactive areas IA For example, a reinforcing carrier foil can be arranged which encloses the membrane.

Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 Dichtungen angedeutet.In the 3 illustrated bipolar plate 15 also has a visible cathode side in the illustration 152 on and an invisible anode side 151 , In typical embodiments, the bipolar plate is 15 composed of two joined plate halves, the anode plate and the cathode plate. On the illustrated cathode side 152 are resource channels 153 formed as open channel-like channel structures, which the cathode inlet opening 156 with the cathode outlet opening 157 connect. Only five exemplary resource channels are shown 153 , where usually a much larger number is available. Likewise, the not visible here anode side 151 corresponding resource channels, which the anode inlet opening 154 with the anode outlet opening 155 connect. These operating medium channels for the anode operating medium are also designed as open, channel-like channel structures. Inside the bipolar plate 15 , in particular between the two plate halves, extend enclosed coolant channels, which the coolant inlet opening 158 with the coolant outlet opening 151 connect. With the broken lines are in 3 Seals indicated.

Als Material für die jeweiligen Platten können Metalle oder Metalllegierungen oder leitfähige kohlenstoffbasierte Materialien, wie beispielsweise Graphit oder Kompositmaterialien aus Graphit und Kohlenstoff, verwendet werden.As the material for the respective plates, metals or metal alloys or conductive carbon-based materials such as graphite or composite materials of graphite and carbon may be used.

Die 4, 5 und 6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 im aktiven Bereich AA des Brennstoffzellenstapels 10. Dabei zeigen die 4 und 5 je eine Querschnittsdarstellung, wohingegen in 6 der Brennstoffzellenstapel in einer Schrägansicht gezeigt ist. Gezeigt ist je ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15, die in den 4 und 6 beidseits an eine Membran 14 angeordnet ist.The 4 . 5 and 6 each show a schematic representation of a section of a fuel cell stack according to the invention 10 in the active area AA of the fuel cell stack 10 , The show 4 and 5 each a cross-sectional representation, whereas in 6 the fuel cell stack is shown in an oblique view. Shown is ever a section of a bipolar plate according to the invention 15 that in the 4 and 6 on both sides of a membrane 14 is arranged.

Die Bipolarplatte 15 umfasst eine Ariodenplatte 50, eine daran angeordnete Kühlmittelplatte 60 und eine an die Kühlmittelplatte 60 angeordnete Kathodenplatte 70, die entlang ihrer Längsseiten übereinander gestapelt sind.The bipolar plate 15 includes an ariode plate 50 , a coolant plate arranged thereon 60 and one to the coolant plate 60 arranged cathode plate 70 that are stacked along their long sides.

Die Anodenplatte 50 und die Kathodenplatte 70 sind vom grundsätzlichen Aufbau her gleich und werden daher im Weiteren gemeinsam unter dem Begriff der Elektrodenplatte 50, 70 beschrieben. Dabei sei angemerkt, dass die zu beschreibenden Ausführungsformen unabhängig voneinander jeweils für die Anodenplatte 50 und die Kathodenplatte 70 gelten.The anode plate 50 and the cathode plate 70 are the same in their basic structure and will therefore be referred to collectively under the term of the electrode plate 50 . 70 described. It should be noted that the embodiments to be described independently of each other for the anode plate 50 and the cathode plate 70 be valid.

Die Elektrodenplatten 50, 70 weisen jeweils eine ebene Seite 54, 74 auf. Die ebene Seite 54, 74 weist keine Profilierung, also keine Erhebungen oder Kanalstrukturen auf. Im Brennstoffzellenstapel 10 ist die Membran-Elektroden-Einheit 14 an je eine dieser ebenen Seiten 54, 74 einer Anodenplatte 50 und einer Kathodenplatte 70 angeordnet.The electrode plates 50 . 70 each have a flat side 54 . 74 on. The flat side 54 . 74 has no profiling, so no surveys or Channel structures on. In the fuel cell stack 10 is the membrane-electrode unit 14 to each one of these even pages 54 . 74 an anode plate 50 and a cathode plate 70 arranged.

