DE102021111101A1 - Bipolar plate for a fuel cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten (10) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (10) angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung (20), wobei die Bipolarplatte (10) an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil (11, 12) zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung (20) aufweist. An der wenigstens einen Seite der Bipolarplatte (10) sind dabei wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile (11, 12) angeordnet.The invention relates to a fuel cell with at least two bipolar plates (10) and at least one membrane electrode assembly (20) arranged between two bipolar plates (10) in each case, the bipolar plate (10) having at least one flow profile (11, 12) on at least one side. for guiding a process gas to the membrane electrode assembly (20). At least two separate flow profiles (11, 12) are arranged on at least one side of the bipolar plate (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung, wobei die Bipolarplatte an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung aufweist.The invention relates to a fuel cell with at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode assembly arranged between two bipolar plates, the bipolar plate having at least one flow profile on at least one side for guiding a process gas to the membrane-electrode assembly.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die Wärme und elektrische Energie aus einem Brennstoff, der typischerweise eine protonenfreisetzende Quelle ist, und einem Oxidationsmittel erzeugen. Bekannte Brennstoffzellen verwenden beispielsweise Wasserstoff als Protonenquelle und Sauerstoff, insbesondere aus der Umgebungsluft als Oxidationsmittel. Dabei weist eine Brennstoffzelle meist eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen auf, deren elektrische Spannungen, und damit deren Leistungsabgabe, sich addieren. Eine solche Anordnung wird als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnet. Die Randzellen eines Brennstoffzellenstacks sind mit einem äußeren elektrischen Leiterkreis verbunden, der die erzeugte elektrische Energie einem Verbraucher zuführt. Formal gesehen weisen Randzellen an der Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung keine Bipolarplatte, sondern eine Monopolarplatte auf. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden auch solche Monopolarplatten im Folgenden unter dem Begriff „Bipolarplatte“ subsummiert.Fuel cells are electrochemical devices that produce heat and electrical energy from a fuel, which is typically a proton-releasing source, and an oxidant. Known fuel cells use, for example, hydrogen as a proton source and oxygen, in particular from the ambient air, as an oxidizing agent. A fuel cell usually has a large number of membrane-electrode assemblies whose electrical voltages, and thus their power output, add up. Such an arrangement is referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack. The edge cells of a fuel cell stack are connected to an external electrical conductor circuit, which supplies the generated electrical energy to a consumer. From a formal point of view, edge cells do not have a bipolar plate at the interface for electrical contacting, but a monopolar plate. To simplify the explanation, such monopolar plates are also subsumed under the term “bipolar plate” in the following.
Zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) ist je eine Bipolarplatte angeordnet, an deren Seitenflächen Prozessgas an die Membran-Elektroden-Anordnungen geführt wird. Eine Membran-Elektroden-Anordnung weist sowohl einen Anoden- als auch einen Kathodenbereich auf, wobei der Brennstoff zum Anodenbereich und das Oxidationsmittel zum Kathodenbereich geführt wird. An der Anode wird der Brennstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die verbleibenden Ionen gelangen durch den meist in Form einer Membran vorliegenden Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Oxidationsmittel (Sauerstoff) sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu einem Reaktionsprodukt reagieren.A bipolar plate is arranged between each two membrane-electrode assemblies (MEA), on the side surfaces of which process gas is guided to the membrane-electrode assemblies. A membrane electrode assembly has both an anode and a cathode region, with the fuel being routed to the anode region and the oxidant being routed to the cathode region. At the anode, the fuel is oxidized catalytically with the release of electrons. The remaining ions reach the cathode area through the electrolyte, which is usually present in the form of a membrane, where they react with the oxidizing agent (oxygen) supplied to the cathode and the electrons conducted to the cathode via an external circuit to form a reaction product.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen hängt dabei insbesondere auch von der Gestaltung der Bipolarplatten und insbesondere der daran, zumeist in Fluidverteilerstrukturen ausgebildeten, Strömungsprofile und damit der Zuführung der Prozessgase zu den Membran-Elektroden-Anordnungen, und der Abführung der Reaktionsprodukte von dort, ab. Ferner wird ein geringes Gewicht von Brennstoffzellen insbesondere bei einer Verwendung in Fahrzeugen und insbesondere Luftfahrzeugen angestrebt.The efficiency of the fuel cells also depends in particular on the design of the bipolar plates and in particular the flow profiles usually formed in fluid distributor structures on them and thus the supply of the process gases to the membrane electrode assemblies and the removal of the reaction products from there. Furthermore, a low weight of fuel cells is aimed at, in particular when used in vehicles and in particular in aircraft.