DE102012218590A1 - Bipolar plate for fuel cell e.g. polymer electrolyte membrane fuel cell for motor car, has flow guide elements that are brought into gas distributor structure for forming flow channels to direct flow of gas from feed to drain channel - Google Patents

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Abstract

The bipolar plate (1) comprises an open gas distributor structure (2) that is located on a separator plate. The flow guide elements (5) are brought into the gas distributor structure for formation of flow channels that direct the flow of gas from a feed channel (3) to a drain channel (4). The gas distributor structure is formed of metallic structure such as expanded metal, froth or wire mesh. The flow guide elements are formed with guide bars that are integrally formed on the separator plate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer offenen Gasverteilerstruktur, die auf einer Separatorplatte angeordnet ist, wobei die Bipolarplatte zumindest einen Zuführungskanal und zumindest einen Ableitungskanal aufweist.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell with an open gas distributor structure, which is arranged on a separator plate, wherein the bipolar plate has at least one supply channel and at least one discharge channel.

Stand der TechnikState of the art

Bipolarplatten werden in Brennstoffzellen eingesetzt, wie beispielsweise Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzelle, Englisch: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), mit den Edukten Wasserstoff und Luftsauerstoff und dem Produkt Wasser. Dabei müssen die Brennstoffzellen mit den Edukten Wasserstoff und Luftsauerstoff versorgt werden und das Reaktionsprodukt Wasser muss entsorgt werden. Dies geschieht über Gasverteilerstrukturen zu Bipolarplatten.Bipolar plates are used in fuel cells, such as polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM fuel cell, English: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), with the reactants hydrogen and atmospheric oxygen and the product water. The fuel cells must be supplied with the reactants hydrogen and atmospheric oxygen and the reaction product water must be disposed of. This is done via gas distribution structures to bipolar plates.

Der zuverlässige und vollständige Austrag des Reaktionsproduktes Wasser insbesondere nach Abschaltung der Brennstoffzelle ist wichtig, um eine Gefrierstartfähigkeit der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Gasverteilerstrukturen wie Kanalstrukturen und offene Strukturen bekannt. Kanalstrukturen werden gebildet durch Parallelkanäle, Einfach- und Mehrfachmäander oder unterbrochene Kanäle. Offene Gasverteilerstrukturen werden gebildet durch Pinstrukturen oder poröse Strukturen.The reliable and complete discharge of the reaction product water, in particular after switching off the fuel cell is important to ensure a freeze-start capability of the fuel cell. Various gas distributor structures, such as channel structures and open structures, are known in the prior art. Channel structures are formed by parallel channels, single and multiple meanders or interrupted channels. Open gas distribution structures are formed by pin structures or porous structures.

Nach dem Stand der Technik bekannte Kanalstrukturen ermöglichen durch die Kanalisierung des Gasstromes und die Darstellung eines bestimmten Druckverlustes den sicheren Austrag von Wasser, da auf einen sich bildenden Tropfen aufgrund des Druckunterschiedes vor und hinter dem Tropfen eine Kraft wirkt, die den Tropfen aus dem Kanal treibt. Nachteilig ist die teilweise Abdeckung der Brennstoffzellenelektroden durch die Stege, die die Kanäle voneinander trennen. Die minimale Breite der Stege ist zum einen durch die Herstellbarkeit, wie beispielsweise Biegeradien bei metallischen Gasverteilern, zum anderen durch die minimale Kontaktfläche bestimmt, die zur Bipolarplatte bestehen muss, um den elektrischen Strom abführen zu können. Darüber hinaus ist eine bestimmte Anzahl Stege notwendig, da die Breite der Stege aus Stabilitätsgründen und aus Gründen der Stromableitung aus der Brennstoffzellenelektrode limitiert ist. Der Bedeckungsgrad der Brennstoffzellenelektrode durch die Stege der Gasversorgungsstruktur beträgt üblicherweise 30% bis 60% und äußert sich in hohen Massentransportverlusten bei hohen Stromdichten. Ursache hierfür ist die Ansammlung von Wasser unter den Stegen und die verminderte Diffusion der Edukte unter die Stege. Nachteilig sind neben der konstruktionsbedingten Verkleinerung der Oberfläche der Brennstoffzellenelektrode die notwendigerweise hohen Druckverluste zum Austrag des Wassers, einhergehend mit hohen parasitären Verlusten. Channel structures known from the prior art allow channeling of the gas stream and the representation of a certain pressure loss for the reliable discharge of water, since a force acting on a forming drop due to the pressure difference in front of and behind the drop acts to drive the drop out of the channel , A disadvantage is the partial coverage of the fuel cell electrodes by the webs, which separate the channels from each other. The minimum width of the webs is determined on the one hand by the manufacturability, such as bending radii in metallic gas distributors, on the other hand by the minimum contact surface, which must exist to the bipolar plate in order to dissipate the electric current can. In addition, a certain number of webs is necessary because the width of the webs is limited for reasons of stability and for reasons of current dissipation from the fuel cell electrode. The degree of coverage of the fuel cell electrode by the webs of the gas supply structure is usually 30% to 60% and manifests itself in high mass transport losses at high current densities. The reason for this is the accumulation of water under the webs and the reduced diffusion of the educts under the webs. Disadvantages are, in addition to the design-related reduction of the surface of the fuel cell electrode, the necessarily high pressure losses for discharging the water, accompanied by high parasitic losses.

