DE102021206582A1 - Fuel cell stack with a large number of individual cells - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Vielzahl von Einzelzellen, welche jeweils eine Membranelektrodenanordnung (2, 2`) und Bipolarplatten (3) aufweisen, wobei die Bipolarplatte (3) eine anodenseitige Hälfte, welcher der einen Membranelektrodenanordnung (2, 2`) zugewandt ist, und eine kathodenseitige Hälfte, welche der benachbarten Membranelektrodenanordnung (2, 2`) zugewandt ist, aufweisen, welche jeweils zur Zufuhr von Edukten und zur Abfuhr von Produkten ausgebildete durchströmbare Querschnitte aufweisen, und welche zwischen den Hälften durchströmbare Querschnitte für ein Kühlmedium aufweisen, ferner mit zwei Endplatten (5), zwischen welchen die Einzelzellen verspannt sind, wobei zwischen der jeweiligen Endplatte (5) und der dieser Endplatte (5) benachbarten Membranelektrodenanordnung (2') eine Zwischenplatte (4) angeordnet ist, wobei die Zwischenplatte (4) einen im Vergleich zu den Bipolarplatten (3) vergrößerten durchströmbaren Querschnitt für die Edukte und Produkte aufweist.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (4) einen im Vergleich zu den Bipolarplatten (3) verringerten durchströmbaren Querschnitt für das Kühlmedium aufweist.The invention relates to a fuel cell stack (1) with a large number of individual cells, each of which has a membrane electrode arrangement (2, 2`) and bipolar plates (3), the bipolar plate (3) having an anode-side half, which of the membrane electrode arrangements (2, 2` ) and a cathode-side half, which faces the adjacent membrane electrode arrangement (2, 2`), which each have cross-sections through which flow can take place for the supply of starting materials and for the removal of products, and which have cross-sections through which flow can take place between the halves for a cooling medium further having two end plates (5) between which the individual cells are braced, an intermediate plate (4) being arranged between the respective end plate (5) and the membrane electrode arrangement (2') adjacent to this end plate (5), the intermediate plate ( 4) compared to the bipolar plates (3), an enlarged cross-section through which the reactant can flow e and products. The invention is characterized in that the intermediate plate (4) has a reduced cross-section through which the cooling medium can flow in comparison to the bipolar plates (3).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell stack with a large number of individual cells of the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Einzelzellen werden typischerweise zwischen Endplatten, Druckbrillen oder dergleichen verspannt, um so den Stapel auszubilden. Jede der Einzelzellen umfasst dabei eine Membranelektrodenanordnung (MEA) sowie Bipolarplatten, deren eine Seite der einen Membranelektrodenanordnung und deren andere Seite der anderen Membranelektrodenanordnung zugewandt ist. Die Bipolarplatten bestehen meist aus zwei Hälften, welche auf der einen Oberfläche die Anodenseite bzw. die Kathodenseite der benachbarten Einzelzellen tragen und welche zwischen sich ein Strömungsfeld für Kühlmedium einschließen.Fuel cell stacks with a large number of individual cells are known from the prior art. The individual cells are typically clamped between end plates, pressure frames or the like in order to form the stack. Each of the individual cells comprises a membrane electrode assembly (MEA) and bipolar plates, one side of which faces one membrane electrode assembly and the other side faces the other membrane electrode assembly. The bipolar plates usually consist of two halves, which carry the anode side or the cathode side of the adjacent individual cells on one surface and which enclose a flow field for cooling medium between them.

Im Endbereich eines solchen Brennstoffzellenstapels, also wenn die Einzelzelle benachbart zu der Endplatte angeordnet ist, kann dieser Aufbau so nicht unmittelbar weitergeführt werden. Einerseits fällt hier die benachbarte Zelle weg und andererseits sind die thermischen Bedingungen hier anders als im mittleren Bereich des Stapels, da über die Endplatten vergleichsweise viel Wärme abgeführt wird, sodass die Endzellen des Brennstoffzellenstapels typischerweise kühler sind als die Zellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, was zu einer Auskondensation von Produktwasser führen kann und für die Performance des Brennstoffzellenstapels nachteilig ist.In the end region of such a fuel cell stack, ie when the individual cell is arranged adjacent to the end plate, this construction cannot be continued directly in this way. On the one hand, the neighboring cell is omitted here and on the other hand, the thermal conditions here are different than in the middle of the stack, since a comparatively large amount of heat is dissipated via the end plates, so that the end cells of the fuel cell stack are typically cooler than the cells in the middle of the fuel cell stack, what can lead to condensation of product water and is disadvantageous for the performance of the fuel cell stack.

