DE102014225947A1 - Bipolar plate and fuel cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (1) umfassend ein Paar Plattenhälften (11, 12), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (13a). Es ist vorgesehen, dass eine erste Plattenhälfte (11) im aktiven Bereich (13a) eine Profilstruktur zur Ausbildung diskreter Strömungskanäle aufweist und eine zweite Plattenhälfte (12) zumindest im aktiven Bereich (13a) nicht profiliert ausgebildet ist.The invention relates to a bipolar plate (10) for a fuel cell (1) comprising a pair of plate halves (11, 12), each having an active region (13a). It is provided that a first plate half (11) in the active region (13a) has a profile structure for forming discrete flow channels and a second plate half (12) is not profiled, at least in the active region (13a).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend ein Paar Plattenhälften jeweils aufweisend einen aktiven Bereich, sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, comprising a pair of plate halves each having an active region, and a fuel cell with such a.

Brennstoffzellen nutzen die elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu H2O unter Aufnahme der Protonen und Elektronen stattfindet. Fuel cells use the electrochemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case a membrane disposed on both sides of the electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of O 2 to H 2 O taking place of the protons and electrons takes place.

Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.The fuel cell is formed by a plurality of individual cells arranged in the stack, so that it is also referred to as a fuel cell stack. Between the membrane electrode assemblies bipolar plates are arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants and a cooling liquid. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Bipolarplatten sind zumeist aus einem Paar profilierter Plattenhälften aufgebaut, die jeweils eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweisen. Die beiden Platten sind derart einander gegenüber angeordnet und verbunden, dass sich zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausbilden. Die Platten besitzen in ihrem aktiven Bereich eine Gruppierung aus Nuten oder Kanälen, die auf ihren Zellseiten offene Flussfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Zwischen den Platten sind innerhalb in der Bipolarplatte Kühlmittelkanäle geformt und verteilen Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel zur Kühlung desselben.Bipolar plates are usually composed of a pair of profiled plate halves, each having a coolant side and a cell side. The two plates are arranged and connected to one another in such a way that channels for transporting coolant form between the mutually facing coolant sides. The plates have in their active region a grouping of grooves or channels which form open flow fields on their cell sides for distributing the reactants across the surfaces of the respective anodes and cathodes. Coolant channels are formed within the bipolar plate within the plates and distribute coolant over the fuel cell stack for cooling thereof.

Eine Alternative zu derartigen profilierten Bipolarplatten stellen solche dar, die im aktiven Bereich im Wesentlichen planar ausgeformt sind. Die Flussfelder, welche sich bei den vorstehend beschriebenen Bipolarplatten aus der Profilierung der Platten ergeben, werden hierbei durch Flusskörper aus porösem Material ersetzt. An alternative to such profiled bipolar plates are those which are substantially planar in the active region. The flow fields resulting from the profiling of the plates in the case of the bipolar plates described above are hereby replaced by flow bodies made of porous material.

Brennstoffzellen, die derartige nicht profilierte Bipolarplatten aufweisen, sind unter anderem aus der US 6,770,394 B2 , der DE 11 2007 000 638 T5 , der DE 11 2007 002 486 T5 und der DE 11 2007 000 282 T5 bekannt. Darin werden poröse Körper beschrieben, die beidseits von flachen Bipolarplatten angeordnet sind.Fuel cells having such non-profiled bipolar plates are known, inter alia, from US 6,770,394 B2 , of the DE 11 2007 000 638 T5 , of the DE 11 2007 002 486 T5 and the DE 11 2007 000 282 T5 known. It describes porous bodies arranged on both sides of flat bipolar plates.

Eine Kombination der beschriebenen Flussfelder und porösem Flusskörper ist in DE 10 2012 218 590 A1 offenbart, wobei beidseits einer nicht profilierten Bipolarplatte poröse Flusskörper angeordnet sind, die bereichsweise von Strömungskanälen unterbrochen werden, die sich aus einer Profilstruktur der Bipolarplatte ergeben.A combination of the described flow fields and porous flow body is in DE 10 2012 218 590 A1 disclosed, wherein on both sides of a non-profiled bipolar plate porous flow body are arranged, which are partially interrupted by flow channels resulting from a profile structure of the bipolar plate.

Die beschriebenen Bipolarplatten und Brennstoffzellen haben den Nachteil, dass durch die Anordnung eines porösen Flusskörpers zwar das Volumen der Brennstoffzelle im Vergleich zu profilierten Bipolarplatten reduziert wird, die volumetrische Leistungsdichte jedoch noch nicht optimal ist. Im Vergleich zu herkömmlichen, durch Strömungskanäle ausgebildeten Flussfeldern führt zudem die Verwendung von porösen Flusskörpern zu einem trägen dynamischen Verhalten, zu erhöhtem Druckverlust auf beiden Gasseiten, zu einem verschlechterten Wasseraustrag und zu einer Ungleichverteilung der Reaktanden auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit.The described bipolar plates and fuel cells have the disadvantage that, although the volume of the fuel cell is reduced compared to profiled bipolar plates by the arrangement of a porous flow body, the volumetric power density is still not optimal. In addition, compared to conventional flow fields formed by flow channels, the use of porous flux bodies results in sluggish dynamic behavior, increased pressure loss on both gas sides, deteriorated water discharge, and unequal distribution of reactants on both sides of the membrane-electrode assembly.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die Probleme des Stands der Technik löst oder zumindest reduziert. Insbesondere soll eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bereitgestellt werden, die es ermöglicht, die volumetrische Leistungsdichte durch eine verringerte Bauhöhe zu erhöhen und den Stofftransport zu verbessern.The invention is now based on the object to provide a fuel cell, which solves the problems of the prior art, or at least reduced. In particular, a fuel cell is to be provided with a bipolar plate, which makes it possible to increase the volumetric power density by reducing the height and to improve the mass transfer.

Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a bipolar plate and a fuel cell having the features of the independent claims.

Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend ein Paar Plattenhälften, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine erste Plattenhälfte im aktiven Bereich eine Profilstruktur zur Ausbildung diskreter Strömungskanäle aufweist und eine zweite Plattenhälfte zumindest im aktiven Bereich nicht profiliert ausgebildet ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Bipolarplatte liegt in der unsymmetrischen Ausgestaltung der beiden Plattenhälften. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel sind die beiden Plattenhälften jeweils benachbart zu einer Membran-Elektroden-Einheit angeordnet und begrenzen damit jeweils einen Elektrodenraum. So wird von der ersten Plattenhälfte ein Elektrodenraum begrenzt und von der zweiten, nicht profilierten Plattenhälfte ein zweiter Elektrodenraum begrenzt. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ermöglicht nun, dass die beiden Elektrodenräume in Bezug auf ein Verteilungsmedium unterschiedlich ausgestaltet sind. So wird ein erstes Reaktandengas in einem von der ersten, nämlich profilierten, Plattenhälfte begrenzten ersten Elektrodenraum über ein klassisches durch diskrete Strömungskanäle gebildetes Flussfeld verteilt, während ein zweites Reaktandengas in dem von der zweiten Plattenhälfte begrenzten zweiten Elektrodenraum beispielsweise über einen porösen Flusskörper verteilt wird. Somit werden bei Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel die Vorteile beider Verteilungsmöglichkeiten, nämlich die eines profilierten Flussfeldes mit dem eines porösen Flusskörpers, kombiniert und die Nachteile beider reduziert. Thus, a first aspect of the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell a pair of disc halves, each having an active area. According to the invention, a first plate half in the active region has a profile structure for forming discrete flow channels and a second plate half is not profiled, at least in the active region. The advantage of the bipolar plate according to the invention lies in the asymmetrical design of the two plate halves. When using the bipolar plate according to the invention in a fuel cell stack, the two plate halves are each arranged adjacent to a membrane-electrode unit and thus each define an electrode space. Thus, an electrode space is delimited by the first plate half and a second electrode space is delimited by the second, non-profiled plate half. The bipolar plate according to the invention now makes it possible for the two electrode spaces to be designed differently with respect to a distribution medium. Thus, a first reactant gas is distributed in a first electrode space delimited by the first, namely profiled plate half, via a classical flow field formed by discrete flow channels, while a second reactant gas is distributed in the second electrode space delimited by the second plate half, for example via a porous flow body. Thus, when using the bipolar plate according to the invention in a fuel cell stack, the advantages of both distribution possibilities, namely that of a profiled flow field combined with that of a porous flow body, and reduces the disadvantages of both.

Insbesondere wird die Bauraumhöhe, die im ersten Elektrodenraum durch das klassische Flussfeld beansprucht wird, auch von einem Kühlmittel genutzt, da sich aufgrund der Profilstruktur der ersten Plattenhälfte zwischen den Plattenhälften diskrete Kühlmittelkanäle herausbilden. Im zweiten Elektrodenraum wird die Bauraumhöhe deutlich reduziert, da poröse Flusskörper grundsätzlich weniger Bauraumhöhe in Anspruch nehmen. Bei symmetrischer Ausgestaltung wird jedoch zusätzlich Bauraumhöhe für die Verteilung des Kühlmittels beansprucht. Vorteilhafterweise ist dies bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte nicht der Fall, da das Kühlmittel in der negativen Profilstruktur der ersten Plattenhälfte fließt und somit keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht. In particular, the space height, which is claimed in the first electrode space by the classical flow field, also used by a coolant, since due to the profile structure of the first plate half between the plate halves discrete coolant channels form. In the second electrode space, the installation space height is significantly reduced, since porous flow bodies basically take up less installation space. In a symmetrical embodiment, however, additional space height for the distribution of the coolant is claimed. Advantageously, this is not the case with the bipolar plate according to the invention, since the coolant flows in the negative profile structure of the first plate half and thus requires no additional space.

Das heißt, in dem vom porösen Flusskörper eingenommenen Bereich der Brennstoffzelle wird das Reaktandengas besonders gleichmäßig verteilt, ohne dass die Bauraumhöhe der gesamten Brennstoffzelle aufgrund eines erhöhten Kühlmittelbedarfs vergrößert werden muss.That is, in the region of the fuel cell occupied by the porous flow body, the reactant gas is distributed particularly uniformly, without the installation space height of the entire fuel cell having to be increased due to an increased coolant requirement.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte hat also den Vorteil, dass das Kühlmittelvolumen im Vergleich zur ausschließlichen Verwendung von porösen Flusskörpern deutlich reduziert wird, dass die volumetrische Leistungsdichte im Vergleich zu beiden Formen von Verteilungsmedien erhöht wird und dass die Verteilung des Reaktandengases an die Ansprüche des jeweiligen Reaktanden angepasst wird.The bipolar plate according to the invention thus has the advantage that the volume of coolant is significantly reduced compared to the exclusive use of porous flux bodies, that the volumetric power density is increased in comparison to both forms of distribution media and that the distribution of the reactant gas is adapted to the requirements of the particular reactant ,

Bipolarplatten im Sinne der Erfindung trennen Reaktionsgase und Kühlmittel voneinander. Sie umfassen zwei Plattenhälften, mit jeweils einer Kühlmittel- und einer Elektrodenseite, die an ihrer Kühlmittelseite einander zugewandt und stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Ferner weisen sie inaktive Verteilerbereiche für die Zu- und Abführung und Verteilung der Betriebsmedien sowie einen aktiven Bereich auf, welcher im Brennstoffzellenstapel an die elektrochemisch aktiven Bereiche der Elektrodenräume anschließt. Bipolar plates according to the invention separate reaction gases and coolant from each other. They comprise two plate halves, each having a coolant and an electrode side, which face each other on their coolant side and are materially interconnected. Furthermore, they have inactive manifold areas for the supply and discharge and distribution of the operating media and an active area, which connects in the fuel cell stack to the electrochemically active areas of the electrode spaces.