Ferner sind nach dem Stand der Technik offene Gasverteilerstrukturen bekannt. Die bekannten offenen Gasverteilerstrukturen bedecken die aktive Fläche nur zu einem geringen Anteil von bis zu 10% und zu dem nur durch Längs- und Querstege von sehr geringer Breite von in etwa 200 µm, so dass nahezu die gesamte Fläche der Brennstoffzellenelektrode frei zugänglich für die Edukte ist. Dies äußert sich im allgemeinen mit einer hohen Stromtragfähigkeit, d. h. realisierbaren Stromdichten von über 2 A/cm2 bei kleinen Druckverlusten. Ein weiterer Vorteil der offenen Gasverteilerstrukturen ist die gleichmäßige Verteilung des Kompressionsdrucks. Nachteil dieser offenen Gasverteilerstrukturen ist, dass Reaktionswasser aufgrund der fehlenden Kanalisierung des Gasstroms nur erschwert ausgetragen werden kann, da das Gas den Weg des geringsten Strömungswiderstandes wählt und Tropen bzw. Verblockungen von flüssigem Wasser umströmt werden und das Wasser nicht ausgetragen wird. In der Folge sind lange Trockenblasphasen von typischerweise mehreren 10 Sekunden bis Minuten notwendig, um das Produktwasser so weit auszutragen, dass schnelle und verlässliche Gefrierstarts möglich sind. Hierzu ist es erforderlich, das Reaktionsprodukt Wasser auszutragen, um zu vermeiden, dass dieses während Betriebspausen der Brennstoffzelle bei niedrigen Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes gefriert, wodurch ein Betrieb der Brennstoffzelle nicht mehr möglich wäre.Furthermore, open gas distributor structures are known in the prior art. The known open gas distributor structures cover the active area only to a small proportion of up to 10% and to only by longitudinal and transverse webs of very small width of about 200 microns, so that almost the entire surface of the fuel cell electrode freely accessible to the reactants is. This manifests itself in general with a high current carrying capacity, ie realizable current densities of more than 2 A / cm 2 at low pressure losses. Another advantage of the open gas distribution structures is the even distribution of the compression pressure. Disadvantage of these open gas distribution structures is that water of reaction due to the lack of channeling of the gas stream can be discharged only with difficulty, since the gas chooses the path of least flow resistance and tropics or blockages are flowed around by liquid water and the water is not discharged. As a result, long dry-blowing phases of typically several tens of seconds to minutes are required to disperse the product water so that fast and reliable freeze starts are possible. For this purpose, it is necessary to discharge the reaction product water in order to avoid that during freezing of the fuel cell at low ambient temperatures freezing below the freezing point, whereby operation of the fuel cell would no longer be possible.

Nachteilig bei den herkömmlichen Kanalstrukturen ist, dass diese einen nennenswerten Anteil der aktiven Fläche verblocken, wodurch die Versorgung der Elektrode unter den Stegen verschlechtert ist. Nachteilig bei den bekannten offenen Gasverteilerstrukturen ist, dass diese schlecht trocken geblasen werden können, so dass lange Abstellprozeduren notwendig sind oder die Gefrierstartfähigkeit reduziert ist.A disadvantage of the conventional channel structures is that they block a significant proportion of the active area, whereby the supply of the electrode under the webs is deteriorated. A disadvantage of the known open gas distributor structures is that they can be blown dry poorly, so that long shutdown procedures are necessary or the freeze-start capability is reduced.

Aus der DE 102 11 042 A1 ist eine Bipolarplatte bekannt, bei der eine offene Gasverteilerstruktur durch poröses Plattenmaterial gebildet ist, wobei für die Gaszuführung bzw. Gasabführung Kanäle in das poröse Material eingebracht sind.From the DE 102 11 042 A1 a bipolar plate is known in which an open gas distributor structure is formed by porous plate material, wherein channels are introduced into the porous material for the gas supply or gas discharge.