Die WO 2004/006370 A2 beschreibt einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel mit dem oben angesprochenen Problem. Dieses wird gemäß der internationalen Anmeldung so gelöst, dass die Verteilerstrukturen der ersten und der letzten Brennstoffzelle des jeweiligen Stapels so ausgebildet sind, dass größere Volumenströme an die Einzelzelle geführt werden. Durch diese vermehrte Zufuhr von Edukten, typischerweise also Wasserstoff und Luft, wurde im Bereich dieser Zellen eine höhere Abwärme erzeugt, um die inhomogene Wärmeverteilung ausgleichen zu können.the WO 2004/006370 A2 describes a low temperature fuel cell stack with the above problem. According to the international application, this is solved in such a way that the distribution structures of the first and the last fuel cell of the respective stack are designed in such a way that larger volume flows are routed to the individual cell. Due to this increased supply of starting materials, typically hydrogen and air, more waste heat was generated in the area of these cells in order to be able to compensate for the inhomogeneous heat distribution.

Die DE 10 2006 015 247 A1 sieht in der genannten WO-Schrift das Problem, dass der Aufwand bezüglich der modifizierten Platten für die Endzelle in der Herstellung zu hoch wird, sodass eine alternative Lösung vorgeschlagen wird. Diese besteht im Wesentlichen aus einer thermischen Isolierung zwischen der letzten und der ersten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels und der jeweiligen Endplatte.the DE 10 2006 015 247 A1 sees the problem in the cited WO document that the effort involved in manufacturing the modified plates for the end cell is too great, so that an alternative solution is proposed. This essentially consists of thermal insulation between the last and the first individual cell of the fuel cell stack and the respective end plate.

Auch dies ist in der Praxis für die Montage nicht ganz unkritisch, da unterschiedliche Materialien und ihre unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Stapels ohnehin schon vergleichsweise komplex zu beherrschen sind, ohne die Dichtheit des Stapels zu verlieren. Zusätzliche Isolationsmaterialien vereinfachen den Aufbau des Brennstoffzellenstapels daher nicht wirklich.In practice, this is also not entirely uncritical for assembly, since different materials and their different thermal expansion coefficients within the stack are already comparatively complex to control without losing the tightness of the stack. Additional insulation materials therefore do not really simplify the construction of the fuel cell stack.

Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann auch auf die DE 10 2006 016 814 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift ist ein Aufbau beschrieben, bei dem eine relativ flexible Platte für verschiedene Positionen innerhalb des Brennstoffzellenstapels unterschiedlich ausgeführt werden kann, wobei die Ausführungen jeweils auf einer gleichartigen Basisplatte basieren.For further general prior art can also on the DE 10 2006 016 814 A1 be advised. This document describes a structure in which a relatively flexible plate can be designed differently for different positions within the fuel cell stack, with the designs being based on a base plate of the same type in each case.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel anzugeben, welcher einen verbesserten Aufbau zur Bewältigung des Problems bei der ersten und letzten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ermöglicht.The object of the present invention is now to specify an improved fuel cell stack which enables an improved design for overcoming the problem with the first and last individual cell of the fuel cell stack.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a fuel cell stack of the type defined in more detail in the preamble of claim 1 . Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik vorgesehen, dass im Bereich der ersten und letzten Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels eine Zwischenplatte eingesetzt wird, welche einen im Vergleich zu den Bipolarplatten, also denen der Einzelzellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, einen vergrößerten durchströmbaren Querschnitt für die Edukte und die Produkte aufweist. Zusätzlich wird gemäß der Erfindung ein verringerter durchströmbarer Querschnitt für das Kühlmedium in einer solchen Platte realisiert. Die Zwischenplatte kann also letztlich analog ausgestaltet werden wie die Bipolarplatte. Sie kann aus zwei Hälften realisiert werden, wobei bei ihrem Einsatz als Zwischenplatte oder Interfaceplatte lediglich eines der Strömungsfelder mit Edukten/Produkten in Berührung kommt und die Kanäle für das Kühlmedium zwischen den beiden Hälften entsprechend durchströmt werden. Die nicht benötigte Hälfte liegt an der Endplatte an und stellt hier den elektrischen Kontakt der Einzelzellen zu den Endplatten bzw. einem mit desen verbundenen oder von diesen ausgebildeten Stromsammler sicher.In the solution according to the invention, similar to the prior art mentioned at the outset, an intermediate plate is used in the area of the first and last individual cell of a fuel cell stack, which compared to the bipolar plates, i.e. those of the individual cells in the middle of the fuel cell stack, has an enlarged cross-section through which the reactants and the products can flow. In addition, according to the invention, a reduced cross-section through which the cooling medium can flow is realized in such a plate. The intermediate plate can therefore ultimately be configured analogously to the bipolar plate. It can be realized in two halves, whereby when used as an intermediate plate or interface plate, only one of the flow fields comes into contact with educts/products and the channels for the cooling medium between the two halves flow through accordingly. The half that is not required rests against the end plate and here ensures the electrical contact of the individual cells to the end plates or to a current collector connected to them or formed by them.

