WO2014131619A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2014131619A1
WO2014131619A1 PCT/EP2014/052711 EP2014052711W WO2014131619A1 WO 2014131619 A1 WO2014131619 A1 WO 2014131619A1 EP 2014052711 W EP2014052711 W EP 2014052711W WO 2014131619 A1 WO2014131619 A1 WO 2014131619A1
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cooling channel
fuel cell
cell stack
bipolar plate
cooling
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PCT/EP2014/052711
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Stefan Haase
Johannes Schmid
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack with a plurality of stacked individual fuel cells with bipolar plates and provided away from the chemically active surfaces of the individual fuel cells channels for the supply of reactants and removal of the reaction products to / from the individual fuel cells and a cooling fluid for the individual fuel cells leading cooling channel.
  • a fuel cell stack with a plurality of stacked individual fuel cells with bipolar plates and provided away from the chemically active surfaces of the individual fuel cells channels for the supply of reactants and removal of the reaction products to / from the individual fuel cells and a cooling fluid for the individual fuel cells leading cooling channel.
  • Fuel cell stacks realize high power densities with their chemically active surfaces, for example of the order of 200 to 350 cm 2 , which requires cooling of the individual fuel cells.
  • cooling plates are usually provided, in which, in cooperation with profiled bipolar plates for producing a suitable flow field, a cooling fluid (also called coolant or heat transfer medium) is guided over the planes of the respective individual fuel cells.
  • the cooling fluid, as well as the reactants and reaction products of these individual fuel cells are each guided or led away to the stacked individual fuel cells via a duct which extends generally perpendicular to the planes of the individual fuel cells or bipolar plates, these ducts usually at the edge region of the individual fuel cells lie, ie run away and usually outside the chemically active region of the individual fuel cells.
  • the walls of these channels may well be formed by the individual bipolar plates and other stacked elements of the fuel cell stack.
  • the high power densities of the fuel cell stacks require a complex cooling concept for the bipolar plates, which can be known to be one or more metal plates or metal foil (s), so that each bipolar plate in the chemically active region has a gas-impermeable electrically conductive surface Layer describes.
  • the bipolar plate ie between two metal foils or the like.
  • a significantly increased heat transfer between the cooling fluid guided in the cooling channel and any bipolar plate projecting into the cooling channel occurs at least within the cooling channel.
  • each bipolar plate is designed in accordance with the invention, it may be possible to completely dispense with guiding the cooling fluid in the planes of the bipolar plates. But even if, as usual, the cooling fluid is diverted from the cooling channel into the planes of the bipolar plates, bipolar plates designed according to the invention undergo enhanced cooling, in particular in that their section protruding into the cooling channel forms a flow obstacle, which causes an increased heat transfer between the cooling fluid and the bipolar plate.
  • the heat transfer between the cooling fluid and the bipolar plate projecting into the cooling channel can be further increased if its section protruding into the cooling channel has a larger surface area than a simple planar extension of the bipolar plate into the cooling channel.
  • a surface-enlarging embodiment can be realized in different ways:
  • the protruding into the cooling channel section may be formed meandering.
  • this section may have the shape of a closed rectangle.
  • Another embodiment provides a shape as a U-shaped channel, which can also be closed with a lid.
  • the ends of the sections of the bipolar plates protruding into the cooling channel are connected to the wall of the cooling channel and / or to one another, for example via a depression or other suitable other structures and / or an introduced material, for example in the form of an elastomer in the cooling channel or be fixed relative to this, of course, without an electrical short circuit dar- to deliver.
  • a mechanical, but not electrically conductive connection a displacement or deformation of the bipolar plates in the cooling channel during operation of the fuel cell stack, which could lead to contacting at least two bipolar plates with each other, be excluded.
  • the cooling channel wall can be shaped in such a way that during the manufacturing process of the fuel cell stack, the protruding into the cooling channel portions of the bipolar plates or at least the ends are deformed in a desired manner.
  • the ends of a bipartite bipolar plate ie such a bipolar plate, which is formed by two stacked plates, in different directions through a projecting from the cooling channel wall tip in different directions, namely the end of the upper sheet and the end of the lower Bleed down, be bent up.
  • These quasi Y-shaped bent ends can then be fixed in a recess of the cooling channel wall.
  • an inventively designed fuel cell stack in which at least one, but preferably all, bipolar plate (s) is or are each formed from a single metal sheet is particularly advantageous. This not only sets a lower pressure drop in the flow of cooling fluid, as this does not need to be performed within the stack and / or distributed homogeneously within a bipartite bipolar plate, but this reduces in particular the height of the fuel cell stack.
  • An optionally existing profiling of the bipolar plates for the targeted guidance of the reactants can then be made simpler or provided only in some areas.
  • the bipolar plates do not have to be integral with the bipolar plate material in the chemically active region, but these sections can also preferably be connected in a materially bonded manner to the material of the respective bipolar plate in the chemically active region.
  • the walls of a cooling channel according to the invention projecting into the edge sections of the bipolar plates, also from the bipolar plates the stacked individual fuel cells be formed, between which, of course, suitably shaped sealing elements or the like.
  • the one or more cooling channels provided, for example, or preferably on two opposite edge regions of each bipolar plate or individual fuel cell, may be formed by independent channel structures.
  • FIGS. 1 and 2 each show a cooling channel 1 perpendicular to the plane of the drawing, the wall 3 or walls 3 of which are not formed by bipolar plates and in which bipolar plates 2, which lie in a plane lying perpendicular to the plane of the drawing, protrude with an edge section 2 * .