Aus der US 2002/0114 990 A1 ist eine Separatorplatte einer Brennstoffzelle bekannt, mit Ausprägungen in Form von Kanälen, in denen Kühlmittel transportiert wird.From the US 2002/0114 990 A1 a separator plate of a fuel cell is known, with characteristics in the form of channels in which coolant is transported.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer offenen Gasverteilerstruktur derart weiterzubilden, dass das Ausblasen des Produktwassers vereinfacht wird, ohne dass es zu einer nennenswerten Verkleinerung der aktiven Fläche der Brennstoffzellenelektrode kommt.The object of the invention is to develop a bipolar plate for a fuel cell with an open gas distributor structure such that the blowing out of the product water is simplified, without there being any appreciable reduction in the active area of the fuel cell electrode.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by a bipolar plate according to claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß ist bei der Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer offenen Gasverteilerstruktur, die auf einer Separatorplatte angeordnet ist, wobei die Bipolarplatte zumindest einen Zuführungskanal und zumindest einen Ableitungskanal aufweist, vorgesehen, dass in die Gasverteilerstruktur Strömungsleitelemente zur Ausbildung von Strömungskanälen, die vom Zuführungskanal zum Ableitungskanal gerichtet sind, eingebracht sind.According to the invention, in the bipolar plate for a fuel cell having an open gas distributor structure arranged on a separator plate, the bipolar plate having at least one supply channel and at least one discharge channel, is provided in the gas distributor structure flow directing elements for the formation of flow channels, which directed from the feed channel to the discharge channel are, are introduced.

Der Kern der Erfindung ist somit, dass eine offene Gasverteilerstruktur einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer Struktur kombiniert wird, wobei diese Struktur Strömungsleitelemente zur Kanalisierung des Gasstromes darstellen, wodurch ein schnellerer und sicherer Abtransport von flüssigem Wasser sichergestellt wird, da die Strömungsleitelemente Strömungskanäle ausbilden, die vom Zuführungskanal zum Ableitungskanal gerichtet sind. Dadurch, dass die Strömungskanäle derart ausgebildet sind, dass diese vom Zuführungskanal zum Ableitungskanal hinweisen, wird das Ausblasen des Wassers bei der offenen Gasverteilerstruktur der Bipolarplatte deutlich verbessert. Da nur wenige Strömungsleitelemente zur Ausbildung der Strömungskanäle notwendig sind, wird nahezu der geringe Bedeckungsgrad einer vollständig offenen Gasverteilerstruktur erreicht und es sind hohe Stromdichten möglich. Durch die Erfindung werden die besonderen Vorteile einer offenen Gasverteilerstruktur mit den Vorteilen einer Kanalstruktur verbunden, indem durch eine nur sehr geringe Bedeckung der einer offenen Gasverteilerstruktur durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Strömungsleitelemente hohe Stromdichten möglich sind, wobei die durch die Strömungsleitelemente in der offenen Gasverteilerstruktur gebildeten Strömungskanäle ein Abtransport des Reaktionsproduktes Wasser erleichtert wird und durch Ausblasen insbesondere nach dem Betrieb der Brennstoffzelle leicht möglich ist, um eine gute Gefrierstartfähigkeit der Brennstoffzelle zu ermöglichen.The essence of the invention is thus that an open gas distribution structure of a bipolar plate for a fuel cell is combined with a structure, which structure flow guide elements for channeling the gas flow, whereby a faster and safer removal of liquid water is ensured, since the flow guide elements form flow channels, which are directed from the supply channel to the discharge channel. Characterized in that the flow channels are formed such that they point from the supply channel to the discharge channel, the blowing out of the water in the open gas distribution structure of the bipolar plate is significantly improved. Since only a few flow guide elements are necessary for the formation of the flow channels, almost the low degree of coverage of a completely open gas distributor structure is achieved and high current densities are possible. By means of the invention, the particular advantages of an open gas distributor structure are combined with the advantages of a channel structure in that high current densities are possible by only very small coverage of an open gas distributor structure by the flow guide elements provided according to the invention, wherein the flow channels formed by the flow guide elements in the open gas distributor structure Removal of the reaction product water is facilitated and easily by blowing, in particular after operation of the fuel cell is possible to allow a good freeze-start capability of the fuel cell.