7 zeigt eine Elektrodenplatte 50, 70 in Aufsicht auf die ebene Seite 54, 74. Die ebene Seite 54, 74 ist im aktiven Bereich insbesondere in regelmäßigen Abständen von Durchgangsöffnungen 53, 73 durchbrochen. Die Durchgangsöffnungen 53, 73 können nahezu jede beliebige Form und Größe aufweisen. Vorteilhaft ist jedoch, dass sie regelmäßig angeordnet sind und eine regelmäßige Form, beispielsweise eine runde, elliptische, rechteckige quadratische oder vieleckige Grundform aufweisen. Die Durchgangsöffnungen 53, 73 sind bevorzugt gitterförmig angeordnet, wobei die Mittelpunkte der Durchgangsöffnungen 53, 73 jeweils die Gitterpunkte des Gitters bilden. 7 shows an electrode plate 50 . 70 in supervision on the flat side 54 . 74 , The flat side 54 . 74 is in the active area, in particular at regular intervals of passage openings 53 . 73 breached. The passage openings 53 . 73 can have almost any shape and size. It is advantageous, however, that they are regularly arranged and have a regular shape, for example a round, elliptical, rectangular square or polygonal basic shape. The passage openings 53 . 73 are preferably arranged in a grid, wherein the centers of the through holes 53 . 73 each form the grid points of the grid.

Die ebene Fläche zwischen den Gitterpunkten ist in Summe bezogen auf den aktiven Bereich bevorzugt mindestens ebenso groß, wie die Summe der Fläche der Durchgangsöffnungen 53, 73.The flat area between the grid points is preferably at least as large as the sum of the area of the through openings in relation to the active area 53 . 73 ,

Auf der der ebenen Seite 54, 74 gegenüberliegenden Seite der Elektrodenplatte 50, 70 weist diese erste Abstandselemente 52, 72 auf. Diese sind benachbart zu den Durchgangsöffnungen angeordnet und besetzten bevorzugt Zwischengitterplätze des durch die Durchgangsöffnungen 53, 73 gebildeten Gitters. Unabhängig von der Anordnung der Durchgangsöffnungen 53, 73 bilden die ersten Abstandselemente 52, 72 selbst ein zweidimensionales Gitter aus.On the level side 54 . 74 opposite side of the electrode plate 50 . 70 has these first spacers 52 . 72 on. These are arranged adjacent to the passage openings and preferably occupied interstices of the through openings 53 . 73 formed grid. Regardless of the arrangement of the through holes 53 . 73 form the first spacers 52 . 72 even a two-dimensional grid.

Die Durchgangsöffnungen 53, 73 haben bevorzugt eine Größe von 1 bis 2 µm², wobei eine Seitenlänge bzw. der Durchmesser der Durchgangsöffnung 53, 73 bevorzugt im Bereich von 500 bis 1000 µm liegt.The passage openings 53 . 73 preferably have a size of 1 to 2 microns ² , wherein one side or the diameter of the passage opening 53 . 73 preferably in the range of 500 to 1000 microns.

Die ersten Abstandselemente 52, 72 sind mit der Platte 51, 71 der Elektrodenplatte 50, 70 stoffschlüssig verbunden. Vorliegend liegt auch in einer einstückigen Ausführung der Elektrodenplatte 50, 70 mit den ersten Abstandselementen 52, 72 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den ersten Abstandselementen 52, 72 und der Platte 51, 71 vor.The first spacers 52 . 72 are with the plate 51 . 71 the electrode plate 50 . 70 cohesively connected. In the present case also lies in a one-piece design of the electrode plate 50 . 70 with the first spacers 52 . 72 a cohesive connection between the first spacer elements 52 . 72 and the plate 51 . 71 in front.

Die ersten Abstandselemente 52, 72 sind insbesondere in den 4-6 und 8 deutlich zu erkennen. In den gezeigten Ausgestaltungen verjüngen sich die ersten Abstandselemente 52, 72 ausgehend von der stoffschlüssigen Verbindung. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt, weil sie den Kanalquerschnitt erhöht, jedoch keineswegs zwingend. Alternativ verlaufen die ersten Abstandselemente auch zwischen den Kontaktstellen mit der Platte 51, 71 und Kühlmittelplatte 60 gerade oder verjüngen sich mittig, so dass die Kontaktflächen an beiden Platten 51 bzw. 71 und 60 im Wesentlichen gleich groß sind.The first spacers 52 . 72 especially in the 4-6 and 8th clearly visible. In the embodiments shown, the first spacers taper 52 . 72 starting from the cohesive connection. This embodiment is preferred because it increases the channel cross-section, but by no means mandatory. Alternatively, the first spacers also extend between the contact points with the plate 51 . 71 and coolant plate 60 straight or tapering in the middle, leaving the contact surfaces on both plates 51 respectively. 71 and 60 are essentially the same size.