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Brennstoffzellen mit einer verbesserten Zuführung von Prozessgasen zu Membran-Elektroden-Anordnungen vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Proceeding from this, it is an object of the present invention to propose fuel cells with an improved supply of process gases to membrane electrode assemblies. According to the invention, this is achieved by the teaching of claim 1 . Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung vorgeschlagen, wobei die Bipolarplatte an wenigstens einer Seite wenigstens ein Strömungsprofil zum Führen eines Prozessgases an der Membran-Elektroden-Anordnung aufweist. An der wenigstens einen Seite der Bipolarplatte sind dabei wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile angeordnet, wobei jeweils die Eingänge und/ oder die Ausgänge von zwei Strömungsprofilen an einem gemeinsamen Anschlussbereich angeordnet sind.To achieve the object, a fuel cell is proposed with at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode assembly arranged between two bipolar plates in each case, the bipolar plate having at least one flow profile on at least one side for guiding a process gas to the membrane-electrode assembly. At least two separate flow profiles are arranged on the at least one side of the bipolar plate, with the inlets and/or the outlets of two flow profiles being arranged in a common connection area.
Brennstoffzellen sind üblicherweise in Form von Brennstoffzellenstapeln ausgebildet. Solche Anordnungen weisen gewöhnlich eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) auf. Derartige Brennstoffzellenstapel, welche folglich wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens eine zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnungen aufweisen, werden im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfacht als „Brennstoffzelle“ bezeichnet. Eine zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnete Bipolarplatte verbindet die Anode einer Membran-Elektroden-Anordnung mit der Kathode der an der anderen Seite der Bipolarplatte angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung physikalisch und elektrisch leitend. Die Randzellen eines Brennstoffzellenstapels sind mit einem äußeren elektrischen Leiterkreis verbunden, der die erzeugte elektrische Energie einem Verbraucher zuführt. Formal gesehen weisen Randzellen an der Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung keine Bipolarplatte, sondern eine Monopolarplatte auf. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden auch solche Monopolarplatten im Folgenden unter dem Begriff „Bipolarplatte“ subsummiert. Ferner weist eine Bipolarplatte an wenigstens einer Seite (abhängig von einer Anordnung der Bipolarplatte am Rand oder innerhalb des Stapels) wenigstens ein Strömungsprofil zum Führen eines Prozessgases in der an der Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Reaktionszone auf. Dabei können die an der Bipolarplatte ausgebildeten Strömungsprofile insbesondere mittels Urform-, Umform- oder spanabhebender Fertigungsverfahren hergestellt sein. Insbesondere sind diese so ausgebildet, dass sie insbesondere zusammenwirkend mit der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber der Umgebung und/ oder dem benachbarten Reaktionsgasraum abdichtbar sind.Fuel cells are usually designed in the form of fuel cell stacks. Such assemblies usually comprise a number of alternately arranged bipolar plates and membrane electrode assemblies (MEA). Such fuel cell stacks, which consequently have at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode arrangement arranged between two bipolar plates in each case, are simply referred to as “fuel cell” within the scope of the description of the invention. A bipolar plate arranged between two membrane-electrode assemblies physically and electrically conductively connects the anode of one membrane-electrode assembly to the cathode of the membrane-electrode assembly arranged on the other side of the bipolar plate. The edge cells of a fuel cell stack are connected to an external electrical conductor circuit that feeds the generated electrical energy to a consumer. From a formal point of view, edge cells do not have a bipolar plate at the interface for electrical contacting, but a monopolar plate. To simplify the explanation, such monopolar plates are also subsumed under the term “bipolar plate” in the following. Furthermore, a bipolar plate has on at least one side (depending on an arrangement of the bipolar plate at the edge or within the stack) at least one flow profile for conducting a process gas in the reaction zone arranged on the membrane-electrode arrangement. In this case, the flow profiles formed on the bipolar plate can be produced in particular by means of archetype, forming or machining manufacturing processes. In particular are these are designed in such a way that they can be sealed off from the environment and/or the adjacent reaction gas space, in particular in cooperation with the membrane electrode assembly.