Dabei dienen die Strömungsleitelemente zur Sicherstellung des leichten Ausblasens von Wasser beim Abschalten der Brennstoffzelle durch die Ausbildung von Strömungskanälen in der offenen Gasverteilerstruktur, wobei vorzugsweise die Oberseite der Strömungsleitelemente möglichst schmal ausgeführt wird, um eine möglichst geringe Abdeckung der aktiven Fläche der Brennstoffzellenelektrode zu erreichen. Es erfolgt somit keine nennenswerte Abdeckung der aktiven Fläche der Brennstoffzellenelektrode durch die Strömungsleitelemente.The Strömungsleitelemente to ensure the easy purging of water during shutdown of the fuel cell by the formation of flow channels in the open gas distribution structure, preferably the top of the flow is designed as narrow as possible in order to achieve the lowest possible coverage of the active surface of the fuel cell electrode. There is thus no significant coverage of the active surface of the fuel cell electrode by the flow guide.

Die offene Gasverteilerstruktur kann dabei durch ein poröses Material, insbesondere metallische Strukturen, wie Streckmetalle und/oder Schäume und/oder Drahtgeflechte gebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die offene Gasverteilerstruktur durch eine Pinstruktur, bei der eine Vielzahl einzelner allseitig umströmter Pins auf der Separatorplatte stehen, gebildet ist.The open gas distributor structure can be formed by a porous material, in particular metallic structures, such as expanded metals and / or foams and / or wire mesh. However, it is also possible for the open gas distributor structure to be formed by a pin structure in which a multiplicity of individual, all-around flowed pins are provided on the separator plate.

Vorzugsweise sind die Strömungsleitelemente durch Leitstege gebildet. Diese können an die Separatorplatte einstückig angeformt sein. Insbesondere können die Strömungsleitelemente durch Ausbuchtungen oder Ausprägungen der Separatorplatte gebildet sein, insbesondere auf der Rückseite der Separatorplatte Kühlkanäle ausbilden.Preferably, the flow guide elements are formed by guide webs. These can be integrally formed on the separator plate. In particular, the flow guide elements can be formed by bulges or forms of the separator plate, in particular form cooling channels on the rear side of the separator plate.

Die Strömungsleitelemente können jedoch auch durch höher verdichtete Bereiche eines die offene Gasverteilerstruktur bildenden porösen Materials gebildet sein. Hierbei können insbesondere dreidimensionale sich wiederholende, insbesondere metallische Strukturen, wie beispielsweise Streckmetalle, Schäume und Drahtgeflechte zum Einsatz kommen.However, the flow guide elements may also be formed by higher-density regions of a porous material forming the open gas distributor structure. In particular, three-dimensional, repeating, in particular metallic, structures such as expanded metals, foams and wire meshes can be used.

Die Strömungsleitelemente können somit als Ausbuchtungen oder Ausprägungen der Separatorplatten ausgeführt sein, zwischen denen die die offene Gasverteilerstruktur bildenden porösen Strukturen eingebracht sind. Alternativ können die Strömungsleitelemente direkt in denen die offene Gasverteilerstruktur bildenden Materialien beispielsweise durch eine herstellungstechnisch gesteuerte partielle Verblockung oder höhere Verdichtung von Streckmetallen, Schäumen oder Drahtgeflechten ausgeführt sein. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Anzahl der Fertigungsschritte und Bauteile minimiert wird, da die Strömungsleitelemente unmittelbar in das die offene Gasverteilerstruktur bildende Material durch eine lokal vergrößerte Verdichtung des Materials eingebracht wird.The flow guide elements can thus be embodied as bulges or forms of the separator plates, between which the porous structures forming the open gas distributor structure are inserted. Alternatively, the flow directing elements can be embodied directly in the materials forming the open gas distributor structure, for example by a production-controlled partial blocking or higher compression of expanded metals, foams or wire mesh. This method has the advantage that the number of production steps and components is minimized, since the flow guide elements are introduced directly into the material forming the open gas distributor structure by a locally increased compression of the material.

Die vorzugsweise verwendeten metallischen Strukturen zur Bildung der offenen Gasverteilerstruktur können mit einer metallischen Separatorfolie kombiniert werden, die die Abtrennung zum benachbarten Kühl- oder Gasabteil sicherstellt. Eine Verbindung durch Klebung, Löten oder dergleichen ist möglich, aber nicht zwingend notwendig, da die Bauteile im Stapel durch die Verspannung des Brennstoffzellenstapels fest zusammengepresst werden.The preferably used metallic structures for forming the open gas distribution structure can be combined with a metallic separator film, which ensures the separation to the adjacent cooling or gas compartment. A connection by gluing, soldering or the like is possible, but not absolutely necessary, since the components in the stack are firmly pressed together by the tension of the fuel cell stack.

