WO2015155125A1

WO2015155125A1 - Bipolarplatte und brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2015155125A1
Application number: PCT/EP2015/057362
Authority: WO
Inventors: Philipp Mohr; Christian Martin ZILLICH
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-07
Also published as: DE102014206682A1; JP6263276B2; US11108058B2; JP2017511581A; US20170033373A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzeile. Es ist vorgesehen, dass eine Bipolarplatte (100) für eine Brennstoffzelle mindestens ein profiliertes Flussfeld (120) mit mindestens zwei Flussfeldkanälen (121, 122, 123, 124) und zu jedem der Flussfeldkanäle (121, 122, 123, 124) einen zugehörigen Einlasskanal (111, 112, 113, 114) und einen zugehörigen Auslasskanal (131, 132, 133, 134) umfasst. Dabei sind unterschiedliche Einlasskanäle (111, 112, 113, 114) unterschiedlich lang, und unterschiedliche Auslasskanäle (131, 132, 133, 134) sind unterschiedlich lang. Die Bipolarptatte (100) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle und/oder die Auslasskanäle (131, 132, 133, 134) so dimensioniert sind, dass über jedem aus einem der Flussfeldkanäle (121, 122, 123, 124), dem zugehörigen Einlasskanal (111, 112, 113, 114) und dem zugehörigen Auslasskanal (131, 132, 133, 134) zusammengesetzten Kanal der Druckverlust gleich ist, sofern in jedem der Flussfeldkanäle (121, 122, 123, 124) eine vorbestimmte Massenstromänderung erfolgt.

Description

Beschreibung

Bipolarplatte und Brennstoffzelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle, die zumindest eine solche Bipolarplatte umfasst.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponenie die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (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. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über 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 über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (z. B. Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.

Die Zu- und Abfuhr der Betriebsmedien (Brennstoff, Sauerstoff und Kühlmittel) erfolgt über Ein- und Auslassverteilstrukturen, Jedem Flussfeld sind jeweils zwei solcher Verteilstrukturen zugeordnet, die dem Ein- beziehungsweise dem Auslass des jeweiligen Betriebsmittels dienen.

Üblicherweise ist das Flussfeld einer Bipolarplatte in einer Ebene so ausgebildet, dass alle Flussfeldkanäle des Flussfeldes die gleiche Länge haben. Die Flussfeldkanäle können die gleiche Kanalquerschnittsfläche haben. Dies Ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 005 339 A1 beschrieben.

Üblicherweise weisen zudem Einlasskanäle und Auslasskanäle den gleichen hyraulischen Durchmesser auf. Unterschiedliche Flussfeldkanäle weisen jedoch manchmal unterschiedlich lange Einlasskanäle und unterschiedlich lange Auslasskanäle auf. Zur Angleichung der Druckverluste ist jedoch für jeden der Flussfeldkanäle die Gesamtlänge von Ein- und

Auslasskanal gleich. Für unterschiedliche Flussfeldkanäle teilt sich diese Gesamtlänge unterschiedlich in Einlasskanallänge und Auslasskanallänge auf.

Da es im Flussfeld im Rahmen der Stromerzeugung teilweise zu thermischen und/oder chemischen Reaktionen des jeweiligen Betriebsmediums kommt, sind die die

Einlassverteilstrukturen passierenden Massenströme an Betriebsmedium unterschiedlich zu den Massenströmen der Reaktionsprodukte und des Rests des Betriebsmediums, die die Auslassverteilstrukturen passieren.

Die Massenstromänderung hat zur Folge, dass der Druckabfall in einem ersten Flussfeldkanal mit langem Einlasskanal und kurzem Auslasskanal sich vom Druckabfall in einem anderen zweiten Flussfeldkanal mit kurzem Einlasskanal und langem Auslasskanal unterscheidet, auch wenn die Gesamtlänge von langem Einlasskanal und kurzem Auslasskanal gleich der des kurzen Einlasskanals und des langen Auslasskanals ist und die Ein- und Auslasskanäle denselben hydraulischen Durchmesser, also dasselbe Verhältnis der durchströmten

Kanalquerschnittsfläche zum vom Betriebsmedium benetzten Umfang, aufweisen.