Mittels der Strömungsprofile werden die Prozessgase, auf einer Seite der Bipolarplatte der Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff und auf der anderen Seite Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft, an die Membran-Elektroden-Anordnung geführt. Eine Bipolarplatte weist damit eine brennstoffführende Anodenseite (Minuspol) und eine oxidationsmittelführende Kathodenseite (Pluspol) einer Brennstoffzelle auf. Zudem dient eine Bipolarplatte auch zum Ableiten von elektrischer und thermischer Energie von der Brennstoffzelle.The process gases, the fuel such as hydrogen on one side of the bipolar plate and the oxidizing agent such as air on the other side, are guided to the membrane-electrode assembly by means of the flow profiles. A bipolar plate thus has a fuel-carrying anode side (negative pole) and an oxidant-carrying cathode side (positive pole) of a fuel cell. In addition, a bipolar plate is also used to derive electrical and thermal energy from the fuel cell.
Es wird vorgeschlagen, dass die jeweilige Seite der Bipolarplatte wenigstens zwei voneinander insbesondere nicht fluiddicht getrennte Strömungsprofile aufweist, um eine für den Ablauf der Reaktionsprozesse der Brennstoffzelle günstige Führung der Prozessgase an der Membran-Elektroden-Anordnung zur Verfügung zu stellen. Bei mehreren getrennten Strömungsprofilen kann die Strömung der Prozessgase insbesondere ausgehend von mehreren Eingängen mit einem geeigneten Strömungsprofil gezielt in einer für den Reaktionsprozess vorteilhaften Weise an der Membran-Elektroden-Anordnung entlang geführt werden, so dass die Reaktionsfähigkeit des jeweiligen Prozessgases zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle genutzt wird.It is proposed that the respective side of the bipolar plate has at least two flow profiles that are in particular not fluid-tightly separated from one another, in order to provide favorable guidance of the process gases on the membrane-electrode assembly for the course of the reaction processes in the fuel cell. In the case of several separate flow profiles, the flow of the process gases can be guided along the membrane electrode assembly in a targeted manner, particularly starting from several inputs with a suitable flow profile, in a manner that is advantageous for the reaction process, so that the reactivity of the respective process gas is sufficient to achieve a high degree of efficiency of the fuel cell is used.
Vorteilhaft sind die Eingänge und/ oder die Ausgänge von zwei an einer Seite der Bipolarplatte angeordneten Strömungsprofilen an einem gemeinsamen Anschlussbereich angeordnet. Dies ermöglicht eine kompakte und damit auch leichte Gestaltung der Bipolarplatten und vereinfacht zudem die Abdichtung der Ein- bzw. Ausgangsöffnungen der Strömungsprofile gegenüber dem Anschlussbereich. Zudem können bei der vorgeschlagenen Anordnung der Ein- bzw. Ausgänge an den Anschlüssen sogenannte „pneumatische Kurzschlüsse“ verhindert werden, also ein Überströmen von Prozessgasen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Drücken bzw. Volumenströmen und insbesondere Ein- und Ausgangsbereichen. Ferner kann das Prozessgas zweier Strömungsprofile über den einen gemeinsamen Anschlussbereich zu- bzw. abgeführt werden, wodurch sich der Aufbau der Bipolarplatte und damit auch der Brennstoffzelle vereinfacht.The inputs and/or the outputs of two flow profiles arranged on one side of the bipolar plate are advantageously arranged on a common connection area. This enables a compact and therefore also light design of the bipolar plates and also simplifies the sealing of the inlet and outlet openings of the flow profiles with respect to the connection area. In addition, with the proposed arrangement of the inputs and outputs on the connections, so-called "pneumatic short circuits" can be prevented, ie an overflow of process gases between areas with different pressures or volume flows and in particular input and output areas. Furthermore, the process gas of two flow profiles can be supplied or discharged via the one common connection area, which simplifies the structure of the bipolar plate and thus also of the fuel cell.