Die Strömungsleitelement können einen halbkreisförmigen, also halbrunden oder dreieckigen oder viereckigen, insbesondere quadratischen oder rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt ist der Querschnitt der Strömungsleitelemente derart gestaltet, dass er sich von der Separatorplatte ausgehend verjüngt.The flow guide can be a semi-circular, so semicircular or triangular or square, in particular square or rectangular or trapezoidal cross-section. Preferably, the cross section of the flow guide is designed such that it tapers from the separator plate.

Insbesondere in dem Fall, dass die Strömungsleitelemente mit einem sich verjüngenden oder spitz zulaufenden oder halbrunden Querschnitt ausgeführt werden, wird gewährleistet, dass der Bedeckungsgrad der aktiven Fläche der Brennstoffzellenelektrode minimiert wird, da in diesem Fall die Strömungsleitelemente zum großen Teil in der offenen Gasverteilerstruktur versenkt angeordnet sind.In particular, in the case where the flow directors are made with a tapered or tapered or half-round cross-section, it is ensured that the degree of coverage of the active area of the fuel cell electrode is minimized since in this case the flow directors are largely buried in the open gas distribution structure are.

Die Strömungsleitelemente sind vorzugsweise mäanderförmig oder parallel angeordnet, um die Strömungskanäle vom Zuführungskanal zum Ableitungskanal auszubilden. Bei der mäanderförmigen oder parallelen Anordnung der Strömungsleitelemente sind diese über die gesamte Fläche der offenen Gasverteilerstruktur angeordnet.The flow guide elements are preferably meander-shaped or arranged in parallel to form the flow channels from the feed channel to the discharge channel. In the meandering or parallel arrangement of the flow guide elements, these are arranged over the entire surface of the open gas distributor structure.

Vorzugsweise sind die Strömungsleitelemente mit einem Abstand von 3 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt mit einem Abstand von 5 mm bis 10 mm zueinander angeordnet. Insbesondere kann die Anordnung der Strömungsleitelemente äquidistant zueinander erfolgen. Sofern die Strömungsleitelemente als Ausprägung metallischer oder graphitischer Strukturen ausgeführt werden und auf der Rückseite der Separatorplatte freie Querschnitte ausbilden, können sie als Kühlkanäle verwendet werden. Die Rückseite der Separatorplatte kann somit die Begrenzung der Gasverteilerstruktur einer Nachbarzelle oder eines Kühlmittelverteilers bilden.Preferably, the flow guide elements are arranged at a distance of 3 mm to 20 mm, particularly preferably with a distance of 5 mm to 10 mm from each other. In particular, the arrangement of the flow guide can be made equidistant from each other. If the flow guide elements are designed as an embodiment of metallic or graphitic structures and form free cross sections on the rear side of the separator plate, they can be used as cooling channels. The rear side of the separator plate can thus form the boundary of the gas distributor structure of a neighboring cell or of a coolant distributor.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann als Anodenverteiler und/oder als Kathodenverteiler und/oder Kühlmittelverteiler genutzt werden. Dabei können unterschiedliche offene Gasverteilerstrukturen auf der Anodenseite und der Kathodenseite sowie der Kühlmittelseite kombiniert werden.The bipolar plate according to the invention can be used as an anode distributor and / or as a cathode distributor and / or coolant distributor. In this case, different open gas distributor structures on the anode side and the cathode side and the coolant side can be combined.

Durch die Ausbildung von Strömungskanälen innerhalb der offenen Gasverteilerstruktur durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Strömungsleitelemente wird eine Gasversorgung von Brennstoffzellen für hohe Strom- und damit hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig leichtem, schnellem und sicherem Wasseraustrag bei Abschalten der Brennstoffzelle ermöglicht, da ein Ausblasen des Wassers durch die durch die Strömungsleitelemente ausgebildeten Strömungskanäle erleichtert wird. Die Erfindung ermöglicht eine gleichmäßige und hochstromdichte Versorgung einer Brennstoffzelle bei gleichzeitig sichergestelltem Austrag von Reaktionsprodukten und geringem Druckverlust. Eine bevorzugte Anwendung der Bipolarplatte ist bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM) gegeben, wo sie aufgrund der guten Gasversorgung sehr hohe Stromdichten von über 2 A/cm2 und damit hohe Leistungsdichten und geringe Leistungskosten ermöglicht bei gleichzeitig sichergestellter Abfuhr des flüssigen Reaktionswassers, was einen schnellen und reproduzierbaren Gefrierstart nach kurzem Durchblasen der Bipolarplatte bei Abschalten der Brennstoffzelle ermöglicht. Einsetzbar ist diese Bipolarplatte insbesondere in Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.Due to the formation of flow channels within the open gas distributor structure by the flow guide elements provided according to the invention, a gas supply of fuel cells for high current and thus high power densities while allowing easy, fast and safe water discharge when switching off the fuel cell, since a blowing out of the water by the through the Flow guide formed flow channels is facilitated. The invention enables a uniform and high-current supply of a fuel cell with simultaneously ensured discharge of reaction products and low pressure loss. A preferred application of the bipolar plate is given in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM), where it due to the good gas supply very high current densities of about 2 A / cm 2 and thus high power densities and low power costs allows at the same time ensured removal of the liquid Reaction water, which allows a quick and reproducible freeze start after briefly blowing through the bipolar plate when switching off the fuel cell. This bipolar plate can be used in particular in fuel cells for motor vehicles. However, the invention is not limited to this application.