  • the cooling channel 1 perpendicular to the plane of the drawing, the wall 3 or walls 3 of which are not formed by bipolar plates and in which bipolar plates 2, which lie in a plane lying perpendicular to the plane of the drawing, protrude with an edge section 2 * .
  • the chemically active regions of the individual fuel cells not shown in the figure, are stacked one above the other, of which a number of bipolar plates 2 are represented in sections.
  • coolant distribution channel which extend at the front and / or rear end of the coolant channel 1, preferably in the vertical direction, ie in the stacking direction of the individual fuel cells can. In some of the following embodiments, such a distribution channel is not required at all.
  • FIGS. 3, 4 show various embodiments of edge sections 2 * of bipolar plates 2 according to the invention in a view analogous to FIGS. 1, 2 without a surrounding cooling channel.
  • FIGS. 5-7 again show with cooling channel 1 in a view analogous to FIGS. 1, 2 further embodiments of a fuel cell stack according to the invention, while FIGS. 8-10 show further shapes according to the invention on sections 2 * of bipolar plates of individual fuel cells projecting into a cooling channel a fuel cell stack on the essential abstracted are shown in perspective.
  • FIG. 2 also shows in the upper illustration (letter A) a bipolar plate 2 consisting of two interconnected profiled sheets 2 a, 2 b.
  • a bipolar plate 2 consisting of two interconnected profiled sheets 2 a, 2 b.
  • the two middle representations (letters B, C) in FIG. 2 show embodiments of simple bipolar plates 2 in which the section 2 * projecting into the cooling channel 1 is not formed in a special way, whereby under the letter B one of two is superimposed on one another connected profiled sheets 2a, 2b existing bipolar plate 2 is shown, while under the letter C is made of a single profiled sheet bipolar plate 2 is shown.
  • a bipolar plate 2 consisting of a single profile sheet is shown under the letter D, the section 2 * of which projecting into the cooling channel 1 is meander-shaped for enlarging the surface.
  • Figure 3 shows in the three upper figures under the letters A, B, C each consist of two interconnected profiled sheets 2a, 2b existing bipolar plate (2) or substantially their in a cooling channel (1) not shown protruding portion 2 *.
  • each of the sections 2 * of the profiled sheets 2a, 2b extending into the cooling channel 1 is designed as a U-shaped channel, the open sides of the two channels facing one another.
  • two U-shaped channels are formed on each of the sections 2 * of the profiled sheets 2a, 2b which extend into the cooling channel 1.
  • the open sides of the channels face each other, so that in each case a closed channel K is formed.
  • a V-shaped channel is formed in each of the sections 2 * of the profiled sheets 2 a, 2 b extending into the cooling channel 1, whereby the open sides of the channels form a closed channel K with a large heat-transferring surface facing each other.
  • the two lower representations (letters D, E) in FIG. 3 show a bipolar plate consisting of a single profiled sheet and with its edge section 2 * in the cooling channel 2.
  • the section 2 * extending into the cooling channel 1 is designed as a U-shaped channel in its end region, which is closed according to embodiment D with a separate cover part 3.
  • the section 2 * reaching into the cooling channel can also be formed into a closed rectangle.
  • FIG. 4 further embodiments are shown under the letters A, B, C, D, which show a larger surface area of the sections 2 * of a cooling channel (here optionally formed of two profiled sheets 2 a, 2 b), compared to the prior art (FIG. 2) show.
  • sections 2 * of the two profile sheets 2a, 2b formed differently.
  • one of the sections 2 * extending into the cooling channel is designed as a U-shaped channel, while the other section extending into the cooling channel is rectilinear and the open channel of the other (first-mentioned) profiled sheet 2b covers.
  • a V-shaped channel is formed in the section 2 * of the profiled sheet 2 b extending into the cooling channel, while the other section of the profiled sheet 2 a extending into the cooling channel is rectilinear or planar and the open channel of the other (former)
  • Profile sheet 2b covers.
  • each of the sections 2 * of the profiled sheets 2 a, 2 b reaching into the cooling channel 1 has a V-shaped one Channel formation, wherein the open sides of these V-shaped channels facing each other, but offset from each other and again cover the open channel of the other profile sheet.
  • each bipolar plate 2 By forming each bipolar plate 2 at its end at least one closed channel in the embodiments shown in Figures 3 and 4, this can also act as a cooling fluid channel, which in a fuel cell stack with bipolar plates designed in this way practically as many individual cooling fluid channels or if this configuration at the two Be provided opposite edges of the bipolar plate, twice as many cooling channels branch off from a supply channel for cooling fluid and could open with its other end again in a common discharge channel for cooling fluid, as in this fuel cell stack bipolar plates are present.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the sections 2 * of the bipolar plates 2 projecting into the cooling channel 1 analogously to FIGS. 1, 2 completely pass through this cooling channel 1 and into one of those walls through which the bipolar plate 2 is led into the cooling channel 1 , opposite wall of the cooling channel 1 provided recess 5 are held.
  • This or each recess 5 acts as a spacer and thus prevents the bipolar plates 2 of the stacked individual fuel cells can come into contact with each other.
  • the recess 5 can also serve for positioning and supporting the respective bipolar plate 2 in the fuel cell stack.
  • the reference numeral 6 in this figure 5 for the embodiment A a of said opposite wall of the cooling channel 1 in this a certain extent in projecting tip 6 is characterized, which may be provided to one of two initially analogous to the Ausure- form B of Fig. 5 superimposed profile sheets 2a, 2b composite bipolar plate 2 in the assembly process of the fuel cell stack, for example.