Zur Kompensation der Massenstromänderung im Flussfeld wird in der Druckschrift DE 100 54 444 B4 vorgeschlagen, dass die Flussfeldkanäle die gleiche Kanalquerschnittsflächenänderung über die Länge des Flussfeldkanals aufweisen. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Druckverluste über das Gesamtsystem von Flussfeld einschließlich Ein- und Auslassverteilstrukturen für alle

zusammengesetzten Kanäle weiter aneinander anzugleichen.

Dazu wird erfindungsgemäß eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 1 für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 9 vorgeschlagen, die die erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bipolarplatte umfasst mindestens ein profiliertes

Flussfeld mit mindestens zwei Flussfeldkanälen und zu jedem der Flussfeldkanäle einen zugehörigen Einlasskanal und einen zugehörigen Auslasskanal, wobei unterschiedliche

Einlasskanäle unterschiedlich lang sind und wobei unterschiedliche Auslasskanäle

unterschiedlich lang sind. Die Bipolarplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle und/oder die Auslasskanäle so dimensioniert sind, dass über jeden aus einem der

Flussfeldkanäle, dem zugehörigen Einlasskanal und dem zugehörigen Auslasskanal zusammengesetzten Kanal, der Druckverlust gleich ist, sofern in jedem der Flussfeldkanäle eine vorbestimmte Massenstromänderung erfolgt Dies ermöglicht eine optimierte

Gleichverteilung der Betriebsmedien während des Betriebs.

In einer Ausführungsform können die Flussfeldkanäle eine gleiche Länge aufweisen und die zusammengesetzten Kanäle eine weitere gleiche Länge. Dabei können die Einlasskanäle unterschiedliche Längen aufweisen und die Auslasskanäle unterschiedliche Längen aufweisen. Dabei können die Einlasskanäle unterschiedliche hydraulische Durchmesser aufweisen, wobei der hydraulische Durchmesser der Einlasskanäle desto größer ist, je länger der zugehörige Einlasskanaf ist, sodass der Druckverlust über jeden der zusammengesetzten Kanäle gleich ist.

Oder die Auslasskanäle weisen unterschiedliche hydraulische Durchmesser auf, die desto kleiner sind, je länger der jeweilige Auslasskanal ist, sofern in jedem der Flussfeldkanäle dieselbe vorbestimmte Massenstromänderung erfolgt

Dadurch kann die Gleichverteilung der Betriebsmedien während des Betriebs unter

Beibehaltung der relativen Anordnung von Bipolarplatte zu Ein- und Auslasshauptkanälen optimiert werden. Alternativ kann jeder der Ausiasskanäle einen ersten gleichen hydraulischen Durchmesser, jeder der Einlasskanäle einen zweiten gleichen hydraulischen Durchmesser und jeder der Flussfeldkanäle einen dritten gleichen hydraulischen Durchmesser aufweisen. Dann können die zusammengesetzten Kanäle unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Längen so gewählt sind, dass der Druckverlust über jeden der zusammengesetzten Kanäle gleich ist.

Dabei können erste Winkel zwischen Strömungsrichtungen in je einem der Flussfeldkanäle und dem zugehörigen Einlasskanal gleich sein, und zweite Winkel zwischen Strömungsrichtungen in je einem der Flussfeldkanäle und dem zugehörigen Auslasskanal können desto kleiner sein, je länger der zugehörige Auslasskanal ist.

Es ist auch möglich, dass die ersten Winkel desto größer sind, je länger der zugehörige Einlasskanal ist, und die zweiten Winkel gleich sind.

Dies sind Möglichkeiten, die Gleichverteilung der Betriebsmedien während des Betriebs unter Beibehaltung der relativen Anordnung von Bipolarplatte zu Ein- und Auslasshauptkanälen zu optimieren.

Einlassöffnungen der Flussfeldkanäle können auf einer ersten Geraden hintereinander angeordnet sein. Auslassöffnungen der Flussfeldkanäle können auf einer zur ersten Geraden parallelen zweiten Geraden hintereinander angeordnet sein. Weitere Einlassöffnungen der Einlasskanäle können auf einer dritten Geraden angeordnet sein und weitere Auslassöffnungen der Auslasskanäle können auf einer zur dritten Geraden parallelen vierten Geraden

hintereinander angeordnet sein. Die dritte und die vierte Gerade können senkrecht zu der ersten und der zweiten Geraden sein.