Der Verteilerbereich weist im Allgemeinen Durchbrüche beziehungsweise Hauptgaskanäle auf, in denen Reaktandengas auf die jeweilige Elektrodenseite, also Kathodenseite oder Anodenseite, geführt und von dort aus in den aktiven Bereich verteilt wird. Jede Elektrodenseite einer Bipolarplatte weist im Allgemeinen zumindest zwei Verteilerbereiche auf, welche den aktiven Bereich einschließen. The distributor region generally has openings or main gas passages in which reactant gas is guided onto the respective electrode side, ie cathode side or anode side, and from there is distributed into the active region. Each electrode side of a bipolar plate generally has at least two distributor regions which enclose the active region.

Der aktive Bereich der Bipolarplatte wird durch den Bereich definiert, der im späteren Brennstoffzellenstapel zu einer Membran-Elektroden-Einheit benachbart angeordnet ist und in welchem die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Im aktiven Bereich ist die erfindungsgemäße Bipolarplatte auf einer Seite profiliert und auf der anderen Seite nicht profiliert ausgebildet. Weist die Bipolarplatte im aktiven Bereich eine Struktur, insbesondere eine Profilstruktur auf, so ergibt die Gesamtheit der Struktur, also von Auswölbungen, Ausnehmungen, Nuten und Kanälen, ein Flussfeld, in welchem die Reaktandengase von einem Verteilerbereich über den aktiven Bereich zum anderen Verteilerbereich geführt werden.The active region of the bipolar plate is defined by the region which is arranged adjacent to a membrane electrode assembly in the later fuel cell stack and in which the fuel cell reaction takes place. In the active region, the bipolar plate according to the invention is profiled on one side and not profiled on the other side. If the bipolar plate has a structure, in particular a profile structure, in the active region, the entirety of the structure, that is to say bulges, recesses, grooves and channels, results in a flow field in which the reactant gases are conducted from one distributor region over the active region to the other distributor region ,

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der zweiten, der nicht profilierten Plattenhälfte ein poröser Flusskörper angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung weist die Bipolarplatte auf der Oberfläche der ersten Plattenhälfte ein durch Strömungskanäle gebildetes Flussfeld und auf der Oberfläche der zweiten Plattenhälfte einen porösen Flusskörper auf, sodass die Bipolarplatte sowohl die Vorteile eines Flusskörpers als auch die eines Flussfelds vereinigt. Insbesondere wird bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel ein Reaktand über das Flussfeld geführt, während der zweite Reaktand über den porösen Flusskörper auf der anderen Oberfläche der Bipolarplatte verteilt wird.In a preferred embodiment of the invention it is provided that a porous flow body is arranged on the second, the non-profiled plate half. In this embodiment, the bipolar plate has a flow field formed by flow channels on the surface of the first plate half and a porous flow body on the surface of the second plate half, so that the bipolar plate combines both the advantages of a flux body and a flow field. In particular, when using the bipolar plate according to the invention in a fuel cell stack, a reactant is passed over the flow field, while the second reactant is distributed over the porous flow body on the other surface of the bipolar plate.

Bei dem Flusskörper handelt es sich um einen porösen insbesondere makroporösen Körper, der eine offenporige Struktur aufweist, wobei die Poren derart miteinander verbunden sind, dass sich ein für das jeweilige Reaktandengas durchlässiges Kanalsystem ergibt.The flow body is a porous, in particular macroporous body, which has an open-pore structure, wherein the pores are connected to one another in such a way that a channel system permeable to the respective reactant gas results.

Ferner ist bevorzugt, dass zwischen der ersten Plattenhälfte und der zweiten Plattenhälfte Kühlmittelkanäle ausgebildet sind. Diese Kühlmittelkanäle ergeben sich aus der Struktur der ersten Plattenhälfte, das heißt, sie werden einerseits durch die Struktur der ersten profilierten Plattenhälfte und andererseits durch die Kühlmittelseite der nicht profilierten zweiten Plattenhälfte begrenzt. Der Durchmesser beziehungsweise die Höhe der Kühlmittelkanäle ist somit durch die Höhe der Strömungskanäle der ersten Plattenhälfte definiert. Vorteilhafterweise stehen beide Plattenhälften gleichmäßig mit dem Kühlmittel in Kontakt, ohne dass dafür zusätzliche Vorkehrungen, insbesondere zusätzlicher Bauraum vorgesehen werden muss. Vorzugsweise sind in dieser Ausgestaltung die beiden Plattenhälften stoffschlüssig und gasdicht miteinander verbunden.Furthermore, it is preferred that coolant channels are formed between the first plate half and the second plate half. These coolant channels result from the structure of the first plate half, that is, they are limited on the one hand by the structure of the first profiled plate half and on the other hand by the coolant side of the non-profiled second plate half. The diameter or the height of the coolant channels is thus defined by the height of the flow channels of the first plate half. Advantageously, both plate halves are evenly in contact with the coolant, without the need for additional provisions, in particular additional space must be provided. Preferably, in this embodiment, the two plate halves are integrally connected and gas-tight with each other.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte in einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen. Mit besonderem Vorteil weist die Brennstoffzelle folgende Reihenfolge auf:

  • – eine erste Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
  • – eine Membran-Elektroden-Einheit (20), die der ersten, profilierten Plattenhälfte (11) der Bipolarplatte (10) zugewandt ist,
  • – einen porösen Flusskörper (15) und
  • – eine zweite Bipolarplatte (10‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren zweite, nicht profilierte Plattenhälfte (12) dem Flusskörper (15) zugewandt ist.
Another aspect of the invention relates to a fuel cell with a bipolar plate in one of the above-described embodiments. With particular advantage, the fuel cell has the following sequence:
  • A first bipolar plate ( 10 ) according to one of claims 1 to 3,
  • A membrane-electrode unit ( 20 ), the first, profiled plate half ( 11 ) of the bipolar plate ( 10 facing),
  • A porous flow body ( 15 ) and
  • A second bipolar plate ( 10 ' ) according to one of claims 1 to 3, whose second, non-profiled plate half ( 12 ) the flow body ( 15 ) is facing.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist demzufolge als Verteilungsmedium für Reaktandengas sowohl einen porösen Flusskörper als auch ein Flussfeld auf, wobei beides nicht nebeneinander auf derselben Seite der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, sondern sich die Ausgestaltung der beiden gegenüberliegenden Elektrodenseiten, in Bezug auf das Verteilungsmedium für Reaktandengas, also Flussfeld oder poröser Flusskörper, unterscheiden.The fuel cell according to the invention therefore has both a porous flow body and a flow field as distribution medium for reactant gas, both of which are not arranged side by side on the same side of the membrane-electrode unit, but the configuration of the two opposite electrode sides, with respect to the distribution medium for Reactant gas, so flow field or porous flux body, distinguish.