  • the embodiment C of Figure 5 shows two each formed from a single sheet of bipolar plates 2 of two adjacent Einzelbrennstoffzel- len with due to the bending also slightly enlarged heat transfer surface in the cooling channel 1.
  • an electrical insulation layer is provided in these embodiments of Figure 5 to ensure that over the wall 3 having the recesses 5 does not form an electrically conductive connection between the bipolar plates 2 of the various individual fuel cells, which may be realized, for example, by the said wall 3 being made in an electrical insulator material or in the recesses 5 an electrical insulation layer is provided.
  • an electrical insulation layer is provided.
  • the latter is not necessary if, according to the embodiments of Figure 6, the free ends of reaching into the cooling channel 1 sections 2 * of the bipolar plates 2 via an introduced electrically non-conductive and thereby a mechanical, for example.
  • Bonding compound producing material 91, 93 with the said " either by such a support on the wall 3 and a mutual support of the bipolar plates 2 of two adjacent individual fuel cells is possible, as shown in Figure 6 for the reference numeral 93rd or the material 2 2 'of the bipolar plates 2 of two adjacent individual fuel cells projecting into the cooling channel 1 can only be supported against one another, as indicated by the material 92.
  • the reference numeral 94 a suitable material is characterized, which securely holds the sections 2 * of the profiled sheets 2a, 2b of a bipolar plate 2 apart in the Y-shape already shown several times. As shown in FIG.
  • a material 1 1 introduced between the sections 2 * of the bipolar plates 2 of adjacent individual fuel cells protruding into the cooling channel 1 can not only be provided to mutually support the mutually adjacent sections 2 * in an electrically insulating manner but can instead by such material 1 1 in the cooling channel 1 also different flow zones or sub-channels are formed, which are marked in Figure 7 with the letters A, B.
  • a low flow resistance prevails here than in the flow zone B.
  • Such a subdivision can be advantageous, for example, if different coolant flows can be supplied to the flow zones or partial channels A and B via different coolant distribution channels or the like.
  • the cooling channel extends in each case in the direction of arrow P
  • Fig.8 are on a single sheet over its (viewed in the direction of arrow P) length alternately sections 21 up or down (reference numeral 22) bent, which additionally twisted slightly in the embodiment of Figure 9, ie a are rotated perpendicular to the arrow P in the plane of the sheet extending axis.
  • the Strö- tion profile of the cooling fluid flow can be influenced or adjusted in the desired manner.
  • the flow profile of the cooling fluid flow is influenced by apertures or passage openings 23 for the cooling fluid provided in the said section 2 *, wherein here the design is advantageously such that indentations or the like are shown in the figure 24, which force the cooling fluid flowing toward it to pass through the respective passage opening 23.
  • these nozzles 24 are alternately provided alternately on the upper side and on the underside of the sheet forming said section 2 *, the heat transfer between this projecting into the cooling channel section 2 * of the bipolar plate and guided in the cooling channel cooling fluid increased significantly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack mit mehreren zu einem Stapel zusammengefassten Einzelbrennstoffzellen mit Bipolarplatten (2) und abseits der chemisch aktiven Flächen der Einzelbrennstoffzellen vorgesehenen Kanälen für die Zuführung der Reaktanden und Abführung der Reaktionsprodukte zu/von den Einzelbrennstoffzellen sowie einem ein Kühlfluid für die Einzelbrennstoffzellen führenden Kühlkanal (1), wobei zumindest eine der Bipolarplatten (2) in den Kühlkanal (1) hineinragt und damit ein Strömungshindernis für das darin geführte Kühlfluid bildet. Vorzugsweise weist der in den Kühlkanal (1) hinein ragende Abschnitt (2*) der Bipolarplatte (2) eine gegenüber einer einfachen ebenen Verlängerung der Bipolarplatte (2) vergrößerte Oberfläche auf.

Description

BRENNSTOFFZELLENSTAPEL Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack mit mehreren zu einem Stapel zusammengefassten Einzelbrennstoffzellen mit Bipolarplatten und abseits der chemisch aktiven Flächen der Einzelbrennstoffzellen vorgesehenen Kanälen für die Zuführung der Reaktanden und Abführung der Reaktionsprodukte zu/von den Einzelbrennstoffzellen sowie einem ein Kühlfluid für die Einzelbrennstoffzellen führenden Kühlkanal. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die EP 1 830 426 B1 verwiesen.