Der entscheidende Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Aufbau liegt nun darin, dass die durchströmbaren Querschnitte für die Edukte und die Produkte entsprechend vergrößert werden, sodass der aus dem eingangs genannten Stand der Technik bereits bekannte Effekt einer größeren Wärmeproduktion in den jeweils ersten und letzten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels erreicht wird. Gleichzeitig wird aber auch der Querschnitt für das Kühlmedium reduziert. Dies hat dabei zwei ganz entscheidende Vorteile. Einerseits wird durch die verringerte Menge des Kühlmediums die Abfuhr von Abwärme bei der jeweils ersten und letzten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels verringert, was gemeinsam mit der erhöhten Zufuhr von Edukten zu dem positiven Effekt einer weniger starken Abkühlung der ersten und der letzten Einzelzelle führt. Andererseits ist es so, dass bei dem typischen Aufbau der Zwischenplatte, analog zu den Bipolarplatten mit den Kanälen für die Edukte/Produkte auf der einen Oberfläche und zumindest einen Teil der Kanäle für das Kühlmedium auf der anderen Oberfläche durch die Verringerung des Querschnitts der Kanäle für das Kühlmedium die Möglichkeit besteht, die Wandstärken zwischen den Kanälen für das Kühlmedium auf der einen Seite und den Kanälen für die Edukte/Produkte auf der anderen Seite weitgehend konstant zu halten, sodass keine mechanische Schwächung einer solchen Zwischenplatte gegenüber den üblicherweise eingesetzten Bipolarplatten auftritt.The decisive advantage of the structure according to the invention lies in the fact that the cross-sections through which the reactants and the products can flow are increased accordingly. so that the effect of greater heat production in the first and last individual cells of the fuel cell stack, which is already known from the prior art mentioned at the outset, is achieved. At the same time, however, the cross section for the cooling medium is also reduced. This has two very important advantages. On the one hand, the reduced amount of cooling medium reduces the dissipation of waste heat from the first and last individual cell of the fuel cell stack, which, together with the increased supply of reactants, leads to the positive effect of less severe cooling of the first and last individual cell. On the other hand, with the typical structure of the intermediate plate, analogous to the bipolar plates with the channels for the reactants/products on one surface and at least some of the channels for the cooling medium on the other surface, by reducing the cross section of the channels for the cooling medium it is possible to keep the wall thicknesses between the channels for the cooling medium on the one hand and the channels for the reactants/products on the other side largely constant, so that no mechanical weakening of such an intermediate plate occurs compared to the bipolar plates that are usually used.

Der Aufbau kann insgesamt also so realisiert werden, dass die Zwischenplatte, gemäß einer sehr vorteilhafter Ausgestaltung, dieselben äußeren Abmessungen wie die Bipolarplatten aufweist, was hinsichtlich des Stapelns des Brennstoffzellenstapels von ganz entscheidendem Vorteil ist.The overall structure can therefore be realized in such a way that the intermediate plate, according to a very advantageous embodiment, has the same external dimensions as the bipolar plates, which is a very decisive advantage with regard to the stacking of the fuel cell stack.

Dementsprechend kann es dann auch vorgesehen sein, dass alle Strömungsquerschnitte in der Zwischenplatte im Vergleich zu den Bipolarplatten vergrößert oder verkleinert sind, sodass also insgesamt eine homogene Verteilung der Größenänderungen über alle verfügbaren Strömungsquerschnitte der Platte erfolgt und eben nicht nur einzelne Bereiche verändert werden. Dies führt zu einer weiterhin sehr homogenen Verteilung der Medien einerseits und einer aus den oben bereits beschriebenen Gründen hohen mechanischen Stabilität der Platte andererseits führt. Der Aufbau kann insgesamt dieselben äußeren Abmessungen haben, wie die Bipolarplatte, was oben schon als besonders günstige Ausführungsvariante erwähnt worden ist.Accordingly, it can then also be provided that all flow cross sections in the intermediate plate are enlarged or reduced in comparison to the bipolar plates, so that overall there is a homogeneous distribution of the size changes over all available flow cross sections of the plate and not just individual areas are changed. This leads to a continued very homogeneous distribution of the media on the one hand and high mechanical stability of the plate for the reasons already described above on the other hand. Overall, the structure can have the same external dimensions as the bipolar plate, which has already been mentioned above as a particularly favorable embodiment variant.