Dabei ist die offene Gasverteilerstruktur vorzugsweise hydrophob ausgelegt, insbesondere kann das die offene Gasverteilerstruktur bildende Material eine hydrophobe Beschichtung aufweisen, um den Austrag von Wasser zu verbessern.In this case, the open gas distributor structure is preferably designed to be hydrophobic; in particular, the material forming the open gas distributor structure may have a hydrophobic coating in order to improve the discharge of water.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Bipolarplatten auf, die zu einem Stapel zusammen gefasst sind.A fuel cell according to the invention has a plurality of bipolar plates according to the invention, which are combined to form a stack.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend erläutert. Es zeigen:Several embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained below. Show it:

1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Bipolarplatte; 1 a plan view of a first embodiment of a bipolar plate;

2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Bipolarplatte; 2 a plan view of a second embodiment of a bipolar plate;

3 Querschnitte durch drei weitere verschiedene Ausführungsformen von Bipolarplatten; 3 Cross sections through three further different embodiments of bipolar plates;

4 Querschnitte durch drei weitere verschiedene Ausführungsformen von Bipolarplatten; 4 Cross sections through three further different embodiments of bipolar plates;

5 Querschnitte durch drei weitere verschiedene Ausführungsformen von Bipolarplatten. 5 Cross sections through three further different embodiments of bipolar plates.

In den Figuren sind identische Komponenten jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen. Dargestellt ist jeweils nur die Gasseite der Bipolarplatte.In the figures, identical components are each provided with identical reference numerals. Only the gas side of the bipolar plate is shown.

1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Bipolarplatte 1, bei der die offene Gasverteilerstruktur 2 durch eine Pinstruktur gebildet ist. Dabei steht eine Vielzahl einzelner Pins auf einer Separatorplatte. Die Pins 2 werden dabei allseitig von dem Gas umströmt. Das Gas wird über den Zuführungskanal 3 der Bipolarplatte 1 zugeführt und über den Ableitungskanal 4 abgeleitet. 1 shows a plan view of a first embodiment of a bipolar plate 1 in which the open gas distribution structure 2 formed by a pin structure. There is a large number of individual pins on a separator plate. The pins 2 The gas flows around on all sides. The gas is delivered via the feed channel 3 the bipolar plate 1 supplied and via the discharge channel 4 derived.

Auf der als Trägerplatte für die offene Gasverteilerstruktur dienende Separatorplatte sind zwei Strömungsleitelemente 5 angeordnet. Durch die Strömungsleitelemente 5 werden Strömungskanäle vom Zuführungskanal 3 zum Ableitungskanal 4 hin ausgebildet, so dass bei einer nur sehr geringen Verblockung der offenen Gasverteilerstruktur 2 ein Ausblasen des sich bildenden Wassers aufgrund der durch die Strömungsleitelemente 5 gebildeten Strömungskanäle leicht möglich ist.On the serving as a support plate for the open gas distribution structure Separatorplatte are two flow guide 5 arranged. Through the flow guide elements 5 flow channels are from the feed channel 3 to the discharge channel 4 down designed so that with only a very small blockage of the open gas distribution structure 2 a blowing out of the water forming due to the flow through the elements 5 formed flow channels is easily possible.