Brennstoffzellenstacks realisieren hohe Leistungsdichten mit ihren che- misch aktiven Flächen bspw. in der Größenordnung von 200 bis 350 cm2, was eine Kühlung der Einzelbrennstoffzellen bedingt. Hierfür sind üblicherweise Kühlplatten vorgesehen, in denen im Zusammenwirken mit zur Erzeugung eines geeigneten Flussfelds profilierten Bipolarplatten ein Kühlfluid (auch Kühlmittel oder Wärmeträgermittel genannt) über die Ebe- nen der jeweiligen Einzelbrennstoffzellen geführt wird. An die aufeinander gestapelten Einzelbrennstoffzellen wird das Kühlfluid ebenso wie die Reaktanden und Reaktionsprodukte dieser Einzelbrennstoffzellen jeweils über einen sich in der Regel senkrecht zu den Ebenen der Einzelbrennstoffzellen bzw. der Bipolarplatten erstreckenden Kanal herangeführt bzw. abgeführt, wobei diese Kanäle üblicherweise am Randbereich der Einzel- brennstoffzellen liegen, d.h. abseits und üblicherweise außerhalb des chemisch aktiven Bereichs der Einzelbrennstoffzellen verlaufen. Dabei können die Wände dieser Kanäle durchaus auch von den einzelnen Bipolarplatten und weiteren aufeinander gestapelten Elementen des Brennstoffzellstacks gebildet sein. Die hohen Leistungsdichten der Brennstoffzellenstacks erfordern ein aufwändiges Kühlkonzept für die Bipolarplatten, bei denen es sich bekanntlich um eine oder mehrere aufeinander gefügte Metallplatte(n) oder Metall- folie(n) handeln kann, so dass jede Bipolarplatte im chemisch aktiven Bereich eine gasundurchlässige elektrisch leitende Schicht beschreibt. Insbesondere wenn innerhalb der Bipolarplatte, d.h. zwischen zwei Metallfolien oder dgl. ein Kühlfluid zu führen ist, wird die Komplexität der Bipolarplatten signifikant erhöht, weshalb für einen Brennstoffzellenstack nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Maßnahme zur Steigerung der Kühlwirkung aufgezeigt werden soll, welche ein einfacheres Kühlkonzept ermöglicht (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
Die Lösung diese Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Bipolarplatten in den besagten Kühlkanal hineinragt und damit ein Strömungshindernis für das darin geführte Kühlfluid bildet. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergibt sich zumindest in- nerhalb des Kühlkanals ein signifikant gesteigerter Wärmeübergang zwischen dem im Kühlkanal (heran) geführten Kühlfluid und jeder in den Kühlkanal hineinragenden Bipolarplatte. Insbesondere wenn jede Bipolarplatte in erfindungsgemäßer Weise gestaltet ist, kann gegebenenfalls auf eine Führung des Kühlfluids in den Ebenen der Bipolarplatten vollständig verzichtet werden. Aber auch wenn wie üblich das Kühlfluid vom Kühlkanal in die Ebenen der Bipolarplatten abgezweigt wird erfahren erfindungsgemäß gestaltete Bipolarplatten eine verstärkte Kühlung insbesondere dadurch, dass deren in den Kühlkanal hineinragender Abschnitt ein Strömungshindernis bildet, was einen gesteigerten Wärmeübergang zwischen dem Kühlfluid und der Bipolarplatte bewirkt. Wenn - wie bereits erwähnt - die weitere Kühlung in der Ebene der einzelnen Bipolarpiatte nur durch Wärmeleitung erfolgt, so dass also in der Ebene der Bipolarplatten kein Kühlfluid geführt ist, so verringert sich die Bauhöhe eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks gegenüber dem Stand der Technik signifikant und es werden damit auch weniger aufwändig geformte Bipolarplatten benötigt.
Noch weiter gesteigert kann der Wärmeübergang zwischen dem Kühlfluid und der in den Kühlkanal hineinragenden Bipolarplatte, wenn deren in den Kühlkanal hineinragender Abschnitt eine größere Oberfläche aufweist als eine einfache ebene Verlängerung der Bipolarplatte in den Kühlkanal be- sitzen würde. Eine solche oberflächenvergrößernde Ausgestaltung kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden: Beispielsweise kann der in den Kühlkanal hineinragende Abschnitt mäanderförmig ausgebildet sein. Auch kann dieser Abschnitt die Form eines geschlossenen Rechtecks aufweisen. Eine andere Ausgestaltung sieht eine Formgebung als U- förmiger Kanal vor, der auch mit einem Deckel verschlossen sein kann. Äußerst einfach darstellbar und dennoch wirkungsvoll ist eine oberflächenvergrößernde Ausgestaltung solchermaßen, dass der in den Kühlkanal hinein ragende Abschnitt der Bipolarplatte zumindest abschnittsweise gegenüber dem nicht in den Kühlkanal hinein ragenden Abschnitt der Bipolarplatte geneigt und/oder tordiert ist. Mit einer Tordierung oder partiellen Verdrillung des in den Kühlkanal hineinragenden Abschnitts der Bipolarplatte ist vorteilhafterweise das Strömungsprofil des Kühlfluids im Kühlkanal in einer gewünschten Weise beeinflussbar. Gleiches gilt für eine weiterhin vorgeschlagene Ausgestaltung, wonach der in den Kühlkanal hinein ragende Abschnitt der Bipolarplatte eine Durchbrechung aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Enden der in den Kühlkanal hineinragenden Abschnitte der Bipolarplatten an der Wand des Kühlkanals und/oder untereinander bspw. über eine Vertiefung oder andere geeignete andere Strukturen und/oder ein eingebrachtes Material bspw. in Form eines Elastomers im Kühlkanal bzw. relativ zu diesem geeignet fixiert werden, selbstverständlich ohne hierbei einen elektrischen Kurzschluss dar- zustellen. Mit einer solchen mechanischen, jedoch nicht elektrisch leitenden Verbindung kann eine Verschiebung oder Verformung der Bipolarplatten im Kühlkanal bei Betrieb des