Die Zwischenplatte selbst kann dabei vorzugsweise, und auch dies ist oben ja bereits angedeutet worden, eine kathodenseitige und eine anodenseitige Hälfte aufweisen, also im Wesentlichen analog zu der Bipolarplatte aufgebaut sein. Dies macht dann zwar besondere Werkzeuge für die beiden Hälften der Zwischenplatte erforderlich, erlaubt es aber, die Zwischenplatten am einen Ende des Stapels und am anderen Ende des Stapels gleich auszuführen und lediglich entsprechend mit der anodenseitigen Hälfte einerseits und der kathodenseitigen Hälfte andererseits mit den Endplatten zu kontaktieren, sodass der Gesamtaufwand hinsichtlich der Werkzeuge immer noch überschaubar bleibt.The intermediate plate itself can preferably, and this has also already been indicated above, have a cathode-side and an anode-side half, that is to say it can be constructed essentially analogously to the bipolar plate. Although this then requires special tools for the two halves of the intermediate plate, it allows the intermediate plates to be designed identically at one end of the stack and at the other end of the stack and only to be connected accordingly with the anode-side half on the one hand and the cathode-side half on the other hand with the end plates contact us so that the overall effort in terms of tools remains manageable.

Die Strömungsquerschnitte können sich dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung vorzugsweise sowohl in der Breite als auch in der Höhe von durchströmbaren Kanälen für Edukte und Produkte vergrößern als auch sowohl in der Höhe und der Breite für durchströmbare Kanäle für das Kühlmedium entsprechend verringern. Die gleichmäßige Verteilung der Vergrößerung bzw. Verringerung der durchströmbaren Querschnitte in dem in beide im Querschnitt vorliegenden Dimensionen die Vergrößerung oder Verringerung stattfindet, erhält die Gesamtgeometrie der Platte bezüglich der Verteilung der Medien weitgehend gleich und kann zur homogenen Verteilung der Medien und einer mechanisch weiterhin hoch belastbaren Platte beitragen.According to an extraordinarily advantageous development, the flow cross-sections can preferably increase both in the width and in the height of channels through which reactants and products can flow, and correspondingly decrease both in height and width for channels through which the cooling medium can flow. The uniform distribution of the enlargement or reduction of the cross-sections through which the flow takes place, in which the enlargement or reduction takes place in both dimensions present in the cross-section, keeps the overall geometry of the plate largely the same with regard to the distribution of the media and can lead to a homogeneous distribution of the media and a mechanically still highly resilient contribute plate.

Typischerweise haben solche Platten einen Übergangsbereich mit einer offenen Noppen umfassenden Strömungsverteilstruktur. In diesem Bereich kann es nun vorgesehen sein, dass nur die Höhe des durchströmbaren Querschnitts vergrößert wird, um die in diesem Bereich, im Vergleich zu den Stegen zwischen den Kanälen relativ weit beabstandet voneinander angeordneten Noppen nicht unnötig zu schwächen und die mechanische Belastung nicht zu sehr in eine Punktbelastung bei der Berührung der benachbarten Membranelektrodenanordnung zu verändern. Dies könnte nämlich zu einem übermäßigen Einsinken des typischerweise relativ flexiblen Materials der Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung, welche benachbart zu den Strömungsfeldern liegt, begünstigen. Diese Variante, bei welcher der Querschnitt der einzelnen Noppen also nicht verändert wird, dient auch dazu, die Tragfähigkeit des Aufbaus nicht zu gefährden.Typically, such plates have a transition area with a flow distribution structure comprising open nubs. In this area it can now be provided that only the height of the cross-section through which flow can take place is increased in order not to unnecessarily weaken the nubs arranged relatively far apart from one another in this area in comparison to the webs between the channels and not to excessively weaken the mechanical load into a point load when touching the adjacent membrane electrode assembly. Namely, this could encourage excessive subsidence of the typically relatively flexible material of the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly that lies adjacent to the flow fields. This variant, in which the cross-section of the individual knobs is not changed, also serves to ensure that the load-bearing capacity of the structure is not endangered.

Sowohl die Bipolarplatten als auch die Zwischenplatten können vorzugsweise in der gleichen Herstellungstechnologie realisiert werden. Sie können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels als sogenannte Graphit-Platten ausgebildet sein, welche aus einem aushärtenden Harz mit einem elektrisch leitenden Füllstoff, welcher meist in Form von Graphit gewählt wird, hergestellt sein.Both the bipolar plates and the intermediate plates can preferably be realized using the same manufacturing technology. According to an extraordinarily favorable development of the fuel cell stack according to the invention, they can be designed as so-called graphite plates, which are made from a hardening resin with an electrically conductive filler, which is usually selected in the form of graphite.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.Further advantageous configurations of the fuel cell stack according to the invention also result from the exemplary embodiment, which is illustrated in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

• 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels;
• 2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte/Zwischenplatte;
• 3 eine Schnittdarstellung des Bereichs III-III in 2;
• 4 eine Schnittdarstellung des Bereichs IV-IV in 2;
• 5 eine Schnittdarstellung des Bereichs V-V in 2; und
• 6 eine Schnittdarstellung des Bereichs VI-VI in 2.

show:

• 1 a schematic representation of the structure of a fuel cell stack;
• 2 a plan view of a bipolar plate / intermediate plate;
• 3 a sectional view of area III-III in 2 ;
• 4 a sectional view of area IV-IV in 2 ;
• 5 a sectional view of the area VV in 2 ; and
• 6 a sectional view of area VI-VI in 2 .