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind wenigstens zwei Strömungsprofile von weiteren Strömungsprofilen durch eine fluiddichte Dichteinrichtung getrennt. Durch eine solche fluiddichte Dichteinrichtung kann das Überströmen von Prozessgas aus den wenigstens zwei Strömungsprofilen, die insbesondere benachbart angeordnet sind, aus diesen und insbesondere in andere Strömungsprofile verhindert werden, wodurch insbesondere die Strömungseigenschaften des Prozessgases in den Strömungsprofilen in der vorgesehenen Weise aufrecht erhalten werden können, um insbesondere auch den vorgesehenen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle zu erreichen.In one embodiment of the fuel cell, at least two flow profiles are separated from further flow profiles by a fluid-tight sealing device. Such a fluid-tight sealing device can prevent process gas from flowing out of the at least two flow profiles, which are in particular arranged adjacent to each other, out of these and in particular into other flow profiles, as a result of which in particular the flow properties of the process gas in the flow profiles can be maintained in the intended manner, in particular to achieve the intended efficiency of the fuel cell.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind an beiden Seiten der Bipolarplatte jeweils wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungsprofile angeordnet, wobei die Eingänge und die Ausgänge der an beiden Seiten angeordneten Strömungsprofile an gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte angeordnet sind. Bei entsprechender Ausbildung der Strömungsprofile können die Prozessgase zu beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung so in einer Art Gleich- oder Gegenstromführung entlang den Membran-Elektroden-Anordnungen geführt werden, wodurch über den „Verbrauch“ der Prozessgase entlang des Strömungsprofils ein verhältnismäßig gleichmäßiger Reaktionsprozess an der Membran-Elektroden-Anordnung erreichbar ist. Zudem ermöglicht ein solcher Aufbau eine kompakte Gestaltung und Zugänglichkeit der Prozessgasanschlüsse mit jeweiligen Zu- und Abfuhranschlüssen an gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzelle.In one embodiment of the fuel cell, at least two separate flow profiles are arranged on both sides of the bipolar plate, with the inlets and outlets of the flow profiles arranged on both sides being arranged on opposite sides of the bipolar plate. If the flow profiles are designed appropriately, the process gases can be guided on both sides of a membrane-electrode assembly in a kind of co-current or counter-current flow along the membrane-electrode assemblies, resulting in a relatively even reaction process through the "consumption" of the process gases along the flow profile can be reached at the membrane electrode assembly. In addition, such a structure enables a compact design and accessibility of the process gas connections with respective supply and discharge connections on opposite sides of the fuel cell.
Bei einer Ausführung der Brennstoffzelle ist wenigstens ein Strömungsprofil so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt vom Eingang weg verringert und/ oder zum Ausgang hin vergrößert. Bei einer anderen Ausführung der Brennstoffzelle kann das Strömungsprofil so ausgebildet sein, dass sich der Strömungsquerschnitt vom Eingang weg vergrößert und/ oder zum Ausgang hin verringert. Bei wieder einer anderen Ausführungsform, welche selbstverständlich auch mit den beiden vorgenannten Ausführungsformen und insbesondere auch innerhalb wenigstens eines Strömungsprofils kombinierbar ist, vergrößert und/ oder verringert sich der Strömungsquerschnitt in wenigstens einem Bereich des Strömungsprofils, insbesondere aufeinanderfolgend entlang der Erstreckung des Strömungsprofils. Bei den in die Brennstoffzelle geleiteten Prozessgasen handelt es sich meist um befeuchtetes Gas mit einem dadurch hohen Volumen. Während der Strömung durch das Strömungsprofil der Bipolarplatte werden die Gasmoleküle der Prozessgase „verbraucht“ bzw. reagieren beispielsweise zu flüssigem Wasser, wodurch das Volumen zum Ausgang des Strömungsprofils der Bipolarplatte auf der Anodenseite abnehmen und auf der Kathodenseite zunehmen kann. Durch eine Verringerung und/ oder Vergrößerung des Strömungsquerschnitts vom Eingang weg und/ oder zum Ausgang hin bzw. in einem Bereich des Strömungsprofils kann die lokale Strömungsgeschwindigkeit der Prozessgase an deren Volumenänderung angepasst werden.In one embodiment of the fuel cell, at least one flow profile is designed in such a way that the flow cross section