Brennstoffzellenstacks, welche zu einer Kontaktierung zumindest zweier Bipolarplatten untereinander füh- ren könnte, ausgeschlossen werden. In diesem Sinne kann auch die Kühlkanalwand solchermaßen geformt sein, dass während des Fertigungsprozesses des Brennstoffzellenstacks die in den Kühlkanal hineinragenden Abschnitte der Bipolarplatten bzw. zumindest deren Enden in gewünschter Weise verformt werden. Beispielsweise können die Enden einer zweiteili- gen Bipolarplatte, d.h. einer solchen Bipolarplatte, die durch zwei aufeinander liegende Bleche gebildet ist, durch eine von der Kühlkanal-Wand abragende Spitze in verschiedene Richtungen, nämlich das Ende des oberen Blechs nach oben und das Ende des unteren Blechs nach unten, aufgebogen werden. Diese quasi Y-förmig aufgebogenen Enden können dann auch in einer Vertiefung der Kühlkanalwand fixiert sein. Damit ist quasi ein Brennstoffzellenstack mit einer aus zumindest zwei Blechen geformten Bipolarplatte geschaffen, deren in den Kühlkanal hinein ragenden Abschnitte verschiedenartig geformt sind, wobei selbstverständlich auch andersartige Ausgestaltungen der letztgenannten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Besonders vorteilhaft ist jedoch ein erfindungsgemäß gestalteter Brennstoffzellenstack, bei dem zumindest eine, vorzugsweise jedoch sämtlich Bipolarplatte(n) jeweils aus einem einzigen Blech geformt ist bzw. sind. Hierbei stellt sich nicht nur ein geringerer Druckverlust im Strom des Kühlfluids ein, da dieses nicht innerhalb des Stapels geführt und bzw. innerhalb einer zweiteiligen Bipolarplatte homogen verteilt werden muss, sondern es verringert sich hierdurch insbesondere die Bauhöhe des Brennstoffzellstacks. Auch kann eine ggf. vorhandene Profilierung der Bipolarplatten zur gezielten Führung der Reaktanden dann einfacher gestaltet bzw. nur in Teilbereichen vorgesehen sein. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass die in den Kühlkanal hineinragenden Abschnit- te der Bipolarplatten übrigens nicht einstückig mit dem Bipolarplatten- Material im chemisch aktiven Bereich sein müssen, sondern es können diese besagten Abschnitte auch vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Material der jeweiligen Bipolarplatte im chemisch aktiven Bereich verbunden sein.
Ähnlich den Zufuhrkanälen und Abfuhrkanälen für Reaktanden, Reaktionsprodukte und einem Kühlfluid beim bekannten Stand der Technik (vgl. bspw. die eingangs genannte Schrift) können die Wände eines erfin- dungsgemäßen Kühlkanals, in den Rand-Abschnitte der Bipolarplatten hinein ragen, auch von den Bipolarplatten der übereinander gestapelten Einzelbrennstoffzellen gebildet sein, zwischen denen selbstverständlich geeignet geformte Dichtelemente oder dgl. vorzusehen sind. Alternativ kann der oder können die beispielsweise oder vorzugsweise an zwei ei- nander gegenüberliegenden Randbereichen jeder Bipolarplatte bzw. Einzelbrennstoffzelle vorgesehenen Kühlkanäle durch eigenständige Kanal- Strukturen gebildet sein.
In den beigefügten Figuren sind auf das Wesentliche stark abstrahiert ei- nige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei die Figuren 1 , 2 jeweils einen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Kühlkanal 1 zeigen, dessen Wand 3 oder Wände 3 vorliegend nicht von Bipolarplatten gebildet sind und in welchen Bipolarplatten 2, die in einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Ebene liegen, mit einem Rand-Abschnitt 2* hin- einragen. In den Figuren befinden sich rechtsseitig des Kühlkanals 1 die chemisch aktiven Bereiche der figürlich nicht dargestellten übereinander gestapelten Einzelbrennstoffzellen, von denen stellvertretend einige Bipolarplatten 2 abschnittsweise dargestellt sind. Nicht dargestellt ist ein üblicherweise vorgesehener, jedoch nicht bei allen Ausführungsbeispielen obligatorisch vorhandener Kühlmittel-Verteilkanal, der am vorderen und/oder hinteren Ende des Kühlmittelkanals 1 vorzugsweise in Vertikalrichtung, d.h. in Stapel-Richtung der Einzelbrennstoffzellen verlaufen kann. Bei einigen der folgenden Ausführungsbeispiele ist ein solcher Verteilkanal überhaupt nicht erforderlich.
In den Figuren 3, 4 sind verschiedene Ausgestaltungen von Rand- Abschnitten 2* von erfindungsgemäßen Bipolarplatten 2 in einer den Figuren 1 , 2 analogen Ansicht ohne umgebenden Kühlkanal gezeigt.
Die Figuren 5 - 7 zeigen nun wieder mit Kühlkanal 1 in einer Ansicht analog den Figuren 1 , 2 weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks, während in den Figuren 8 - 10 weitere erfin- dungsgemäße Formgebungen an in einen Kühlkanal hineinragenden Abschnitten 2* von Bipolarplatten von Einzelbrennstoffzellen eines Brennstoffzellenstacks auf das wesentliche abstrahiert perspektivisch dargestellt sind.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass diese in den Kühlkanal 1 hineinragenden Abschnitte 2* der Bipolarplatten ein Strömungshindernis für das im Kühlkanal 1 strömende Kühlfluid bilden.
In Figur 1 sind lediglich zwei übereinander angeordnete Bipolarplatten 2 eines Brennstoffzellenstacks gezeigt, welche jeweils aus zwei aufeinander liegenden und miteinander verbundenen Profilblechen 2a, 2b bestehen, deren End-Abschnitte 2* in einen bzw. den Kühlkanal 1 hineinragen und gesamthaft betrachtet Y-förmig aufgebogen sind, d.h. es ist der End- Abschnitt des oberen Profilblechs 2a nach oben und derjenige des unteren Profilblechs 2b nach unten gebogen.