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus Einzelzellen, welche als Kern jeweils eine Membranelektrodenanordnung 2 aufweisen. Zwischen diesen Membranelektrodenanordnungen befinden sich mit 3 bezeichnete Bipolarplatten, welche abwechselnd mit den Membranelektrodenanordnungen 2 aufgestapelt werden. Die Membranelektrodenanordnung der ersten und der letzten Einzelzelle sind in der Darstellung der Figur jeweils mit 2' bezeichnet. Auf der einen Seite ist ihnen eine reguläre Bipolarplatte 3 benachbart, was hier durch die Punkte entsprechend angedeutet ist. Auf der anderen Seite befindet sich eine spezielle Zwischenplatte 4 gefolgt von jeweils einer Endplatte 5 des Brennstoffzellenstapels 1.In the representation of 1 a fuel cell stack 1 is shown in a highly schematic manner. It essentially consists of individual cells, each of which has a membrane electrode arrangement 2 as the core. Between these membrane electrode assemblies there are bipolar plates labeled 3 which are stacked alternately with the membrane electrode assemblies 2 . The membrane electrode arrangement of the first and the last individual cell are each denoted by 2' in the representation of the figure. A regular bipolar plate 3 is adjacent to them on one side, which is correspondingly indicated here by the dots. On the other side there is a special intermediate plate 4 followed by an end plate 5 of the fuel cell stack 1.

Die Bipolarplatten 3 sind nun im Wesentlichen so aufgebaut, wie es sich schematisch in einer Draufsicht auf eine solche Bipolarplatte 3 in der Darstellung der 2 ergibt. Rein beispielhaft ist hier die sogenannte Kathodenseite gezeigt, also die Seite, welche mit der zu ihr benachbarten Membranelektrodenanordnung 2 jeweils die Kathode der jeweiligen Einzelzelle ausbildet. Der wesentliche Teil der Bipolarplatte 3 ist dabei ein sogenanntes Strömungsfeld 6, welches aus abwechselnd angeordneten Kanälen 7 und dazwischen angeordneten Stegen 8 besteht. In Richtung der Durchströmungsrichtung F des Mediums, hier der Luft, sind vor und nach dem Strömungsfeld 7 jeweils mit 9 bezeichnete Verteilbereiche gezeigt, in welchen einzelne Noppen 10 angeordnet sind, die dafür sorgen, dass die Strömung sich möglichst gleichmäßig auf die Kanäle 7 verteilt bzw. aus den Kanälen 7 heraus sammelt. Über einen Durchbruch 11 durch die Platte, welcher auch als Backfeed Slot bezeichnet wird, gelangen die Produkte dann auf die Rückseite der in der Darstellung der 2 oberen Plattenhälfte bzw. strömen von dieser aus in den Verteilbereich 9 ein. Auf dieser hier nicht explizit dargestellten Rückseite sind die Durchbrüche 11 jeweils über sogenannte Vias 12 mit Medienzufuhr/- abfuhröffnungen 13 verbunden, welche auch als Ports bezeichnet werden. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche ist der Aufbau im Wesentlichen gleich, wobei das Zuströmen und Abströmen der Medien durch die hier mit 14 bezeichneten Ports, welche sich diagonal gegenüberliegen, erfolgt. Auch hier wird über hier nicht erkennbare Durchbrüche das Medium von den Ports 14 über angedeutete Vias 15 und hier nicht dargestellte Durchbrüche zu einem Strömungsverteilbereich, welcher wiederum durch ein Strömungsfeld verbunden ist, strömen oder aus diesem entsprechend abströmen. Zwischen den beiden Plattenhälften befinden sich zusätzlich zu den Vias 12, 15 ein hier nicht erkennbares Strömungsfeld mit Kühlkanälen 16 und dazwischen angeordneten Stegen 17 (vgl. 3) sowie entsprechenden Vias 18, die die Ports 19 zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium mit dem Kühlmedienströmungsfeld verbinden.The bipolar plates 3 are now constructed essentially as can be seen schematically in a plan view of such a bipolar plate 3 in the representation of FIG 2 results. The so-called cathode side is shown here purely by way of example, ie the side which forms the cathode of the respective individual cell with the membrane electrode arrangement 2 adjacent to it. The essential part of the bipolar plate 3 is a so-called flow field 6, which consists of alternately arranged channels 7 and webs 8 arranged between them. In the direction of flow F of the medium, here the air, distribution areas are shown in front of and behind the flow field 7, each designated 9, in which individual knobs 10 are arranged, which ensure that the flow is distributed as evenly as possible over the channels 7 or .collects out of the channels 7. The products then reach the back of the device shown in FIG 2 upper half of the plate or flow from this into the distribution area 9 . On this rear side, which is not explicitly shown here, the openings 11 are each connected via so-called vias 12 to media supply/discharge openings 13, which are also referred to as ports. On the opposite surface, the structure is essentially the same, with the inflow and outflow of the media taking place through the ports designated here as 14, which are diagonally opposite one another. Here, too, the medium will flow from the ports 14 via indicated vias 15 and openings not shown here to a flow distribution area, which in turn is connected by a flow field, or will flow out of it accordingly via openings that cannot be seen here. Between the two plate halves, in addition to the vias 12, 15, there is a flow field (not visible here) with cooling channels 16 and webs 17 arranged between them (cf. 3 ) and corresponding vias 18, which connect the ports 19 for supplying and removing cooling medium with the cooling medium flow field.