Der Abstand zwischen den ersten Abstandselementen 52, 72 liegt bevorzugt im Bereich von 300 bis 700 µm, bevorzugt im Bereich von 450 bis 550, besonders bevorzugt bei 500 µm. Dabei bezieht sich der Abstand auf die Entfernung zwischen den Kontaktstellen benachbarter erster Abstandselemente 52, 72 auf der Elektrodenplatte.The distance between the first spacers 52 . 72 is preferably in the range from 300 to 700 .mu.m, preferably in the range from 450 to 550, particularly preferably 500 .mu.m. In this case, the distance refers to the distance between the contact points of adjacent first spacer elements 52 . 72 on the electrode plate.

Die Elektrodenplatten 50, 70 sind wie in den Figuren gezeigt derart im Schichtstapel angeordnet, dass die ersten Abstandselemente mit einer ebenen Seite 63 der Kühlmittelplatte 60 kontaktieren. Dadurch fungiert die ebene Seite 63 der Kühlmittelplatte 60 als Begrenzung für Betriebsmittelkanäle eines Flussfeldes zwischen den ersten Abstandselementen 52, 72. Die Kanalhöhe 58, 78 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 100 und 500 µm, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400 µm, besonders bevorzugt bei 250 bis 300 µm.The electrode plates 50 . 70 are arranged in the layer stack as shown in the figures, that the first spacer elements with a flat side 63 the coolant plate 60 to contact. This acts the flat side 63 the coolant plate 60 as a limitation for resource channels of a flow field between the first spacer elements 52 . 72 , The channel height 58 . 78 is preferably in the range between 100 and 500 .mu.m, preferably in the range of 200 to 400 .mu.m, particularly preferably 250 to 300 microns.

Bei einer bevorzugten Dicke der Platte 51, 71 der Elektrodenplatte 50, 70 von 80 bis 120 µm, bevorzugt 100 µm, ergibt sich eine Gesamthöhe 59, 79 der Elektrodenplatte unabhängig von einander von 200 bis 400 µm, insbesondere von 300 bis 400 µm, bevorzugt von 350 µm.At a preferred thickness of the plate 51 . 71 the electrode plate 50 . 70 from 80 to 120 .mu.m, preferably 100 .mu.m, results in an overall height 59 . 79 the electrode plate independently of each other from 200 to 400 .mu.m, in particular from 300 to 400 .mu.m, preferably of 350 .mu.m.

Eine im Schichtstapel zwischen den Elektrodenplatten 50, 70 angeordnete Kühlmittelplatte 60 ist in einer bevorzugten Ausführungsform wie in den 9 und 10 gezeigt ausgestaltet. Die Kühlmittelplatte60 umfasst eine ebene Platte 63, die auch im aktiven Bereich geschlossen, also ohne Durchgangsöffnungen, ausgebildet ist. Auf einer Seite der ebenen Platte 63 sind zweite Abstandselemente 62 angeordnet und fest, insbesondere stoffschlüssig beziehungsweise einstückig mit der ebenen Platte verbunden. Die Oberfläche der ebenen Platte 63 weist auf der den zweiten Abstandselementen 62 abgewandten Seite keine Erhöhungen oder Vertiefungen auf, sondern ist im Wesentlichen flach beziehungsweise eben ausgeführt.One in the layer stack between the electrode plates 50 . 70 arranged coolant plate 60 is in a preferred embodiment as in the 9 and 10 shown designed. The coolant plate 60 comprises a flat plate 63 , which is also closed in the active area, that is formed without through holes. On one side of the flat plate 63 are second spacers 62 arranged and fixed, in particular cohesively or integrally connected to the flat plate. The surface of the flat plate 63 points to the second spacers 62 facing away from elevations or depressions, but is essentially flat or flat.