Bei dem porösen Flusskörper handelt es sich vorzugsweise um einen Körper, also ein dreidimensionales Gebilde, aus porösem, insbesondere offenporigem Material mit einem geringen Strömungswiderstand für Reaktandengas, wie beispielsweise Luft oder Wasserstoff. Innerhalb des Flusskörpers bilden sich keine diskreten Strömungskanäle aus, vielmehr strömt das Reaktandengas gleichmäßig in Abhängigkeit vom Strömungswiderstand durch den gesamten porösen Flusskörper. Der Strömungswiderstand wird einerseits durch die Porosität und den Porendurchmesser des Flusskörper definiert und andererseits durch die durch eventuell in den Poren befindlichen Störstellen, wie beispielsweise Wassertropfen oder ähnlichem. The porous flow body is preferably a body, ie a three-dimensional structure, of porous, in particular open-pored material with a low flow resistance for reactant gas, such as air or hydrogen. Within the flow body, no discrete flow channels are formed, but the reactant gas flows evenly as a function of the flow resistance through the entire porous flow body. The flow resistance is defined on the one hand by the porosity and the pore diameter of the flow body and on the other hand by the possibly located in the pores impurities, such as water drops or the like.

Im Unterschied zum Flussfeld handelt es sich beim Material des Flusskörpers nicht notwendigerweise um das identische Material der Plattenhälfte. Vielmehr ist bevorzugt, dass sich das Material des porösen Flusskörpers von dem der zweiten Plattenhälfte unterscheidet.In contrast to the flow field, the material of the flow body is not necessarily the identical material of the plate half. Rather, it is preferred that the material of the porous flow body is different from that of the second plate half.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flusskörper entweder zu einer Kathodenseite oder zu einer Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit benachbart ist. Mit besonderem Vorteil ist der Flusskörper zur Kathodenseite der Brennstoffzelle benachbart, da er besonders gut zur Verteilung des Kathodengases geeignet ist. Im Gegensatz dazu ist bevorzugt, dass das klassische durch diskrete Strömungskanäle definierte Flussfeld auf der Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, da es hier vermehrt zur Kondensation und somit zu Wasseransammlungen kommen kann und diese in Strömungskanälen von klassischen Flussfeldern leichter ausgetrieben werden können, wodurch eine Verstopfung des Verteilermediums und somit eine Degradation der Brennstoffzelle verhindert oder zumindest behoben werden kann.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the flow body is adjacent either to a cathode side or to an anode side of the membrane electrode assembly. With particular advantage, the flow body is adjacent to the cathode side of the fuel cell, since it is particularly well suited for the distribution of the cathode gas. In contrast, it is preferred that the classical flow field defined by discrete flow channels is arranged on the anode side of the membrane-electrode unit, since condensation may occur here and thus accumulations of water can be more easily expelled in flow channels of classical flow fields. whereby a blockage of the distribution medium and thus a degradation of the fuel cell can be prevented or at least eliminated.

In einer weiteren Ausgestaltung ist bevorzugt, dass der Flusskörper eine makroporöse Struktur umfasst. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Reaktandengas mit möglichst geringem Strömungswiderstand strömt. Vorzugsweise weist das makroporöse Material einen mittleren Porendurchmesser von mehr als 50 µm auf. Ferner ist bevorzugt, dass die Porosität des Flusskörpers 50 %, insbesondere 75 %, bevorzugt 80 %, insbesondere 90 % überschreitet. Mit besonderem Vorteil variiert der mittlere Porendurchmesser und/oder die Porosität des Flusskörpers über die Fläche und/oder die Höhe des aktiven Bereiches. Insbesondere ist bevorzugt, dass sich ein Gradient des mittleren Porendurchmessers oder der Porosität dergestalt ausbildet, dass ein oder mehrere Randbereiche des Flusskörpers eine kleinere Porosität und/oder einen kleineren mittleren Porendurchmesser aufweisen als ein innerer Bereich des Flusskörpers. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sich das Reaktandengas zwar gleichmäßig über den Flusskörper verteilt und über den aktiven Bereich strömt, der Strömungswiderstand in Richtung der Randbereiche des Flusskörpers jedoch derart ansteigt, dass ein Ausfließen des Reaktandengases und somit ein Verlust an Reaktandengas verhindert oder zumindest reduziert werden.In a further embodiment, it is preferred that the flow body comprises a macroporous structure. This embodiment has the advantage that the reactant gas flows with the lowest possible flow resistance. The macroporous material preferably has an average pore diameter of more than 50 μm. It is further preferred that the porosity of the flow body exceeds 50%, in particular 75%, preferably 80%, in particular 90%. With particular advantage, the mean pore diameter and / or the porosity of the flow body varies over the area and / or the height of the active area. In particular, it is preferred that a gradient of the mean pore diameter or porosity is formed in such a way that one or more edge regions of the flow body have a smaller porosity and / or a smaller mean pore diameter than an inner region of the flow body. Although this embodiment has the advantage that although the reactant gas is distributed uniformly over the flow body and flows over the active region, the flow resistance in the direction of the edge regions of the flow body increases such that outflow of the reactant gas and thus loss of reactant gas is prevented or at least reduced become.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist vorgesehen, dass der Flusskörper ein metallisches Material umfasst. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auch der Flusskörper elektrisch leitfähig ist und insbesondere ein Material aufweist, welches physikalisch und chemisch der zweiten Plattenhälfte ähnlich ist. Somit werden Übergangsverluste an der Grenze zwischen zweiter Plattenhälfte und Flusskörper reduziert. Zudem lassen sich metallische Materialien sehr gut zu porösen Materialien verarbeiten und sind unter den Bedingungen der Brennstoffzelle chemisch und physikalisch stabil.In a further embodiment of the fuel cell according to the invention it is provided that the flow body comprises a metallic material. This embodiment has the advantage that the flux body is also electrically conductive and in particular has a material which is physically and chemically similar to the second plate half. Thus, junction losses at the boundary between the second plate half and the flow body are reduced. In addition, metallic materials can be processed very well to porous materials and are chemically and physically stable under the conditions of the fuel cell.