Dieser Aufbau kann nun bei den Bipolarplatten 3 und bei den Zwischenplatten 4 grundsätzlich identisch aufgebaut sein. Der einzige Unterschied besteht nun darin, dass die durchströmbaren Querschnitte der einzelnen Bereiche unterschiedlich realisiert sind. In den folgenden 3 bis 6 werden daher beispielhaft anhand der in 2 mit III bis VI bezeichneten Bereiche diese Strömungsquerschnitte anhand von Schnittdarstellungen näher erläutert. Der mit durchgezogener Linie dargestellte und mit (4) bezeichnete Aufbau zeigt dabei den Aufbau, der in den Zwischenplatten 4 realisiert ist. Mit gestrichelter Linie und mit (3) gekennzeichnet ist zum Vergleich der Aufbau bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3, welche sich weiter innen in dem Brennstoffzellenstapels 1 befindet, dargestellt.In principle, this structure can now be constructed identically for the bipolar plates 3 and for the intermediate plates 4 . The only difference is that the cross-sections of the individual areas that can be flowed through are implemented differently. In the following 3 until 6 are therefore used as an example in 2 areas denoted by III to VI, these flow cross sections are explained in more detail with the aid of sectional views. The structure shown with a solid line and labeled ( 4 ) shows the structure that is implemented in the intermediate plates 4 . The structure of a conventional bipolar plate 3, which is located further inside in the fuel cell stack 1, is shown with a dashed line and labeled (3) for comparison.

In der 3 ist nun ein Ausschnitt aus dem Bereich des Strömungsfeldes 6 zu erkennen. In der Darstellung der 3 oben ist die kathodenseitige Hälfte 41 der Zwischenplatte 4 dargestellt, in der unteren Hälfte die der anodenseitigen Hälfte 42 der Zwischenplatte 4. Die kathodenseitige Hälfte 41 ist mit breiter, unregelmäßiger Schraffur dargestellt, die anodenseitige Hälfte 42 mit enger, regelmäßiger Schraffur, was sich über die nachfolgenden 3 bis 6 so fortsetzt. Vom Strömungsfeld 6 sind nun die Kanäle 7 und die dazwischen angeordneten Stege 8 zu erkennen. Darunter sind die oben bereits angesprochenen Kanäle 16 und Stege 17 für das Kühlmedienströmungsfeld zu erkennen. Diese sind hier in die anodenseitige Hälfte 42 eingebracht, auf deren gegenüberliegender Oberfläche sich Kanäle 20 und Stege 21 des anodenseitigen Strömungsfeldes befinden.In the 3 a section from the area of the flow field 6 can now be seen. In the representation of 3 the cathode-side half 41 of the intermediate plate 4 is shown at the top, and the anode-side half 42 of the intermediate plate 4 is shown in the lower half. The cathode-side half 41 is shown with wide, irregular hatching, the anode-side half 42 with narrow, regular hatching, which subsequent 3 until 6 so continues. The channels 7 and the webs 8 arranged between them can now be seen from the flow field 6 . Underneath, the channels 16 and webs 17 already mentioned above for the coolant flow field can be seen. These are introduced here in the anode-side half 42, on whose opposite surface there are channels 20 and webs 21 of the anode-side flow field.