Die zweiten Abstandselemente 62 weisen ebenso wie die ersten Abstandselemente 52, 72 der Elektrodenplatten 50, 70 eine regelmäßige Grundform auf und erstrecken sich im Wesentliche senkrecht zu der Oberfläche der ebenen Platte 63. Zumindest bei Anordnung in einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 stehen die zweiten Abstandselemente 62 mit einer weiteren ebenen Platte 63 in Kontakt. Zwischen den beiden durch die zweite Abstandselemente 62 beabstandeten ebenen Platten 63 bildet sich ein Kühlmittelströmungsfeld aus dessen Höhe von den zweiten Abstandselementen 62 definiert wird und im Bereich von 150 bis 250 µm, insbesondere bei 200 µm liegt. Mit einer bevorzugten Plattenhöhe der ebenen Platten 63 unabhängig voneinander im Bereich von 80 bis 120 µm, vorzugsweise von 100 µm ergibt sich eine bevorzugte Gesamthöhe 69 der Kühlmittelplatte 60 im Bereich von 300 bis 500 µm, vorzugsweise von 400 µm.The second spacers 62 have as well as the first spacers 52 . 72 the electrode plates 50 . 70 a regular basic shape and extending substantially perpendicular to the surface of the flat plate 63 , At least when arranged in a bipolar plate according to the invention 15 stand the second spacers 62 with another flat plate 63 in contact. Between the two through the second spacers 62 spaced flat plates 63 a coolant flow field is formed from the height of the second spacers 62 is defined and in the range of 150 to 250 .mu.m, in particular 200 microns. With a preferred plate height the flat plates 63 independently of each other in the range of 80 to 120 .mu.m, preferably of 100 .mu.m results in a preferred total height 69 the coolant plate 60 in the range of 300 to 500 μm, preferably 400 μm.

Die zweiten Abstandselemente 62 bilden ein zweidimensionales Gitter aus, welches bezogen auf eine Stapelrichtung aller zur erfindungsgemäßen Bipolarplatte 15 gehörigen Platten bevorzugt über dem Gitter der ersten Abstandselemente 52, 72 positioniert ist. Die Grundfläche der zweiten Abstandselemente 62, also die Kontaktfläche der zweiten Abstandselemente 62 mit den ebenen Platten 63 der Kühlmittelplatte 60, weisen wie in 4 gezeigt bevorzugt die gleiche Größe auf, wie die Kontaktfläche der ersten Abstandselemente mit der ebenen Platte 63 der Kühlmittelplatte 60. Alternativ sind sie größer (wie in 5 gezeigt) oder kleiner (nicht gezeigt) ausgeführt. Beides dient einer Verschiebung des Kompromisses zwischen Strömungskanalgröße und Plattenstabilität.The second spacers 62 form a two-dimensional grid, which, based on a stacking direction, all of the bipolar plate according to the invention 15 associated plates preferably over the grid of the first spacers 52 . 72 is positioned. The base of the second spacers 62 , So the contact surface of the second spacer elements 62 with the flat plates 63 the coolant plate 60 , show as in 4 Preferably, they are the same size as the contact surface of the first spacers with the flat plate 63 the coolant plate 60 , Alternatively, they are larger (as in 5 shown) or smaller (not shown). Both serve to shift the trade-off between flow channel size and plate stability.

Alle Platten 50, 60 und 70 können unabhängig voneinander aus einem Kohlenstoffmaterial, wie Graphit, oder einen Metall gefertigt sein. Die Geometrie und bevorzugten Größen ermöglichen eine Fertigung der Platten aus Grafoil beispielsweise mittels Stanz- oder Prägeverfahren.All plates 50 . 60 and 70 may independently be made of a carbon material such as graphite or a metal. The geometry and preferred sizes make it possible to manufacture the plates from Grafoil, for example by means of stamping or stamping processes.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 15 ermöglicht die Vermeidung einer Reduktion der Strömungskanäle durch Intrusion einer zur Membran-Elektrodeneinheit gehörigen Gasdiffusionsschicht, da diese an die ebene Platte der Elektrodenplatten 50, 70 angeordnet wird und aufgrund der großflächigen Kontaktfläche keine lokalen Druckpunkte ausbildet.The bipolar plate according to the invention 15 makes it possible to avoid a reduction of the flow channels by intrusion of a gas diffusion layer belonging to the membrane electrode unit, as these to the flat plate of the electrode plates 50 . 70 is arranged and forms no local pressure points due to the large contact area.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100