Sofern das Flussfeld flächig ausgebildet ist, können die dritte und die noch vierte Gerade zu einer Flächennormalen des Flussfeldes senkrecht stehen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, und Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 100. Die Bipolarplatte 100 umfasst eine Einlassverteilstruktur 110, ein Flussfeld 120 und eine

Auslassverteilstruktur 130. Das Flussfeld 110 umfasst Fiussfeldkanäle 121 , 122, 123, 124. Zu jedem der Flussfeldkanäle 121 , 122, 123, 124 umfasst die Einlassverteilstruktur 1 10 einen zugehörigen Einlasskanal 1 11 , 1 12, 113, 114, über den der jeweilige Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124 an einen Einlasshauptkanal 150 angeschlossen werden kann. Weiterhin umfasst die Auslassverteilstruktur 130 zu jedem der Flussfeldkanäle 121 , 122, 123, 124 einen zugehörigen Auslasskanal 131 , 132, 133, 134, über den der jeweilige Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124 an einen Auslasshauptkanal 160 angeschlossen werden kann, der in den dargestellten

Ausführungsbeispielen parallel zum Einlasshauptkanal 150 verläuft.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Biopolarplatte ist das Flussfeld flächig ausgebildet, wobei die Flussfeldkanäle 121 , 122, 123, 124 sich von Einlassöffnungen zu Auslassöffnungen erstrecken. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Biopolarplatte gehört zu jedem Einlasskanal 11 1 , 112, 1 13, 114 genau ein Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124, ebenso gehört im Beispiel zu jedem Auslasskanal 131 , 132, 133, 134 ein Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So können mehrere Flussfeldkanäle denselben zugehörigen Einlasskanal haben. Zusätzlich oder alternativ können mehrere Flussfeldkanäle denselben zugehörigen Auslasskanal haben. Wenn Auslasskanäle und Einlasskanäle vorhanden sind, die jeweils mehrere Flussfeldkanäle versorgen bzw. entsorgen, so müssen diese nicht

notwendigerweise dieselben mehreren Flussfeldkanäle versorgen bzw. entsorgen.

An den Einlassöffnungen schließen sich die jeweiligen zugehörigen Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 an die Flussfeldkanile 121, 122, 123, 124 an, und an den Auslassöffnungen schließen sich die jeweiligen zugehörigen Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 an die Flussfeldkanile 121, 122, 123, 124 an.

Dabei sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Biopolarplatte die Einlassöffnungen auf einer ersten Geraden 200 angeordnet. Die Auslassöffnungen sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen auf einer zur ersten Geraden 200 parallelen zweiten Geraden 201 angeordnet Weiterhin erstreckt sich der Einlasshauptkanal 150 in den Ausführungsbeispielen entlang einer dritten Geraden 300, die senkrecht zur ersten Geraden steht. In den

Ausführungsbeispielen erstreckt sich zudem der Auslasskanal 160 entlang einer vierten Geraden 301, die zur dritten Geraden parallel ist. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

Der Einlasshauptkanal 150 und der Auslasshauptkanal 160 erstrecken sich in den dargestellten Ausführungsbeispielen auch senkrecht zu einer Flächennormalen des Flussfeldes. Die

Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Biopolarplatte weisen die Flussfeldkanäle 121 , 122, 123, 124 alle dieselbe Länge und denselben hydraulischen Durchmesser auf. Die

Massenstromänderungen in zwei unterschiedlichen Flussfeldkanälen 121 , 122, 123, 124 ist daher im Wesentlichen gleich, Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Jeder der Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 weist in den dargestellten Beispielen hingegen eine individuelle Länge auf, die sich von den Längen der übrigen Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 unterscheidet. Ebenso weist in den dargestellten Beispielen hingegen jeder der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 eine individuelle Länge auf, die sich von den Längen der übrigen

Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 unterscheidet

In den Ausführungsbeispielen der Biopolarplatte der Figuren 1 bis 3 schließt jeder der

Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 mit dem zugehörigen Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124 einen gleichen ersten Winkel ein. Ebenso schließt jeder der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 mit dem zugehörigen Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124 einen selben zweiten Winkel ein. Die zusammengesetzten Kanäle, die sich aus Einlasskanälen 111 , 112, 113, 114, Flussfeldkanälen 121 , 122, 123, 124 und Auslasskanälen 131 , 132, 133, 134 zusammensetzen, weisen also eine selbe Gesamtlinge auf.