Der entscheidende Designaspekt ist nun durch die gestrichelten Linien angedeutet. Diese symbolisieren den mit (3) gekennzeichneten Aufbau, wie er bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3 wäre. Im Gegensatz dazu ist nun sowohl die Breite als auch die Tiefe bzw. Höhe der Kanäle 7, 20 sowohl in der anodenseitigen Hälfte 42 als auch in der kathodenseitigen Hälfte 41 entsprechend vergrößert. Hierdurch kann mehr Edukt zu der jeweiligen Membranelektrodenanordnung geführt werden. Gleichzeitig ist der durchströmbare Querschnitt der Kanäle 16 für das Kühlmedium entsprechend verringert, indem sowohl die Breite als auch die Höhe bzw. Tiefe der Kühlmedienkanäle 16 gegenüber dem gestrichelt eingezeichneten Aufbau bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3 verringert wird. Hierdurch wird also einerseits eine vermehrte Versorgung der durch die in Stapelrichtung erste und letzte Membranelektrodenanordnung 2` gebildeten Einzelzelle mit Edukten auf der jeweils der Endplatte 5 zugewandten Seite dieser Membranelektrodenanordnung 2' erreicht. Gleichzeitig wird durch die geringeren durchströmbaren Querschnitte der Kanäle 16 für das Kühlmedium die Kühlung verringert, sodass insgesamt der vermehrten Wärmeabfuhr von dieser letzten Zwischenplatte 4 durch ihren unmittelbaren Kontakt mit der Endplatte 5 Rechnung getragen wird. Durch die veränderte Geometrie der Strömungsquerschnitte sowohl für die Edukte/Produkte als auch für das Kühlmedium kann so ein entscheidender Vorteil erzielt werden.The crucial design aspect is now indicated by the dashed lines. These symbolize the structure marked (3) as it would be in a conventional bipolar plate 3 . In contrast to this, both the width and the depth or height of the channels 7, 20 are the same both in the anode-side half 42 and in the cathode side half 41 enlarged accordingly. As a result, more starting material can be fed to the respective membrane electrode arrangement. At the same time, the cross section through which the channels 16 can flow for the cooling medium is correspondingly reduced in that both the width and the height or depth of the cooling medium channels 16 are reduced compared to the structure shown in dashed lines in a conventional bipolar plate 3 . In this way, on the one hand, an increased supply of reactants to the individual cell formed by the first and last membrane electrode arrangement 2` in the stacking direction is achieved on the side of this membrane electrode arrangement 2' facing the end plate 5. At the same time, the cooling is reduced due to the smaller flow cross sections of the channels 16 for the cooling medium, so that overall the increased heat dissipation from this last intermediate plate 4 due to its direct contact with the end plate 5 is taken into account. A decisive advantage can be achieved by changing the geometry of the flow cross-sections for both the educts/products and the cooling medium.

In der Darstellung der 4 ist nun der Strömungsverteilbereich 9 näher dargestellt. Die Noppen 10 sind in ihrer Geometrie unverändert, um die Tragfähigkeit des Aufbaus nicht zu verringern und die Gefahr eines Einsinkens des Materials der Membranelektrodenanordnung 2`, und hier insbesondere ihrer Gasdiffusionslage, welche die Membranelektrodenanordnung 2, 2`, gegenüber den Bipolarplatten 3 und Zwischenplatten 4 entsprechend begrenzt, zu verhindern. Die Vergrößerung des durchströmbaren Querschnitts einerseits und die Verringerung des durchströmbaren Querschnitts der Kanäle 16 für das Kühlmedium andererseits wird hier lediglich durch eine Variation in der Höhe bzw. Tiefe erreicht.In the representation of 4 the flow distribution area 9 is now shown in more detail. The geometry of the knobs 10 is unchanged so as not to reduce the load-bearing capacity of the structure and the risk of the material of the membrane electrode arrangement 2' sinking in, and here in particular its gas diffusion layer, which separates the membrane electrode arrangement 2, 2' from the bipolar plates 3 and intermediate plates 4 appropriately limited to prevent. The enlargement of the flowable cross section on the one hand and the reduction of the flowable cross section of the channels 16 for the cooling medium on the other hand is achieved here only by varying the height or depth.

5 zeigt nun am Beispiel der Vias 12 für die Luft die Veränderung des durchströmbaren Querschnitts im Bereich dieser Vias. Dies lässt sich so unmittelbar auf die Vias 15 für den Wasserstoff übertragen. Auch hier ist es so, dass sowohl die Breite als auch die Höhe der Vias 15 entsprechend vergrößert wird. Im Gegensatz dazu werden die Vias 18 für das Kühlmedium, wie es in der abschließenden 6 dargestellt ist, in ihrem Querschnitt verringert, indem sowohl die Höhe als auch die Breite des durchströmbaren Querschnitts reduziert wird. 5 now shows the change in the cross-section through which air can flow in the area of these vias using the example of vias 12 . This can be transferred directly to the vias 15 for the hydrogen. It is also the case here that both the width and the height of the vias 15 are increased accordingly. In contrast, the vias 18 for the cooling medium, as shown in the final 6 is shown, reduced in its cross section by both the height and the width of the flow cross section is reduced.