Als metallisches Material ist insbesondere Zinn, Kupfer, Nickel, Aluminium, Gold oder deren Legierungen insbesondere Aluminium-Titan-Legierungen bevorzugt. Die metallischen Materialien werden zur Verwendung als Flusskörper insbesondere als Metallschäume verarbeitet, oder aber mittels Platzhalter-Sinterverfahren geformt. Zudem ist bevorzugt, wenn das metallische Material des Flusskörpers alternativ oder zusätzlich zu den unregelmäßigen Poren der Metallschäume oder der Sintermetalle regelmäßige Strukturen wie Röhrenstrukturen, Wabenstrukturen oder Fachwerkstrukturen aufweist. Letztere werden vorzugsweise mittels Druckverfahren oder als Folie auf die zweite Plattenhälfte aufgebracht.In particular, tin, copper, nickel, aluminum, gold or alloys thereof, in particular aluminum-titanium alloys, are preferred as the metallic material. The metallic materials are processed for use as flux bodies, in particular as metal foams, or shaped by means of a spacer sintering process. In addition, it is preferred if the metallic material of the flow body has, as an alternative or in addition to the irregular pores of the metal foams or of the sintered metals, regular structures such as tubular structures, honeycomb structures or truss structures. The latter are preferably applied by means of printing or as a film on the second plate half.

Mit besonderem Vorteil ist der Flusskörper stoffschlüssig mit der Bipolarplatte verbunden. Diese Ausgestaltung unterstützt die Leitfähigkeit, verbessert die Verarbeitbarkeit der Bipolarplatte und reduziert Übergangsverluste an der Grenze zwischen Flusskörper und zweiter Plattenhälfte.With particular advantage, the flow body is firmly bonded to the bipolar plate. This design promotes conductivity, improves the processability of the bipolar plate, and reduces junction losses at the boundary between the flux body and the second plate half.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass zwischen Membran-Elektroden-Einheit und Flusskörper und/oder zwischen Membran-Elektroden-Einheit und Flussfeld eine Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, deren Porosität kleiner ist als die Porosität des Flusskörpers. Vorzugsweise weist die Gasdiffusionsschicht einen mittleren Porendurchmesser von 30 µm auf. Die Gasdiffusionsschicht hat dabei ebenfalls die Funktion der Medienverteilung. Insbesondere bei der Anordnung zwischen Membran-Elektroden-Einheit und Flussfeld hat die Anordnung der Gasdiffusionsschicht den Vorteil, dass außerhalb der diskreten Strömungskanäle der Profilstruktur der ersten Plattenhälfte eine Reaktandengasverteilung stattfindet. In a particularly preferred embodiment of the invention, it is further provided that a gas diffusion layer whose porosity is smaller than the porosity of the flow body is arranged between membrane electrode unit and flow body and / or between membrane electrode unit and flow field. The gas diffusion layer preferably has an average pore diameter of 30 μm. The gas diffusion layer also has the function of media distribution. In particular, in the arrangement between membrane-electrode assembly and flow field, the arrangement of the gas diffusion layer has the advantage that outside of the discrete flow channels of the profile structure of the first plate half takes place a Reaktandengasverteilung.

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

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels, 1 a schematic representation of a fuel cell stack,

2 eine Bipolarplatte in Aufsicht auf eine Elektrodenseite einer profilierten Plattenhälfte der Bipolarplatte, 2 a bipolar plate in a plan view of an electrode side of a profiled plate half of the bipolar plate,

3 eine schematische Querschnittzeichnung einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik, 3 a schematic cross-sectional drawing of a fuel cell according to the prior art,

4 eine schematische Querschnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in einer ersten Ausführungsform, und 4 a schematic cross-sectional drawing of a fuel cell according to the invention in a first embodiment, and

5 eine schematische Querschnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in einer zweiten Ausführungsform. 5 a schematic cross-sectional drawing of a fuel cell according to the invention in a second embodiment.

1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst zwei Endplatten 101 zwischen denen eine Vielzahl gestapelter Stapelelemente angeordnet ist, welche Bipolarplatten 10 und Membran-Elektroden-Einheiten 20 umfassen. Die Bipolarplatten 10 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 20 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 20 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An den Elektroden anliegend können die Membran-Elektroden-Einheiten 20 zudem Gasdiffusionsschichten 30 aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 10 und Membran-Elektroden-Einheiten 20 sind jeweils Dichtungselemente angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten (nicht gezeigt). Zwischen den Endplatten 101 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Zugelementen 102, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst. 1 shows a highly schematic representation of a fuel cell stack. The fuel cell stack 100 includes two end plates 101 between which a plurality of stacked stack elements is arranged, which bipolar plates 10 and membrane-electrode assemblies 20 include. The bipolar plates 10 are with the membrane electrode units 20 alternately stacked. The membrane-electrode units 20 each comprise a membrane and on both sides of the membrane subsequent electrodes, namely an anode and a cathode (not shown). Adjacent to the electrodes, the membrane-electrode units 20 also gas diffusion layers 30 exhibit. Between the bipolar plates 10 and membrane-electrode assemblies 20 each sealing elements are arranged, which seal the anode and cathode chambers gas-tight to the outside (not shown). Between the end plates 101 is the fuel cell stack 100 by means of tension elements 102 , For example, tie rods or clamping plates, pressed.

In 1 sind von den Bipolarplatten 10 und den Membran-Elektroden-Einheiten 20 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 10 und der Membran-Elektroden-Einheiten 20 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 10 und einer Membran-Elektroden-Einheit 20, wenige mm, insbesondere maximal 2 mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 20 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.In 1 are from the bipolar plates 10 and the membrane electrode assemblies 20 only the narrow sides visible. The main sides of the bipolar plates 10 and the membrane electrode assemblies 20 lie against each other. The representation in 1 is not dimensionally accurate. Typically, a thickness of a single cell consisting of a bipolar plate 10 and a membrane-electrode assembly 20 , a few mm, in particular a maximum of 2 mm, the membrane-electrode unit 20 the much thinner component is. In addition, the number of single cells is usually much larger than shown.