Figur 2 zeigt in der oberen Darstellung (Buchstabe A) ebenfalls eine aus zwei miteinander verbundenen Profilblechen 2a, 2b bestehende Bipolarplatte 2. Zur Vergrößerung der umströmten Oberfläche und somit zur Steigerung des Wärmeübergangs zwischen dem im Kühlkanal 1 strö- menden Kühlfluid und der Bipolarplatte 2 sind dabei die in den Kühlkanal 1 hineinragenden Abschnitte 2* der einzelnen Profilbleche 2a, 2b unterschiedlich lang ausgebildet. Die beiden mittleren Darstellungen (Buchstaben B, C) in Figur 2 zeigen Ausgestaltungen von einfachen Bipolarplatten 2, bei denen der in den Kühlkanal 1 hineinragende Abschnitt 2* nicht in besonderer Weise ausgebildet ist, wobei unter dem Buchstaben B eine aus zwei aufeinanderlie- gend miteinander verbundenen Profilblechen 2a, 2b bestehende Bipolarplatte 2 gezeigt ist, während unter dem Buchstaben C eine aus einem einzelnen Profilblech bestehende Bipolarplatte 2 dargestellt ist.
Im unteren Bereich von Figur 2 ist unter dem Buchstaben D eine aus einem einzelnen Profilblech bestehende Bipolarplatte 2 gezeigt, deren in den Kühlkanal 1 hineinragender Abschnitt 2* zur Vergrößerung der Oberfläche mäanderförmig ausgebildet ist.
Figur 3 zeigt in den drei oberen Abbildungen unter den Buchstaben A, B, C jeweils eine aus zwei miteinander verbundenen Profilblechen 2a, 2b bestehende Bipolarplatte (2) bzw. im wesentlichen deren in einen nicht dargestellten Kühlkanal (1) hineinragenden Abschnitt 2*.
Gemäß der obersten Ausführungsform A von Figur 3 ist jeder der in den Kühlkanal 1 hineinreichenden Abschnitte 2* der Profilbleche 2a, 2b als U- förmiger Kanal ausgebildet, wobei die offenen Seiten der beiden Kanäle einander zugewandt sind. Bei der nachfolgenden Darstellung B sind an jedem der in den Kühlkanal 1 hineinreichenden Abschnitte 2* der Profilbleche 2a, 2b zwei U-förmige Kanäle ausgebildet. Auch bei dieser Ausgestaltung sind die offenen Seiten der Kanäle einander zugewandt, so dass jeweils ein geschlossener Kanal K gebildet ist.
Bei der mittleren Darstellung C in Figur 3 ist in jedem der in den Kühlkanal 1 hineinreichenden Abschnitte 2* der Profilbleche 2a, 2b ein V-förmiger Kanal ausgebildet, wobei auch dort die offenen Seiten der Kanäle zur Bildung eines geschlossenen Kanals K mit großer wärmeübertragender Oberfläche einander zugewandt sind.
Die beiden unteren Darstellungen (Buchstaben D, E) in Figur 3 zeigen eine aus einem einzelnen Profilblech bestehende und mit ihrem Randabschnitt 2* in den Kühlkanal erfindungsgemäß hineinreichende Bipolarplatte 2. Dabei ist zur Vergrößerung der Oberfläche der in den Kühlkanal 1 hineinreichende Abschnitt 2* im seinem Endbereich als U-förmiger Kanal ausgebildet, der gemäß der Ausführungsform D mit einem separaten Deckelteil 3 verschlossen ist.
Alternativ kann gemäß der untersten Darstellung E in Figur 3 der in den Kühlkanal hineinreichende Abschnitt 2* auch zu einem geschlossenen Rechteck geformt sein.
In Figur 4 sind unter den Buchstaben A, B, C, D weitere Ausgestaltungen dargestellt, welche eine gegenüber dem Stand der Technik vergrößerte Oberfläche der in einen Kühlkanal hineinragenden Abschnitte 2* einer (hier fakultativ jeweils aus zwei Profilblechen 2a, 2b gebildeten) Bipolarplatte (2) zeigen. Dabei sind Abschnitte 2* der beiden Profilbleche 2a, 2b unterschiedlich ausgebildet.
Gemäß der obersten Ausführungsform A in Figur 4 ist einer der in den Kühlkanal hineinreichenden Abschnitte 2* als U-förmiger Kanal ausgebildet, während das andere in den Kühlkanal hineinreichende Abschnitt geradlinig bzw. eben ausgebildet ist und den offenen Kanal des anderen (erstgenannten) Profilblechs 2b abdeckt.
Bei der nachfolgenden Darstellung B sind an einem der in den Kühlkanal 1 hineinreichenden Abschnitte 2* zwei U-förmige Kanäle ausgebildet, während das andere in den Kühlkanal 1 hineinreichende Profilblech 2a geradlinig bzw. eben ausgebildet ist und die offenen Kanäle des anderen (erstgenannten) Profilblechs 2b abdeckt.
Bei der dritten Darstellung C in Figur 4 ist im in den Kühlkanal hineinreichenden Abschnitt 2* des Profilblechs 2b ein V-förmiger Kanal ausgebildet, während der andere in den Kühlkanal hineinreichende Abschnitt des Profilblechs 2a geradlinig bzw. eben ausgebildet ist und den offenen Kanal des anderen (erstgenannten)
Profilblechs 2b abdeckt.