decreases away from the inlet and/or increases towards the outlet. In another embodiment of the fuel cell, the flow profile can be designed in such a way that the flow cross section increases away from the inlet and/or decreases towards the outlet. In yet another embodiment, which of course can also be combined with the two aforementioned embodiments and in particular also within at least one flow profile, the flow cross section increases and/or decreases in at least one region of the flow profile, in particular successively along the extent of the flow profile. The process gases fed into the fuel cell are mostly humidified gases with a high volume as a result. During the flow through the flow profile of the bipolar plate, the gas molecules of the process gases are “consumed” or react to form liquid water, for example, which means that the volume at the exit of the flow profile of the bipolar plate can decrease on the anode side and increase on the cathode side. The local Flow rate of the process gases are adjusted to their volume change.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle bildet das Strömungsprofil zusammen mit der Membran-Elektroden-Anordnung wenigstens einen Kanal aus. Ein solcher Kanal wird beispielsweise von einer langgestreckten, an der Bipolarplatte angeordneten Ausnehmung gebildet, deren Querschnitt durch eine Fläche oder eine ebenfalls, insbesondere spiegelbildlich ausgeführte, langgestreckte Ausnehmung der daran angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung geschlossen wird. Insbesondere weist eine solche Ausnehmung dabei einen beispielsweise im Wesentlichen U- oder V-förmigen, oder im Wesentlichen trapezförmigen, Querschnitt auf und kann insbesondere an den oberen Enden der Wandung mit einer Dichteinrichtung versehen sein, welche beispielsweise stoffschlüssig und/ oder formschlüssig ausgebildet sein kann. Mittels eines Kanals oder Mehrkanalbündeln kann ein vorbestimmter Volumenstrom eines Prozessgases auf einem vorbestimmten Weg über eine vorbestimmte Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung geführt werden, um die gewünschte Reaktion der Prozessgase in der Brennstoffzelle zu erreichen. Insbesondere verringert eine Ausbildung des Strömungsprofils mit wenigstens einem Kanal auch das Risiko des sogenannten „channel cloggings“, bei welchem ein Kanal durch einen Tropfen einer Prozessflüssigkeit, wie einem Wassertropfen verstopft wird. So kann insbesondere auch die Ausfallsicherheit der Brennstoffzelle erhöht werden.In one embodiment of the fuel cell, the flow profile forms at least one channel together with the membrane electrode assembly. Such a channel is formed, for example, by an elongate recess arranged on the bipolar plate, the cross section of which is closed by a surface or an elongate recess of the membrane electrode arrangement arranged thereon, which is also, in particular, a mirror image. In particular, such a recess has, for example, a substantially U-shaped or V-shaped, or substantially trapezoidal, cross-section and can be provided with a sealing device, in particular at the upper ends of the wall, which can be formed, for example, materially and/or positively. A predetermined volume flow of a process gas can be guided on a predetermined path over a predetermined surface of the membrane electrode assembly by means of a channel or multi-channel bundles in order to achieve the desired reaction of the process gases in the fuel cell. In particular, designing the flow profile with at least one channel also reduces the risk of what is known as “channel clogging”, in which a channel is clogged by a drop of process liquid, such as a drop of water. In this way, in particular, the reliability of the fuel cell can also be increased.