2 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Bipolarplatte 1, bei der die offene Gasverteilerstruktur 2 durch eine poröse dreidimensionale Metallstruktur gebildet ist. Der Bipolarplatte 1 wird das Gas über den Zuführungskanal 3 zugeführt und über den Ableitungskanal 4 abgeleitet. Durch auf der Separatorplatte angeordnete Strömungsleitelemente 5 werden vom Zuführungskanal 3 zum Ableitungskanal 4 gerichtete Strömungskanäle ausgebildet, die ein Ausblasen von Wasser aus der offenen Gasverteilerstruktur 2 ermöglichen, ohne die aktive Oberfläche der offenen Gasverteilerstruktur 2 wesentlich zu verkleinern. 2 shows a plan view of a second embodiment of a bipolar plate 1 in which the open gas distribution structure 2 is formed by a porous three-dimensional metal structure. The bipolar plate 1 the gas is delivered via the feed channel 3 supplied and via the discharge channel 4 derived. By arranged on the Separatorplatte flow guide 5 be from the feeder channel 3 to the discharge channel 4 directed flow channels formed, which is a purging of water from the open gas distribution structure 2 allow, without the active surface of the open gas distribution structure 2 to downsize considerably.

In 3 sind dargestellt Querschnitte durch drei verschiedene Ausführungsformen von Bipolarplatten. Erkennbar sind jeweils die durch eine metallische poröse Struktur gebildeten offenen Gasverteilerstrukturen 2, die auf einer Separatorplatte 6 angeordnet sind. Bei allen drei Ausführungsbeispielen gemäß 3 sind in die Separatorplatte 6 Strömungsleitelemente 5 durch Ausbuchtungen 7 der Separatorplatte gebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a weisen die die Strömungsleitelemente 5 bildenden Ausbuchtungen 7 einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3b weisen die die Strömungsleitelemente 5 bildenden Ausbuchtungen 7 der Separatorplatte 6 einen viereckigen Querschnitt auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3c weisen die die Strömungsleitelemente 5 bildenden Ausbuchtungen 7 der Separatorplatte 6 einen spitz zulaufenden dreieckigen Querschnitt auf. Insbesondere bei einem runden, halbkreisförmigen Querschnitt der Ausbuchtungen 7 gemäß 3a und bei einem spitz zulaufenden Querschnitt der Ausbuchtungen 7 gemäß 3c wird die offene Oberfläche der Gasverteilerstruktur 2 nur minimal verkleinert, so dass aufgrund des geringen Bedeckungsgrades der Brennstoffzellenelektrode hohe Stromdichten möglich sind.In 3 are shown cross sections through three different embodiments of bipolar plates. The open gas distributor structures formed by a metallic porous structure can be seen in each case 2 on a separator plate 6 are arranged. In all three embodiments according to 3 are in the separator plate 6 flow guide 5 through bulges 7 the separator plate formed. In the embodiment according to 3a have the flow guide elements 5 forming bulges 7 a semicircular cross section. In the embodiment according to 3b have the flow guide elements 5 forming bulges 7 the separator plate 6 a quadrangular cross section. In the embodiment according to 3c have the flow guide elements 5 forming bulges 7 the separator plate 6 a tapered triangular cross section. Especially with a round, semicircular cross section of the bulges 7 according to 3a and at a tapered cross-section of the bulges 7 according to 3c becomes the open surface of the gas distributor structure 2 only minimally reduced, so that high current densities are possible due to the low degree of coverage of the fuel cell electrode.

In 4 sind drei weitere verschiedene Ausführungsformen von Bipolarplatten dargestellt, bei denen die Strömungsleitelemente 5' durch verdichtete Bereiche des die offene Gasverteilerstruktur 2 bildenden porösen Materials gebildet sind. Die Strömungsleitelemente 5' können dabei im Querschnitt einen Halbkreis bilden gemäß der Ausführungsform nach 4a, einen rechteckigen Querschnitt gemäß der Ausführungsform nach 4b oder einen dreieckigen Querschnitt entsprechend der Ausführungsform gemäß 4c. Im übrigen weisen die Bipolarplatten gemäß 4 einen grundsätzlich identischen Aufbau zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen auf, in dem eine offene Gasverteilerstruktur 2 auf der Separatorplatte 6 angeordnet ist.In 4 three further different embodiments of bipolar plates are shown, in which the flow guide elements 5 ' through compressed areas of the open gas distribution structure 2 forming porous material are formed. The flow guide elements 5 ' can thereby form a semicircle in cross section according to the embodiment according to 4a , A rectangular cross-section according to the embodiment according to 4b or a triangular cross-section according to the embodiment according to 4c , Moreover, the bipolar plates according to 4 a basically identical construction to the previously described embodiments, in which an open gas distribution structure 2 on the separator plate 6 is arranged.