Bei der unteren Darstellung D in Figur 4 weist jeder der in den Kühlkanal 1 hineinreichenden Abschnitte 2* der Profilbleche 2a, 2b eine V-förmige Kanal-Ausbildung auf, wobei die offenen Seiten dieser V-förmigen Kanäle einander zugewandt, aber versetzt zueinander angeordnet sind und abermals den offenen Kanal des jeweils anderen Profilblechs abdecken. Indem bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen jede Bipolarplatte 2 an ihrem Ende zumindest einen geschlossenen Kanal bildet, kann dieser auch als Kühlfluidkanal fungieren, womit in einem Brennstoffzellenstack mit solchermaßen gestalteten Bipolarplatten praktisch ebensoviele einzelne Kühlfluidkanäle bzw. wenn diese Gestaltung an den beiden einander gegenüberliegenden Rändern der Bipolarplatte vorgesehen ist, doppelt soviele Kühlkanäle von einem Versorgungskanal für Kühlfluid abzweigen und mit ihrem anderen Ende wieder in einem gemeinsamen Abfuhrkanal für Kühlfluid münden könnten, als in diesem Brennstoffzellenstack Bipolarplatten vorhanden sind.
Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher die analog den Figuren 1 , 2 in den Kühlkanal 1 hinein ragenden Abschnitte 2* der Bipolarplatten 2 diesen Kühlkanal 1 vollständig durchqueren und in einer derjenigen Wand, durch welche hindurch die Bipolarplatte 2 in den Kühlkanal 1 hineingeführt ist, gegenüberliegenden Wand des Kühlkanals 1 vorgesehenen Ausnehmung 5 gehalten sind. Diese bzw. jede Ausnehmung 5 wirkt wie ein Abstandshalter und verhindert somit, dass die Bipolarplatten 2 der aufeinander gestapelten Einzelbrennstoffzellen miteinander in Kontakt kommen können. Darüber hinaus kann die Ausnehmung 5 auch zur Positionierung und Abstützung der jeweiligen Bipolarplatte 2 im Brennstoffzellenstack dienen. Mit der Bezugsziffer 6 ist in dieser Figur 5 für die Ausführungsform A eine von der besagten gegenüberliegenden Wand des Kühlkanals 1 in diesen ein gewisses Maß hinein ragende Spitze 6 gekennzeichnet, die vorgesehen sein kann, um eine aus zwei zunächst analog der Ausfüh- rungsform B von Fig.5 aufeinander liegenden Profilblechen 2a, 2b zusammengesetzte Bipolarplatte 2 im Montageprozess des Brennstoffzellenstacks bspw. durch seitliches Aufschieben der mit dieser Spitze 6 versehenen Kanal-Wand 3 gemäß Pfeil P an ihrem in den Kühlkanal 1 hineinragenden Abschnitt 2* derart umzuformen, dass das zunächst freie Ende des oberen Profilblechs 2a wie figürlich dargestellt geringfügig nach oben und dasjenige des unteren Profilblechs 2b geringfügig nach unten gebogen wird, so dass eine weiter vergrößerte Wärmeübertragungs-Fläche der Bipolarplatte 2 im Kühlkanal 1 gebildet wird.
Die Ausführungsform C von Fig.5 zeigt zwei jeweils aus einem einzigen Blech gebildete Bipolarplatten 2 zweier benachbarter Einzelbrennstoffzel- len mit aufgrund der Abwinkelung ebenfalls geringfügig vergrößerter wärmeübertragender Oberfläche im Kühlkanal 1. Selbstverständlich ist bei diesen Ausführungsbeispielen nach Figur 5 dafür Sorge zu tragen, dass über die die Ausnehmungen 5 aufweisende Wand 3 keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Bipolarplatten 2 der verschiedenen Ein- zelbrennstoffzellen gebildet ist, was bspw. dadurch realisiert sein kann, dass die besagte Wand 3 in einem elektrischen Isolator-Werkstoff ausgeführt ist oder indem in den Aussparungen 5 eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen ist. Letzteres ist nicht erforderlich, wenn gemäß den Ausführungsbeispielen nach Figur 6 die freien Enden der in den Kühlkanal 1 hineinreichenden Abschnitte 2* der Bipolarplatten 2 über ein eingebrachtes elektrisch nicht leitendes und dabei eine mechanische, bspw. Klebeverbindung herstellendes Material 91 , 93 mit der besagten„gegenüberliegenden" Wand 3 des Kühlkanals verbunden, d.h. an der Wand 3 abgestützt ist. Dabei ist entweder über eine solche Abstützung an der Wand 3 auch eine gegenseitige Abstützung der Bipolarplatten 2 zweier benachbarter Einzelbrennstoffzellen möglich, wie dies in Figur 6 für das mit der Bezugsziffer 93 gekennzeichnete besagte Material dargestellt ist, oder es können wie durch das Material 92 dargestellt die in den Kühlkanal 1 hinein ragenden Abschnitte 2* der Bipolarplatten 2 zweier benachbarter Einzelbrennstoffzellen nur gegeneinander abgestützt sein. Schließlich ist mit der Bezugsziffer 94 ein geeignetes Material gekennzeichnet, welches die Abschnitte 2* der Profilbleche 2a, 2b einer Bipolarplatte 2 in der bereits mehrfach gezeigten Y-Form sicher auseinander hält. Wie in Figur 7 dargestellt ist kann ein zwischen die in den Kühlkanal 1 hineinragenden Abschnitte 2* der Bipolarplatten 2 einander benachbarter Einzelbrennstoffzellen eingebrachtes Material 1 1 nicht nur dazu vorgesehen sein, die einander benachbarten Abschnitte 2* elektrisch isolierend gegenseitig mechanisch aufeinander abzustützen, sondern es können durch solches Material 1 1 im Kühlkanal 1 auch verschiedene Strömungszonen bzw. Teilkanäle gebildet werden, welche in Fig.7 mit den Buchstaben A, B gekennzeichnet sind. Dabei herrscht in der Strömungszone A ein geringer Strömungswiderstand als in der Strömungszone B. Eine solche Unterteilung kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn den Strömungszo- nen bzw. Teilkanälen A und B über unterschiedliche Kühlmittel- Verteilkanäle oder dgl. unterschiedliche Kühlmittelströme zugeführt werden können.