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle teilt sich der wenigstens eine vom Strömungsprofil ausgebildete Kanal am Eingang oder am Ausgang in mehrere Kanäle. Auf diese Weise kann der Strömungsquerschnitt des Strömungsprofils vom Eingang weg verringert oder zum Ausgang hin vergrößert ausgebildet werden. Wie bereits ausgeführt, kann sich das Volumen des Brennstoffs zum Ausgang des Strömungsprofils der Bipolarplatte der Anodenseite hin verringern, während das Volumen des Oxidationsmittels zum Ausgang der Strömungsprofils auf der Kathodenseite zunehmen kann. Entsprechend kann durch ein insbesondere den Strömungsquerschnitt vergrößerndes Aufteilen des wenigstens einen Kanals am Eingang oder am Ausgang in mehrere Kanäle die Strömungsgeschwindigkeit der Prozessgase an deren Volumenänderung angepasst werden.In one embodiment of the fuel cell, the at least one channel formed by the flow profile divides into a plurality of channels at the inlet or at the outlet. In this way, the flow cross section of the flow profile can be reduced away from the inlet or enlarged towards the outlet. As previously stated, the volume of fuel may decrease toward the exit of the anode side bipolar plate airfoil, while the volume of oxidant may increase toward the exit of the cathode side airfoil. Correspondingly, the flow speed of the process gases can be adapted to their volume change by dividing the at least one channel into a plurality of channels at the inlet or outlet, in particular by increasing the flow cross section.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle ist wenigstens ein Strömungsprofil wenigstens abschnittsweise mit einem mäandrierenden Verlauf ausgebildet, im Sinne einer flächenfüllenden Kurve. Bei der Führung eines Gases im Strömungsprofil ermöglicht ein mäandrierender Verlauf des Kanals ein Überstreichen einer maximalen Fläche mit geführten Prozessgas, da die Ausnehmungen und damit die in Verbindung mit der Membran-Elektroden-Anordnung gebildeten Kanalabschnitte unmittelbar nebeneinander angeordnet werden können. Insbesondere können die Ausnehmungen des Strömungsprofils bzw. die Kanalabschnitte gegenüber der absoluten Strömungsrichtung des Prozessgases über die Bipolarplatte (vom Ein- zum Ausgang des Strömungsprofils) wenigstens abschnittsweise quer, längs und/ oder auch diagonal mäandrierend angeordnet sein.In one embodiment of the fuel cell, at least one flow profile is designed with a meandering course, at least in sections, in the sense of a curve that fills the area. When guiding a gas in the flow profile, a meandering course of the channel allows the process gas to sweep over a maximum area, since the recesses and thus the channel sections formed in connection with the membrane-electrode assembly can be arranged directly next to one another. In particular, the recesses of the flow profile or the channel sections can be arranged at least in sections so as to meander transversely, longitudinally and/or diagonally with respect to the absolute flow direction of the process gas over the bipolar plate (from the inlet to the outlet of the flow profile).
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind die wenigstens zwei Strömungsprofile zueinander symmetrisch ausgebildet. Die lokale Verteilung der Reaktion bzw. der Reaktionsprodukte an der Bipolarplatte bzw. an der Membran-Elektroden-Anordnung ist entsprechend dem Strömungsprofil bzw. der damit verbundenen Strömung des Prozessgases durch das Strömungsprofil ausgebildet. Symmetrisch ausgebildete Strömungsprofile ermöglichen daher eine symmetrische und damit insbesondere auch gleichmäßige Verteilung der Reaktionsprodukte sowie entsprechend auch der elektrischen Ladung und der Wärmeenergie an der Bipolarplatte.In one embodiment of the fuel cell, the at least two flow profiles are symmetrical to one another. The local distribution of the reaction or the reaction products on the bipolar plate or on the membrane electrode assembly is designed according to the flow profile or the associated flow of the process gas through the flow profile. Symmetrically designed flow profiles therefore enable a symmetrical and thus in particular also uniform distribution of the reaction products and correspondingly also the electrical charge and the heat energy on the bipolar plate.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind an wenigstens einer Seite der Bipolarplatte eine Mehrzahl voneinander getrennter Strömungsprofile angeordnet, wobei die Eingänge und die Ausgänge jeweils zwei benachbarter Strömungsprofile an gemeinsamen Anschlussbereichen angeordnet sind. Eine solche Ausführung eignet sich insbesondere für Bipolarplatten mit größeren Abmessungen. Wie bereits ausgeführt kann durch die Anordnung der Eingänge bzw. der Ausgänge von Strömungsprofilen an gemeinsamen Anschlussbereichen die Gefahr von pneumatischen Kurzschlüssen verringert werden. Auf diese Weise werden im Bereich der Anschlüsse insbesondere sogenannte „pneumatische Kurzschlüsse“, also ein Überströmen von