2 zeigt eine Bipolarplatte 10 in Aufsicht auf eine Elektrodenseite einer ersten Plattenhälfte 11. Eine zweite Plattenhälfte 12 ist in dieser Darstellung durch die erste Plattenhälfte 11 verdeckt. Die erste Plattenhälfte 11 weist einen aktiven Bereich 13a auf, der zweiseitig zu Verteilerbereichen 13b benachbart ist. Dabei grenzen die Verteilerbereiche 13b an zwei gegenüberliegende Seiten des aktiven Bereiches 13a an. Die Verteilerbereiche 13b weisen jeweils zwei Hauptgaskanäle zur Bereitstellung von zwei Reaktandengasen sowie einen Kühlmittelhauptkanal auf. Im Brennstoffzellenstapel wird ein Reaktandengas von einem Verteilerbereich 13b über den aktiven Bereich 13a hin zum anderen Verteilerbereich 13b geführt. 2 shows a bipolar plate 10 in plan view of an electrode side of a first plate half 11 , A second half of the plate 12 is in this illustration by the first plate half 11 covered. The first half of the plate 11 has an active area 13a on, the two-sided to distribution areas 13b is adjacent. The distribution areas border on this 13b on two opposite sides of the active area 13a at. The distributor areas 13b each have two main gas channels for providing two reactant gases and a main coolant channel. In the fuel cell stack, a reactant gas from a distributor region 13b over the active area 13a to the other distribution area 13b guided.

Der aktive Bereich 13a der ersten Plattenhälfte 11 weist eine Profilstruktur auf. Hierbei handelt es sich in der gezeigten Ausgestaltung um eine geradlinig über die Längsseite der Plattenhälfte 11 verlaufende Profilstruktur. Die Profilstruktur weist in gezeigter Ausführung mehrere parallel zueinander verlaufende Furchen und Erhebungen aus, aus denen sich parallel zur Längsseite der Plattenhälfte 11 verlaufende offene Kanäle, die Strömungskanäle des Reaktandengases ausbilden. Die Gesamtheit der Strömungskanäle ergibt ein Flussfeld 14. The active area 13a the first half of the plate 11 has a profile structure. In the embodiment shown, this is a straight line over the longitudinal side of the plate half 11 running profile structure. The profile structure has shown in execution a plurality of mutually parallel grooves and elevations, from which parallel to the longitudinal side of the plate half 11 extending open channels that form flow channels of the reactant gas. The totality of the flow channels results in a flow field 14 ,

Auf einer in der Darstellung nicht sichtbaren Kühlmittelseite der ersten Plattenhälfte 11 ergibt sich eine negative Profilstruktur, die ebenfalls Strömungskanäle, nämlich Kühlmittelkanäle, ausbildet.On a not visible in the representation of the coolant side of the first plate half 11 This results in a negative profile structure, which also forms flow channels, namely coolant channels.

Zur Bildung einer Bipolarplatte 10 wird die zweite Plattenhälfte 12 mit der Kühlmittelseite an die Kühlmittelseite der ersten Plattenhälfte 11 angeordnet und stoffschlüssig dicht verbunden. Hierzu ist die zweite Plattenhälfte 12 in Form und Größe sowie in Ausgestaltung der Verteilerbereiche spiegelsymmetrisch zur ersten Plattenhälfte 11 ausgestaltet. Die erste Plattenhälfte 11 und die zweite Plattenhälfte 12 unterscheiden sich bei erfindungsgemäßer Bipolarplatte 10 hingegen in der Ausgestaltung des aktiven Bereiches 13a. Während der aktive Bereich 13a der ersten Plattenhälfte 11 profiliert ausgestaltet ist, weist der aktive Bereich 13a der zweiten Plattenhälfte keine Profilstruktur auf, sondern ist vielmehr im Wesentlichen planar ausgestaltet. To form a bipolar plate 10 becomes the second half of the plate 12 with the coolant side to the coolant side of the first plate half 11 arranged and tightly connected cohesively. This is the second half of the plate 12 in shape and size and in the embodiment of the distributor areas mirror-symmetrical to the first plate half 11 designed. The first half of the plate 11 and the second half of the plate 12 differ in inventive bipolar plate 10 however, in the embodiment of the active area 13a , While the active area 13a the first half of the plate 11 profiled is the active area 13a the second plate half no profile structure, but rather is configured substantially planar.

3 zeigt eine Querschnittszeichnung eines Ausschnitts des aktiven Bereichs 13a einer Brennstoffzelle 1‘ nach dem Stand der Technik. Mehrere Bipolarplatten 10 sind alternierend mit Membran-Elektroden-Einheiten 20 zu einem Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet. Dabei sind zwischen den Bipolarplatten 10 und den Membran-Elektroden-Einheiten 20 optional jeweils Gasdiffusionsschichten 30 angeordnet. Die Bipolarplatten 10 der Brennstoffzelle 1‘ nach dem Stand der Technik umfassen jeweils zwei profilierte Plattenhälften 11, welche derart aneinander angeordnet sind, dass sich auf der einander zugewandten Seite Kühlmittelkanäle 14b herausbilden, welche mit den Strömungskanälen 14a und 14c der Reaktandengase versetzt angeordnet sind. Es ergeben sich also auf beiden Elektrodenseiten der Bipolarplatte 10 diskrete Strömungskanäle 14b durch die Profilstruktur 14, welche jeweils ein Flussfeld 14 definieren. 3 shows a cross-sectional drawing of a section of the active area 13a a fuel cell 1' According to the state of the art. Several bipolar plates 10 are alternating with membrane-electrode units 20 to a fuel cell stack 1 arranged. Here are between the bipolar plates 10 and the membrane electrode assemblies 20 Optionally each gas diffusion layers 30 arranged. The bipolar plates 10 the fuel cell 1' According to the prior art, each comprise two profiled plate halves 11 , Which are arranged in such a way that on the side facing each other coolant channels 14b form, which with the flow channels 14a and 14c the reactant gases are arranged offset. Thus, the bipolar plate is produced on both sides of the electrode 10 discrete flow channels 14b through the profile structure 14 , each of which is a flow field 14 define.