Insgesamt lässt sich so ein homogener Betrieb aller Einzelzellen in dem Brennstoffzellenstapel 1 gewährleisten, sodass also auch die den beiden Endplatten 5 zugewandte erste und letzte Einzelzelle weitgehend homogen im Vergleich zu den anderen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels betrieben werden können.Overall, homogeneous operation of all individual cells in the fuel cell stack 1 can be ensured, so that the first and last individual cell facing the two end plates 5 can also be operated largely homogeneously compared to the other individual cells of the fuel cell stack.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

• WO 2004006370 A2 [0004]WO 2004006370 A2 [0004]
• DE 102006015247 A1 [0005]DE 102006015247 A1 [0005]
• DE 102006016814 A1 [0007]DE 102006016814 A1 [0007]

Claims (8)

Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Vielzahl von Einzelzellen, welche jeweils eine Membranelektrodenanordnung (2, 2`) und Bipolarplatten (3) aufweisen, wobei die Bipolarplatte (3) eine anodenseitige Hälfte, welcher der einen Membranelektrodenanordnung (2, 2`) zugewandt ist, und eine kathodenseitige Hälfte, welche der benachbarten Membranelektrodenanordnung (2, 2`) zugewandt ist, aufweisen, welche jeweils zur Zufuhr von Edukten und zur Abfuhr von Produkten ausgebildete durchströmbare Querschnitte aufweisen, und welche zwischen den Hälften durchströmbare Querschnitte für ein Kühlmedium aufweisen, ferner mit zwei Endplatten (5), zwischen welchen die Einzelzellen verspannt sind, wobei zwischen der jeweiligen Endplatte (5) und der dieser Endplatte (5) benachbarten Membranelektrodenanordnung (2') eine Zwischenplatte (4) angeordnet ist, wobei die Zwischenplatte (4) einen im Vergleich zu den Bipolarplatten (3) vergrößerten durchströmbaren Querschnitt für die Edukte und Produkte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (4) einen im Vergleich zu den Bipolarplatten (3) verringerten durchströmbaren Querschnitt für das Kühlmedium aufweist.Fuel cell stack (1) with a large number of individual cells, each of which has a membrane electrode arrangement (2, 2`) and bipolar plates (3), the bipolar plate (3) having an anode-side half which faces one membrane electrode arrangement (2, 2`), and a cathode-side half, which faces the adjacent membrane electrode arrangement (2, 2`), which each have flowable cross-sections designed for the supply of educts and for the removal of products, and which have flowable cross-sections between the halves for a cooling medium, further with two end plates (5), between which the individual cells are braced, an intermediate plate (4) being arranged between the respective end plate (5) and the membrane electrode arrangement (2') adjacent to this end plate (5), the intermediate plate (4) having an im Compared to the bipolar plates (3) has an enlarged cross-section through which the reactants and products can flow, dadu rch characterized in that the intermediate plate (4) compared to the bipolar plates (3) has a reduced cross-section through which the cooling medium can flow. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle durchströmbaren Querschnitte in der Zwischenplatte (4) im Vergleich zu der Bipolarplatte (3) vergrößert beziehungsweise verkleinert sind.Fuel cell stack (1) after claim 1 , characterized in that all cross-sections through which flow can take place in the intermediate plate (4) are enlarged or reduced in comparison to the bipolar plate (3). Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (4) dieselben äußeren Abmessungen, insbesondere dieselbe Dicke, wie die Bipolarplatte (3) aufweist.Fuel cell stack (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the intermediate plate (4) has the same external dimensions, in particular the same thickness, as the bipolar plate (3). Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte aus einer kathodenseitigen und einer anodenseitigen Hälfte (41, 42) aufgebaut ist.Fuel cell stack (1) after claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the intermediate plate is made up of a cathode-side and an anode-side half (41, 42). Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und die Höhe von durchströmbaren Kanälen (7) für Edukte und Produkte vergrößert sind, und dass die Breite und die Höhe von durchströmbaren Kanälen (16) für das Kühlmedium verringert sind.Fuel cell stack (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the width and height of channels (7) through which reactants and products can flow are increased, and in that the width and height of channels (16) through which coolant can flow are reduced. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich mit einer offenen Noppen (10) umfassenden Strömungsverteilstruktur (9) nur die Höhe der durchströmbaren Querschnitte vergrößert oder verkleinert ist.Fuel cell stack (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that in a transition area with a flow distribution structure (9) comprising open knobs (10) only the height of the cross-sections through which flow is possible is increased or decreased. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Bipolarplatten (3) als auch die Zwischenplatten (4) in derselben Art und aus demselben Material hergestellt sind.Fuel cell stack (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that both the bipolar plates (3) and the intermediate plates (4) are made in the same way and from the same material. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (3) und die Zwischenplatten (4) aus einem aushärtbaren Kunststoffmaterial mit einem elektrisch leitenden Füllstoff, insbesondere Graphit, hergestellt sind.Fuel cell stack (1) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the bipolar plates (3) and the intermediate plates (4) are made of a curable plastic material with an electrically conductive filler, in particular graphite.

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