Prozessgasen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Drücken bzw. Volumenströmen verhindert. Zudem vereinfacht sich durch das Zu- bzw. Abführen von Prozessgas zweier Strömungsprofile über einen gemeinsamen Anschlussbereich der Aufbau der Bipolarplatte und damit auch der Brennstoffzelle.In one embodiment of the fuel cell, a plurality of separate flow profiles are arranged on at least one side of the bipolar plate, with the inlets and outlets of two adjacent flow profiles being arranged in common connection areas. Such an embodiment is particularly suitable for bipolar plates with larger dimensions. As already stated, the risk of pneumatic short circuits can be reduced by arranging the inlets and outlets of flow profiles on common connection areas. In this way, so-called "pneumatic short circuits" in the area of the connections, i.e. an overflow of process gases between areas with different pressures or volume flows, are prevented. In addition, the supply and removal of process gas from two flow profiles via a common connection area simplifies the structure of the bipolar plate and thus also of the fuel cell.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind die Anschlussbereiche der Eingänge eines ersten Prozessgases und der Ausgänge eines zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an einer Seite der Bipolarplatte angeordnet und die Anschlussbereiche der Ausgänge des ersten Prozessgases und der Eingänge des zweiten Prozessgases jeweils abwechselnd an der anderen Seite der Bipolarplatte angeordnet. Bei entsprechender Ausbildung der Strömungsprofile können die Prozessgase bei dieser Ausführung in einer Art Gegenstromführung an den Membran-Elektroden-Anordnungen geführt werden, wodurch ein verhältnismäßig gleichmäßiger Reaktionsprozess über der Membran-Elektroden-Anordnung erreichbar ist. Zudem ermöglicht ein solcher Aufbau eine kompakte Gestaltung der Prozessgasanschlüsse mit jeweiligen Zu- und Abfuhranschlüssen an gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzelle.In one embodiment of the fuel cell, the connection areas of the inlets of a first process gas and the outlets of a second process gas are each arranged alternately on one side of the bipolar plate and the connection areas of the outlets of the first process gas and the inlets of the second process gas are each arranged alternately on the other side of the bipolar plate . With a corresponding design of the flow profiles, the process gases can flow in a kind of counter-current flow at the membrane-electrode assemblies in this embodiment are performed, whereby a relatively uniform reaction process over the membrane-electrode assembly can be achieved. In addition, such a structure enables a compact design of the process gas connections with respective supply and discharge connections on opposite sides of the fuel cell.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle sind wenigstens zwei Anschlussbereiche eines ersten Prozessgases in der Bipolarplatte verbunden ausgebildet, wobei der Verbindungsbereich insbesondere auf einer dem Strömungsprofil gegenüberliegenden Seite eines zwischen den wenigstens zwei Anschlussbereichen angeordneten Anschlussbereichs eines zweiten Prozessgases angeordnet ist. Bei dieser Gestaltung ist der Verbindungsbereich auf einer dem Strömungsprofil abgewandten Seite eines Anschlussbereichs für das andere Prozessgas ausgebildet. Die Verbindung der wenigstens zwei Anschlussbereiche an einer Seite der Bipolarplatte vereinfacht die Prozessgasführung sowie den Anschluss der Anschlussbereiche an die Prozessgasversorgung. Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Gestaltung einen kompakteren Aufbau der Brennstoffzelle.In one embodiment of the fuel cell, at least two connection areas of a first process gas are connected in the bipolar plate, the connection area being arranged in particular on a side opposite the flow profile of a connection area of a second process gas arranged between the at least two connection areas. In this design, the connection area is formed on a side of a connection area for the other process gas that faces away from the flow profile. The connection of the at least two connection areas on one side of the bipolar plate simplifies the routing of the process gas and the connection of the connection areas to the process gas supply. Overall, the proposed design enables a more compact construction of the fuel cell.