Brennstoffzellensystem The fuel cell system

1010

Brennstoffzellenstapelfuel cell stack

1111

Einzelzellesingle cell

1212

Anodenraumanode chamber

1313

Kathodenraum cathode space

1414

Membran-Elektroden-Anordnung (MEÄ)Membrane electrode assembly (MEA)

141141

Anodenseiteanode side

142142

Kathodenseitecathode side

143143

katalytische Elektrode / Anodecatalytic electrode / anode

144144

Versorgungsöffnung / AnodeneinlassöffnungSupply opening / anode inlet opening

145145

Versorgungsöffnung / AnodenauslassöffnungSupply opening / anode outlet opening

146146

Versorgungsöffnung / KathodeneinlassöffnungSupply opening / cathode inlet opening

147147

Versorgungsöffnung / KathodenauslassöffnungSupply opening / cathode outlet opening

148148

Versorgungsöffnung / KühlmitteleinlassöffnungSupply opening / coolant inlet opening

149149

Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Supply opening / coolant outlet opening

1515

Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)Bipolar plate (separator plate, flow field plate)

151151

Anodenseiteanode side

152152

Kathodenseitecathode side

153153

Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)Resource channel (reactant channel)

154154

Versorgungsöffnung / AnodeneinlassöffnungSupply opening / anode inlet opening

155155

Versorgungsöffnung/ AnodenauslassöffnungSupply opening / anode outlet opening

156156

Versorgungsöffnung / KathodeneinlassöffnungSupply opening / cathode inlet opening

157157

Versorgungsöffnung / KathodenauslassöffnungSupply opening / cathode outlet opening

158158

Versorgungsöffnung / KühlmitteleinlassöffnungSupply opening / coolant inlet opening

159159

Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Supply opening / coolant outlet opening

2020

Anodenversorgunganode supply

2121

AnodenversorgungspfadAnode supply path

2222

AnodenabgaspfadAnode exhaust gas path

2323

Brennstofftankfuel tank

2424

Stellmittelactuating means

2525

BrennstoffrezirkulationsleitungBrennstoffrezirkulationsleitung

2626

Stellmittel actuating means

3030

Kathodenversorgungcathode supply

3131

KathodenversorgungspfadCathode supply path

3232

KathodenabgaspfadCathode exhaust path

3333

Verdichtercompressor

3434

Elektromotorelectric motor

3535

Leistungselektronikpower electronics

3636

Turbineturbine

3737

Wastegate-LeitungWaste gate line

3838

Stellmittelactuating means

3939

Befeuchtermodul humidifier

5050

Anodenplatteanode plate

5151

Platteplate

5252

erstes Abstandselementfirst spacer element

5353

DurchgangsöffnungThrough opening

5454

ebene Flächeflat surface

5656

StrömungsquerschnittFlow area

5858

Kanalhöhechannel height

5959

Gesamthöhe Anodenplatte Total height anode plate

6060

KühlmittelplatteCoolant plate

6262

zweites Abstandselementsecond spacer element

6363

ebene Platteflat plate

6666

StrömungsquerschnittFlow area

6868

Kanalhöhechannel height

6969

Gesamthöhe Kühlmittelplatte Total height of coolant plate

7070

Kathodenplattecathode plate

7171

Platteplate

7272

erstes Abstandselementfirst spacer element

7373

DurchgangsöffnungThrough opening

7474

ebene Flächeflat surface

7676

StrömungsquerschnittFlow area

7878

Kanalhöhechannel height

7979

Gesamthöhe Kathodenplatte Total height of cathode plate

AAAA

Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)Active area (reaction area, active area)

IAIA

Inaktiver Bereich (inactive area)Inactive area

SASA

Versorgungsbereich (supply area)Supply area

DATHERE

Verteilerbereich (distribution area)Distribution area

SS

Stapelrichtungstacking direction

Claims (10)

Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich (AA) und einem inaktiven Bereich (IA) umfassend einen Stapel mit einer Anodenplatte (50), einer planparallel an der Anodenplatte (50) angeordneten Kühlmittelplatte (60) und einer planparallel an der Kühlmittelplatte (60) angeordneten Kathodenplatte (70), welche jeweils eine ebene Seite aufweisen, wobei die Anodenplatte (50) und die Kathodenplatte (70) erste Abstandselemente (52, 72) aufweisen, die auf einer der ebenen Seite gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Platte (50, 70) mit dieser verbunden sind, und wobei die Anodenplatte (50) und die Kathodenplatte (70) im aktiven Bereich (AA) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (53, 73) aufweisen.Bipolar plate (15) for a fuel cell having an active area (AA) and an inactive area (IA) comprising a stack with an anode plate (50), a plane parallel to the anode plate (50) arranged coolant plate (60) and a plane parallel to the coolant plate (60) arranged cathode plate (70), each having a flat side, wherein the anode plate (50) and the cathode plate (70) first spacer elements (52, 72) on a side opposite the flat side of the respective plate (50 , 70), and wherein the anode plate (50) and the cathode plate (70) have a plurality of through holes (53, 73) in the active region (AA). Bipolarplatte (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (50) und/oder die Kathodenplatte (70) derart an der Kühlmittelplatte (60) angeordnet ist, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) der Anodenplatte (50) beziehungsweise der Kathodenplatte (70) mit einer ebenen Seite der Kühlmittelplatte (60) in Kontakt sind.Bipolar plate (15) after Claim 1 , characterized in that the anode plate (50) and / or the cathode plate (70) on the coolant plate (60) is arranged such that the first spacer elements (52, 72) of the anode plate (50) and the cathode plate (70) with a flat side of the coolant plate (60) are in contact. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelplatte (60) im aktiven Bereich (AA) eine geschlossene Oberfläche aufweist.Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant plate (60) in the active region (AA) has a closed surface. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelplatte (60) zwei ebene und im aktiven Bereich geschlossene Platten (63) umfasst, welche über zweite Abstandselemente (62) miteinander verbunden sind.Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant plate (60) comprises two flat and closed in the active region plates (63) which are interconnected via second spacer elements (62). Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen (53, 73) im aktiven Bereich (AA) der Anoden- und/oder Kathodenplatte (50, 70) bevorzugt mindestens 50 %, insbesondere zumindest 70 % der Fläche des aktiven Bereichs (AA) der jeweiligen Platte umfasst.Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that a surface between the passage openings (53, 73) in the active region (AA) of the anode and / or cathode plate (50, 70) is preferably at least 50%, in particular at least 70 % of the area of the active area (AA) of the respective plate. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) bezüglich einer Stapelrichtung (S) der Platten (50, 60, 70) übereinander positioniert sind.Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the first spacer elements (52, 72) are positioned one above the other with respect to a stacking direction (S) of the plates (50, 60, 70). Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) einer der Platten ein zweidimensionales Gitter ausbilden und die Durchgangsöffnungen (53, 73) der entsprechenden Platte (50, 70) zwischen den Gitterpunkten, insbesondere entlang einer Reihe von ersten Abstandselementen (52, 72) und/oder in Reihe zwischen zwei benachbarten Reihen von ersten Abstandselementen (52, 72) des Gitters angeordnet sind.Bipolar plate (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the first spacer elements (52, 72) of one of the plates form a two-dimensional grid and the passage openings (53, 73) of the corresponding plate (50, 70) between the grid points, in particular along a series of first spacer elements (52, 72) and / or in series between two adjacent rows of first spacer elements (52, 72) of the grid. Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abstandselemente (52, 72) von Anoden- und/oder Kathodenplatte (50, 70) ausgehend von der, vorzugsweise stoffschlüssigen Verbindung bezogen auf einen Querschnitt der ersten Abstandselemente (52, 72) eine verjüngende Form aufweisen.Bipolar plate (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first spacer elements (52, 72) of anode and / or cathode plate (50, 70) starting from the, preferably cohesive connection with respect to a cross section of the first spacer elements (52 , 72) have a tapered shape. Brennstoffzelle aufweisend eine Bipolarplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine daran angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (14) umfassend eine Gasdiffusionsschicht, welche an der ebenen Seite der Kathodenplatte (70) oder der ebenen Seite der Anodenplatte (50) angeordnet ist.A fuel cell comprising a bipolar plate (15) according to any one of the preceding claims and a membrane electrode assembly (14) disposed thereon comprising a gas diffusion layer disposed on the planar side of the cathode plate (70) or the planar side of the anode plate (50). Brennstoffzellensystem (100) aufweisend eine Brennstoffzelle nach Anspruch 9. Fuel cell system (100) comprising a fuel cell after Claim 9 ,

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