In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 3 weist jeder der Einlasskanäle 111 , 1 12, 113, 114 einen selben hydraulischen Durchmesser auf. Jeder der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 weist hingegen einen individuellen hydraulischen Durchmesser auf, der sich von dem

hydraulischen Durchmesser der übrigen Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 unterscheidet. Die individuellen hydraulischen Durchmesser der Auslasskanäle 131, 132, 133, 134 sind dabei auf die individuellen Kanallängen abgestimmt, sodass der Druckverlust in einem beliebigen

Auslasskanal 131 , 132, 133, 134 bei einem ersten Massenstrom gleich dem Druckverlust in einem gleichlangen Einlasskana! mit dem hydraulischen Durchmesser bei einem zweiten Massenstrom ist, wobei die Differenz zwischen dem zweiten und dem ersten Massenstrom gleich der Massenstromabnahme in dem Flussfeldkanal 121, 122, 123, 124 ist, der zu dem jeweiligen Auslasskanal 131 , 132, 133, 134 gehört.

Dabei weist ein längerer Auslasskanal 132, 133, 134 einen kleineren individuellen

hydraulischen Durchmesser auf als ein kürzerer Auslasskanal 131 , 132, 133.

In Figur 1 sind die Einlasskanäle vollständig gegeneinander abgetrennt. Auch die

Auslasskanäle sind vollständig gegeneinander abgetrennt.

In Figur 3 hingegen stehen die Einlasskanäle 111, 112, 113, 114 untereinander in

Kommunikation, d. h. zwischen zwei benachbarten Einlasskanälen 111 , 112, 113, 114 bestehen eine oder mehrere Verbindungen, Ebenso stehen die Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 untereinander in Kommunikation. Dafür sind eine Einlassverteilstruktur 110 und eine

Auslassverteilstruktur 130 durch Gruppen von Strukturelementen 401 , 402, 403, 404

strukturiert. Strukturelemente, die derselben Gruppe angehören, sind dabei zwischen je zwei der Ein- bzw. Auslasskanäle angeordnet und von gleicher Größe. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 haben Strukturelemente, die derselben Gruppe angehören, auch dieselbe Form. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. In der Einlassverteilstruktur 110 des in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiels unterscheiden sich die Strukturelemente 404

unterschiedlicher Gruppen nicht, während Strukturelemente 401 , 402, 403 unterschiedlicher Gruppen der Auslassverteilstruktur 130 unterschiedliche Größen aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Strukturelemente unterschiedlicher Gruppen der Einlassverteilstruktur 110 unterschiedliche Größen aufweisen und sich unterschiedliche Gruppen der Auslassverteilstruktur 130 in der Größe nicht unterscheiden. Durch die unterschiedlichen Größen der Strukturelemente 401 , 402, 403 unterschiedlicher Gruppen in der

Auslassverteilstruktur 130 werden untereinander in Kommunikation stehende Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 realisiert, deren hydraulischer Durchmesser desto kleiner ist, desto länger der jeweilige Auslasskanal 131 , 132, 133, 134 ist. Oder es werden untereinander in

Kommunikation stehende Einlasskanäle realisiert, deren hydraulischer Durchmesser desto kleiner ist, desto kürzer der jeweilige Einlasskanal ist.

In den Ausführungsbeispielen der Figur 2 weist jeder der Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 einen individuellen hydraulischen Durchmesser auf, der sich von den hydraulischen

Durchmessern der übrigen Einlasskanäle 111, 112, 113, 114 unterscheidet Der hydraulische Durchmesser ist desto kleiner, desto kürzer der jeweilige Einlasskanal 111 , 112, 113, 114 ist. Jeder der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 weist hingegen einen gleichen hydraulischen Durchmesser auf.

In den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 ist der hydraulische Durchmesser der verschiedenen Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 derselbe. Ebenso hat jeder der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 einen gleichen hydraulischen Durchmesser. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 ist der hydraulische Durchmesser der Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 gleich dem hydraulische Durchmesser der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134. Es ist aber auch möglich, dass sich der hydraulische Durchmesser der Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114 von dem hydraulische Durchmesser der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 unterscheidet.