Bei einer Ausführungsform der Brennstoffzelle weisen die Bipolarplatten von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle auf. Während des Betriebs einer Brennstoffzelle entsteht Wärmeenergie als Reaktionsprodukt, welche insbesondere von den Bipolarplatten abführbar ist. Für diesen Zweck kann eine Bipolarplatte von einem Kühlmedium durchströmbare, insbesondere innenliegende Kühlkanäle aufweisen, wobei das Kühlmedium beim Durchströmen der Kühlkanäle Wärmeenergie aufnimmt und entsprechend abtransportiert. Hierfür können die Kühlkanäle beispielsweise kontinuierlich oder intermittierend von einem Kühlmedium durchströmt werden.In one embodiment of the fuel cell, the bipolar plates have cooling channels through which a cooling medium can flow. During the operation of a fuel cell, thermal energy is produced as a reaction product, which can be dissipated in particular by the bipolar plates. For this purpose, a bipolar plate can have cooling channels through which a cooling medium can flow, in particular internal cooling channels, with the cooling medium absorbing thermal energy as it flows through the cooling channels and transporting it away accordingly. For this purpose, a cooling medium can flow through the cooling channels continuously or intermittently, for example.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
-
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennstoffzelle bestehend aus mehreren, in Serie angeordneten Einzel-Brennstoffzellen; -
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; -
3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; -
3a eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; und -
4 eine schematische Darstellung noch einer weiteren beispielhaften Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
-
1 a schematic representation of an exemplary fuel cell consisting of a plurality of individual fuel cells arranged in series; -
2 a schematic representation of an exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention; -
3 a schematic representation of a further exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention; -
3a a schematic representation of a further exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention; and -
4 a schematic representation of yet another exemplary bipolar plate of a fuel cell according to the invention.
Wie in der Darstellung in
Die Eingänge 16a, 17a der Strömungsprofile 11, 12 der in
Auch die Strömungsprofile 11, 12 der Bipolarplatte 10 der Ausführung der
Die Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 17, 25, 26, 27 der der in
Darüber hinaus entspricht die in
Die Bipolarplatte 10 ist symmetrisch aufgebaut. Dabei sind die jeweiligen Strömungsprofile 11, 12 jeweils symmetrisch zueinander sowie auch symmetrisch zu einer Achse A der Bipolarplatte 10 angeordnet. Die Ausnehmungen 11a, 12a der Strömungsprofile 11, 12 weisen einen quermäandrierenden Verlauf auf, so dass das Prozessgas über quer zur absoluten Strömungsrichtung verlaufende Kanäle an der Membran-Elektroden-Anordnung 20 geführt wird. Auch die Strömungsquerschnitte der Strömungsprofile 11, 12 der in
Die Anordnung der Anschlussbereiche 15, 16, 25, 26 der Bipolarplatte 10 aus
In den
Aus den
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Brennstoffzellefuel cell
- 33
- Stromabnehmerplattepantograph plate
- 44
- äußerer Leiterkreisouter conductor circuit
- 1010
- Bipolarplattebipolar plate
- 1111
- Strömungsprofilflow profile
- 11a11a
- Ausnehmungrecess
- 1212
- Strömungsprofilflow profile
- 12a12a
- Ausnehmungrecess
- 1313
- Bereich des Strömungsprofilsarea of the airfoil
- 1414
- Kühlmittelkanalcoolant channel
- 1515
- Anschlussbereichconnection area
- 1616
- Anschlussbereichconnection area
- 16a16a
- EingangEntry
- 1717
- Anschlussbereichconnection area
- 17a17a
- EingangEntry
- 18a18a
- AusgangExit
- 19a19a
- AusgangExit
- 2020
- Membran-Elektroden-Anordnungmembrane electrode assembly
- 2323
- Verbindungsbereichconnection area
- 2424
- Kühlmittelanschlussbereichecoolant connection areas
- 2525
- Anschlussbereichconnection area
- 2626
- Anschlussbereichconnection area
- 2727
- Anschlussbereichconnection area
- 2828
- Dichteinrichtungsealing device
- 2929
- Dichteinrichtung sealing device
- AA
- Achseaxis
Claims (15)
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-
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R163 | Identified publications notified | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) |