4 zeigt im Gegensatz dazu einen Querschnitt eines Ausschnitts des aktiven Bereichs 13a einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. Im Unterschied zur Brennstoffzelle 1‘ nach dem Stand der Technik sind erfindungsgemäße Bipolarplatten 10 eine erste, profilierte Plattenhälfte 11 sowie eine zweite, nicht profilierte Plattenhälfte 12, die an den Kühlmittelseiten miteinander verbunden sind. Aus der Profilstruktur der ersten Plattenhälfte 11 ergibt sich ein Flussfeld 14, welches elektrodenseitig aus Strömungskanälen 14a für Reaktandengas ausgebildet wird. Zwischen der ersten und der zweiten Plattenhälfte 11, 12 sind durch die Profilierung Kühlmittelkanäle 14a ausgebildet. Zwischen Membran-Elektroden-Einheit 20 und zweiter Plattenhälfte 12 ist in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 ein poröser Flusskörper 15 angeordnet. 4 in contrast, shows a cross-section of a section of the active area 13a a fuel cell according to the invention 1 , Unlike the fuel cell 1' According to the prior art are bipolar plates according to the invention 10 a first, profiled plate half 11 and a second, non-profiled plate half 12 , which are connected to each other at the coolant sides. From the profile structure of the first half of the plate 11 this results in a flow field 14 , which electrode side of flow channels 14a is designed for reactant gas. Between the first and the second half of the plate 11 . 12 are by profiling coolant channels 14a educated. Between membrane-electrode unit 20 and second plate half 12 is in the fuel cell according to the invention 1 a porous river body 15 arranged.

Bei dem porösen Flusskörper 15 kann es sich beispielsweise um ein poröses, insbesondere makroporöses Material handeln, welches beispielsweise aus einem Metall gefertigt ist. Hierzu eignen sich besonders gut die Metalle Zinn, Kupfer, Nickel, Aluminium und Gold beziehungsweise deren Legierungen. Hierbei ist vor allem die Verwendung von Aluminium-Titan-Legierungen von Vorteil. Der poröse Flusskörper 15 weist Poren auf, die den mittleren Porendurchmesser 50 nm überschreiten. Die Poren sind dabei derart im Flusskörper 15 verteilt, dass sich eine Porosität von größer 50 %, vorzugsweise größer 75 %, insbesondere größer 80 % besonders bevorzugt von größer 90 % ergibt. Bei den Poren können sowohl unregelmäßige Strukturen auftreten, wie beispielsweise in Metallschäumen oder gesinterten Metallen, oder regelmäßige Strukturen, wie sie beispielsweise bei einer Wabenstruktur, einer Röhrenstruktur oder einer Fachwerkstruktur vorkommen.At the porous flow body 15 it may be, for example, a porous, especially macroporous material, which is made for example of a metal. For this purpose, the metals tin, copper, nickel, aluminum and gold or their alloys are particularly well suited. Here, especially the use of aluminum-titanium alloys is advantageous. The porous flow body 15 has pores that exceed the mean pore diameter of 50 nm. The pores are so in the flow body 15 distributed that results in a porosity of greater than 50%, preferably greater than 75%, in particular greater than 80%, particularly preferably greater than 90%. In the case of the pores, irregular structures can occur, for example in metal foams or sintered metals, or regular structures, as occur, for example, in a honeycomb structure, a tubular structure or a truss structure.

Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit 20 und der Bipolarplatte 10 kann ferner eine Gasdiffusionsschicht 30 angeordnet sein. Die Gasdiffusionsschicht 30 kann beispielsweise ausschließlich zwischen Membran-Elektroden-Einheit 20 und erster Plattenhälfte 11, also zwischen Membran-Elektroden-Einheit 20 und dem Flussfeld 14 (wie es in 4 gezeigt ist) angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Gasdiffusionsschicht 30 zwischen der Membran-Elektroden-Einheit 20 und dem Flusskörper 15 angeordnet sein (nicht gezeigt).Between the membrane-electrode unit 20 and the bipolar plate 10 may further comprise a gas diffusion layer 30 be arranged. The gas diffusion layer 30 For example, can only be used between membrane-electrode unit 20 and first half of the plate 11 , ie between membrane-electrode unit 20 and the river field 14 (as it is in 4 is shown). Alternatively or additionally, the gas diffusion layer 30 between the membrane-electrode unit 20 and the river body 15 be arranged (not shown).

In einer in 5 gezeigten dritten Ausgestaltungsform ist jeweils eine Gasdiffusionsschicht 30 sowohl zwischen Membran-Elektroden-Einheit 20 und erster Plattenhälfte 11 als auch zwischen Membran-Elektroden-Einheit 20 und Flusskörper 15 angeordnet, also beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit 20.In an in 5 shown third embodiment is each a gas diffusion layer 30 both between membrane-electrode unit 20 and first half of the plate 11 as well as between membrane-electrode unit 20 and river body 15 arranged, so on both sides of the membrane electrode assembly 20 ,

Bei der Gasdiffusionsschicht handelt es sich ebenfalls um ein poröses Material, welches elektrisch leitfähig ist. Die Porosität sowie der Porendurchmesser sind jedoch zumeist kleiner als Porosität und/oder Porendurchmesser des Flusskörpers 15. Die Gasdiffusionsschicht 30 ist ebenfalls elektrisch leitfähig, weist zumeist allerdings kein metallisches Material auf, sondern ist vielmehr aus kohlenstoffhaltigen Materialien, wie beispielsweise Grafit, gefertigt. The gas diffusion layer is also a porous material which is electrically conductive. However, the porosity and the pore diameter are usually smaller than the porosity and / or pore diameter of the flow body 15 , The gas diffusion layer 30 is also electrically conductive, but usually has no metallic material, but rather is made of carbonaceous materials, such as graphite.