In den Figuren 8 - 10 sind weitere erfindungsgemäße und vorteilhafte Formgebungen an in einen hier nicht gezeigten Kühlkanal (1) hineinragenden Abschnitten 2* von Bipolarplatten von Einzelbrennstoffzellen eines Brennstoffzellenstacks auf das wesentliche abstrahiert perspektivisch dargestellt, wobei sich der Kühlkanal jeweils in Richtung des Pfeils P erstreckt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.8 sind an einem einzigen Blech über dessen (in Pfeilrichtung P betrachtete) Länge abwechselnd Teilabschnitte 21 nach oben bzw. nach unten (Bezugsziffer 22) umgebogen, welche beim Ausführungsbeispiel nach Fig.9 zusätzlich noch geringfügig verdrillt, d.h. um eine senkrecht zum Pfeil P in der Ebene des Blechs verlaufende Achse verdreht sind. Damit wird nicht nur ein vergrößertes Strömungshindernis gebildet, was zu einem verstärkten Wärmeübergang zwischen dem im Kühlkanal strömenden Kühlfluid und dem Abschnitt 2* der jeweiligen Bipolarplatte 2 führt, sondern es kann damit das Strö- mungsprofil der Kühlfluid-Strömung in gewünschter Weise beeinflusst bzw. eingestellt werden. Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig.10 wird das Strömungsprofil der Kühlfluidströmung beeinflusst, und zwar durch im besagten Abschnitt 2* vorgesehene Durchbrüche bzw. Durchtrittsöffnungen 23 für das Kühlfluid, wobei hier die Ausbildung vorteilhafterweise so getroffen ist, dass Durchprägungen oder dgl. wie figürlich dargestellt Hutzen 24 bilden, welche das heran strömende Kühlfluid dazu zwingen, durch die jeweilige Durchtrittsöffnung 23 hindurch zu treten. Insbesondere wenn diese Hutzen 24 in Strömungsrichtung des Kühlfluids betrachtet hintereinander abwechselnd auf der Oberseite und auf der Unterseite des den besagten Abschnitt 2* bildenden Blechs vorgesehen sind, wird der Wärmeübergang zwischen diesem in den Kühlkanal hineinragenden Abschnitt 2* der Bipolarplatte und dem im Kühlkanal geführten Kühlfluid signifikant gesteigert.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalen- te zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenstack mit mehreren zu einem Stapel zusammenge- fassten Einzelbrennstoffzellen mit Bipolarplatten (2) und abseits der chemisch aktiven Flächen der Einzelbrennstoffzellen vorgesehenen Kanälen für die Zuführung der Reaktanden und Abführung der Reaktionsprodukte zu/von den Einzelbrennstoffzellen sowie einem ein Kühlfluid für die Einzelbrennstoffzellen führenden Kühlkanal (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Bipolarplatten (2) in den Kühlkanal (1 ) hineinragt und damit ein Strömungshindernis für das darin geführte Kühlfluid bildet.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1 , wobei der in den Kühlkanal (1) hinein ragende Abschnitt (2*) der Bipolarplatte (2) eine gegenüber einer einfachen ebenen Verlängerung der Bipolarplatte (2) vergrößerte Oberfläche aufweist.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1 oder 2, wobei der in den Kühlkanal (1 ) hinein ragende Abschnitt (2*) der Bipolarplatte (2) als geschlossenes Rechteck oder als U-förmiger Kanal oder mäander- förmig ausgebildet ist.
4. Brennstoffzellenstack nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der in den Kühlkanal (1) hinein ragende Abschnitt (2*) der Bipolarplatte (2) zumindest abschnittsweise gegenüber dem nicht in den Kühlkanal (1 ) hinein ragenden Abschnitt der Bipolarplatte (2) ge- neigt und/oder tordiert ist.
5. Brennstoffzellenstack nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der in den Kühlkanal (1) hinein ragende Abschnitt (2*) der Bipolarplatte (2) eine Durchbrechung (23) aufweist.
6. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, wobei die Durchbrechung (23) von einer Hutze (24) überspannt ist.
7. Brennstoffzellenstack nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der in den Kühlkanal (1) hinein ragende Abschnitt (2*) der Bipolarplatte (2) mit der Wand (3) des Kühlkanals und/oder mit dem in den Kühlkanal (1 ) hinein ragenden Abschnitt der benachbarten Bipolarplatte (2) mechanisch, jedoch nicht elektrisch leitend verbunden ist.
8. Brennstoffzellenstack nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer aus einem einzigen Blech geformten Bipolarplatte (2).
9. Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 - 7 mit einer aus zumindest zwei Blechen (2a, 2b) geformten Bipolarplatte (2), deren in den Kühlkanal (1 ) hinein ragenden Abschnitte verschiedenartig geformt sind.
10. Brennstoffzellenstack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wand des Kühlkanals (1 ) auch von den Bipolarplatten ge- bildet ist.
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