In 5 sind dargestellt drei weitere verschiedene Ausführungsformen von Bipolarplatten, die grundsätzlich ebenfalls einen ähnlichen Aufbau aufweisen, in dem die Strömungsleitelemente 5 durch Ausbuchtungen 7 in der Separatorplatte gebildet sind und zwischen den Ausbuchtungen 7 ein die offene Gasverteilerstruktur 2 bildendes poröses Material angeordnet ist. Dadurch dass die Ausbuchtungen 7 auf der Rückseite der Separatorplatte 6 einen freien Querschnitt 8 ausbilden, kann dieser freie Querschnitt 8 als Kühlkanal eines Kühlmittelverteilers dienen. Hierzu ist rückseitig auf der Separatorplatte 6 eine die Kühlkanäle 8 verschließende Platte 9 angeordnet.In 5 are shown three further different embodiments of bipolar plates, which in principle also have a similar structure in which the flow guide 5 through bulges 7 are formed in the separator plate and between the bulges 7 an open gas distribution structure 2 forming porous material is arranged. Because of the bulges 7 on the back of the separator plate 6 a free cross-section 8th can train, this free cross-section 8th serve as a cooling channel of a coolant distributor. This is on the back of the separator plate 6 one the cooling channels 8th closing plate 9 arranged.

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Claims (10)

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle mit einer offenen Gasverteilerstruktur (2), die auf einer Separatorplatte (6) angeordnet ist, wobei die Bipolarplatte zumindest einen Zuführungskanal (3) und zumindest einen Ableitungskanal (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gasverteilerstruktur (2) Strömungsleitelemente (5, 5') zur Ausbildung von Strömungskanälen, die vom Zuführungskanal (3) zum Ableitungskanal (4) gerichtet sind, eingebracht sind.Bipolar plate ( 1 ) for a fuel cell with an open gas distribution structure ( 2 ) mounted on a separator plate ( 6 ), wherein the bipolar plate at least one supply channel ( 3 ) and at least one derivation channel ( 4 ), characterized in that in the gas distributor structure ( 2 ) Flow guide elements ( 5 . 5 ' ) for the formation of flow channels from the supply channel ( 3 ) to the discharge channel ( 4 ) are introduced, are introduced. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilerstruktur (2) durch ein poröses Material, insbesondere metallische Strukturen, insbesondere Streckmetalle und/oder Schäume und/oder Drahtgeflechte, gebildet ist.Bipolar plate ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the gas distributor structure ( 2 ) is formed by a porous material, in particular metallic structures, in particular expanded metals and / or foams and / or wire mesh. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilerstruktur (2) durch eine Pinstruktur, bei der eine Vielzahl einzelner, allseitig umströmte Pins auf der Separatorplatte stehen, gebildet ist.Bipolar plate ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the gas distributor structure ( 2 ) is formed by a pin structure in which a plurality of individual, on all sides flow around pins on the separator plate is formed. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (5, 5') durch Leitstege gebildet sind, die insbesondere an die Separatorplatte einstückig angeformt sind.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide elements ( 5 . 5 ' ) are formed by guide webs, which are integrally formed in particular on the separator plate. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (5) durch Ausbuchtungen (7) der Separatorplatte (6) gebildet sind, insbesondere dergestalt, dass sie auf der Rückseite der Separatorplatte (6) Kühlkanäle (8) ausbilden.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide elements ( 5 ) by bulges ( 7 ) of the separator plate ( 6 ) are formed, in particular such that they on the back of the separator ( 6 ) Cooling channels ( 8th ) train. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (5, 5') einen sich verjüngenden oder halbkreisförmigen oder runden oder dreieckigen oder viereckigen, insbesondere quadratischen oder rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide elements ( 5 . 5 ' ) have a tapered or semicircular or round or triangular or quadrangular, in particular square or rectangular or trapezoidal cross-section. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (5, 5') mäanderförmig oder parallel angeordnet sind.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide elements ( 5 . 5 ' ) are arranged meandering or parallel. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (5, 5') mit einem Abstand von 3 mm bis 20 mm, vorzugsweise 5 mm bis 10 mm, angeordnet sind, insbesondere äquidistant zueinander angeordnet sind.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide elements ( 5 . 5 ' ) are arranged at a distance of 3 mm to 20 mm, preferably 5 mm to 10 mm, in particular are arranged equidistant from each other. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (5') durch höher verdichtete Bereiche eines die offene Gasverteilerstruktur (2) bildenden porösen Materials gebildet sind.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow guide elements ( 5 ' ) through higher densities of the open gas distribution structure ( 2 ) forming porous material are formed. Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Separatorplatte (6) die Begrenzung der Gasverteilerstruktur einer Nachbarzelle oder eines Kühlmittelverteilers bildet.Bipolar plate ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the rear side of the separator plate ( 6 ) forms the boundary of the gas distributor structure of a neighboring cell or a coolant distributor.
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