Die Funktionsweise der in 4 und 5 gezeigten erfindungsgemäßen Brennstoffzellen ergibt sich insbesondere aus der unsymmetrischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10. So ist zur einen Seite der Bipolarplatte 10, nämlich zur ersten Plattenhälfte 11 ein Flussfeld 14 ausgebildet, welches den Transport beziehungsweise die Verteilung eines ersten Reaktandengases ermöglicht, während auf der anderen Seite der Bipolarplatte, nämlich auf der Seite der zweiten Plattenhälfte 12 ein Flusskörper 15 angeordnet ist, durch den ein zweites Reaktandengas gleichmäßig über den aktiven Bereich der Bipolarplatte im Elektrodenbereich verteilt wird.The functioning of in 4 and 5 shown fuel cells according to the invention results in particular from the asymmetrical configuration of the bipolar plate according to the invention 10 , So is one side of the bipolar plate 10 namely to the first half of the plate 11 a river field 14 formed, which allows the transport or the distribution of a first reactant gas, while on the other side of the bipolar plate, namely on the side of the second plate half 12 a river body 15 is arranged, through which a second reactant gas is uniformly distributed over the active region of the bipolar plate in the electrode region.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzelle fuel cell
1‘ 1'
Brennstoffzelle nach dem Stand der TechnikFuel cell according to the prior art
1010
Bipolarplatte bipolar
1111
erste Plattenhälfte first half of the plate
1212
zweite Plattenhälfte second plate half
13a13a
aktiver Bereich active area
13b13b
Verteilerbereich distribution area
1414
Flussfeld flow field
14a14a
Strömungskanal  flow channel
14b14b
Kühlmittelkanal Coolant channel
1515
poröser Flusskörper porous flow body
2020
Membran-Elektroden-Einheit Membrane-electrode assembly
3030
Gasdiffusionsschicht Gas diffusion layer
100100
Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
101101
Endplatte endplate
102102
Spannelement clamping element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 6770394 B2 [0006] US 6770394 B2 [0006]
  • DE 112007000638 T5 [0006] DE 112007000638 T5 [0006]
  • DE 112007002486 T5 [0006] DE 112007002486 T5 [0006]
  • DE 112007000282 T5 [0006] DE 112007000282 T5 [0006]
  • DE 102012218590 A1 [0007] DE 102012218590 A1 [0007]

Claims (10)

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle (1) umfassend ein Paar Plattenhälften (11, 12), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (13a), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Plattenhälfte (11) im aktiven Bereich (13a) eine Profilstruktur zur Ausbildung von Strömungskanälen (14a) aufweist und eine zweite Plattenhälfte (12) zumindest im aktiven Bereich (13a) nicht profiliert ausgebildet ist.Bipolar plate ( 10 ) for a fuel cell ( 1 ) comprising a pair of plate halves ( 11 . 12 ), each having an active area ( 13a ), characterized in that a first plate half ( 11 ) in the active area ( 13a ) a profile structure for the formation of flow channels ( 14a ) and a second plate half ( 12 ) at least in the active area ( 13a ) is not formed profiled. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten, nicht profilierte Plattenhälfte (12) ein poröser Flusskörper (15) angeordnet ist.Bipolar plate ( 10 ) according to claim 1, characterized in that on the second, non-profiled plate half ( 12 ) a porous flow body ( 15 ) is arranged. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Plattenhälfte (11) und der zweiten Plattenhälfte (12) Kühlmittelkanäle (14b) ausgebildet sind.Bipolar plate ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that between the first plate half ( 11 ) and the second half of the plate ( 12 ) Coolant channels ( 14b ) are formed. Brennstoffzelle (1) mit einer Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell ( 1 ) with a bipolar plate ( 10 ) according to any one of the preceding claims. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 4, aufweisend folgende Reihenfolge aufweisende Schichtstruktur: – eine erste Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – eine Membran-Elektroden-Einheit (20), die der ersten, profilierten Plattenhälfte (11) der Bipolarplatte (10) zugewandt ist, – einen porösen Flusskörper (15) und – eine zweite Bipolarplatte (10‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren zweite, nicht profilierte Plattenhälfte (12) dem Flusskörper (15) zugewandt ist.Fuel cell ( 1 ) according to claim 4, comprising the following sequence having layer structure: - a first bipolar plate ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, - a membrane-electrode unit ( 20 ), the first, profiled plate half ( 11 ) of the bipolar plate ( 10 ), - a porous flow body ( 15 ) and - a second bipolar plate ( 10 ' ) according to one of claims 1 to 3, whose second, non-profiled plate half ( 12 ) the flow body ( 15 ) is facing. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Flusskörper (15) entweder einer Kathodenseite oder einer Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit (20) zugewandt ist.Fuel cell ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the porous flow body ( 15 ) either a cathode side or an anode side of the membrane-electrode assembly ( 20 ) is facing. Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Flusskörper (15) eine makroporöses Struktur aufweist.Fuel cell ( 1 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the porous flow body ( 15 ) has a macroporous structure. Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Flusskörper (15) ein metallisches Material umfasst. Fuel cell ( 1 ) according to one of claims 4 to 7, characterized in that the porous flow body ( 15 ) comprises a metallic material. Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Flusskörper (15) stoffschlüssig mit der Bipolarplatte (10) verbunden ist.Fuel cell ( 1 ) according to one of claims 4 to 8, characterized in that the porous flow body ( 15 ) cohesively with the bipolar plate ( 10 ) connected is. Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Membran-Elektroden-Einheit (20) und dem porösen Flusskörper (15) und/oder zwischen der Membran-Elektroden-Einheit (20) und dem Flussfeld (14) ferner eine Gasdiffusionsschicht (30) angeordnet ist, deren Porosität kleiner ist als die Porosität des porösen Flusskörpers (15).Fuel cell ( 1 ) according to one of claims 4 to 9, characterized in that between the membrane-electrode unit ( 20 ) and the porous flow body ( 15 ) and / or between the membrane-electrode assembly ( 20 ) and the flow field ( 14 ) further comprises a gas diffusion layer ( 30 ) whose porosity is smaller than the porosity of the porous flow body ( 15 ).
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