In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 , 2 und 3 ist die Länge jedes zusammengesetzten Kanals, die sich aus einem der Einlasskanäle 111 , 112, 113, 114, dem zugehörigen

Flussfeldkanal 121 , 122, 123, 124 und dem zugehörigen Auslasskanal 131 , 132, 133, 134 ergibt, konstant. Es unterscheiden sich aber die hydraulischen Durchmesser der Einlass- 111 , 112, 113, 114 und/oder der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 hingegen unterscheiden sich die hydraulischen Durchmesser der

Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 nicht. Auch die hydraulischen Durchmesser der

Einlasskanäle 111 , 112, 113, 144 unterscheiden sich nicht untereinander. Dafür unterscheiden sich die Längen der zusammengesetzten Kanäle. Dabei ist ein zusammengesetzter Kanal umso länger, je kürzer der zugehörige Einlasskanal ist.

In Figur 4 ist dies erreicht, indem eine Strömungsrichtung in den Einlasskanälen 111 , 112, 113, 114 mit einer Strömungsrichtung in den Flussfeldkanälen 121, 122, 123, 124 einen selben ersten Winkel einschließt, während Strömungsrichtungen in jedem der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 mit der Strömungsrichtung in den Flussfeldkanälen 121 , 122, 123, 124 individuelle zweite Winkel einschließen, die desto größer sind, je kürzer der zugehörige Einlasskanal 111 , 112, 113, 114 bzw. je länger der zugehörige Auslasskanal 131, 132, 133, 134 ist

In Figur 5 ist dies erreicht, indem Strömungsrichtungen in jedem der Einlasskanäle mit der Strömungsrichtung in den Flussfeldkanälen 121 , 122, 123, 124 individuelle erste Winkel einschließen, die desto größer sind, je länger der zugehörige Einlasskanal 111 , 112, 113, 114 bzw. je kürzer der zugehörige Auslasskanal 131 , 132, 133, 134 ist, während die

Strömungsrichtung in jedem der Auslasskanäle 131 , 132, 133, 134 mit der Strömungsrichtung in den Flussfeldkanälen 121 , 122, 123, 124 einen gleichen zweiten Winkel einschließt

Nicht dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, in dem sowohl die Einlasskanäle untereinander unterschiedlich als auch die Auslasskanäle untereinander unterschiedlich dimensioniert sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird ebenfalls die Dimensionierung so gewählt, dass über jedem aus einem der Flussfeldkanäle, dem zugehörigen Einlasskanal und dem zugehörigen

Auslasskanal zusammengesetzten Kanal der Druckverlust gleich ist, sofern in jedem der Flussfeldkanäle eine vorbestimmte Massenstromänderung erfolgt. Die Einlasskanäle dieses Ausführungsbeispiels unterscheiden sich untereinander in Länge und/oder hydraulischem Durchmesser, Die Auslasskanäle dieses Ausführungsbeispiels unterscheiden sich

untereinander ebenfalls in Länge und/oder hydraulischem Durchmesser,

Figur 6 zeigt eine Brennstoffzelle entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennstoffzelle 500 umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 520 die zwischen zwei Gasdiffusionslagen (GDL) 510 angeordnet ist. Das Paket aus Membran-Elektroden-Einheit 520 zwischen zwei Gasdiffusionslagen 510 ist zwischen zwei erfindungsgemäßen Bipolarplatten 100 angeordnet.

Die vorliegende Erfindung ist vielfältig gewerblich anwendbar. Sie kann zum Beispiel in mobilen (z. B. Kraftfahrzeug) und stationären Vorrichtungen (z. B. Blockheizkraftwerk) Verwendung finden, die in Brennstoff gespeicherte chemische Energie direkt in elektrische Energie umsetzen. Bezugszeichenliste

100 Bipolarplatte

110 Einlassverteilstruktur

111 , 112, 113, 114 Einlasskanäle

120 Flussfeld

121 , 122, 123, 124 Flussfeldkanäle

130 Auslassverteilstruktur

131 , 132, 133, 134 Auslasskanäle

150 Einlasshauptkanal

160 Auslasshauptkanal

200 erste Gerade

201 zweite Gerade

300 dritte Gerade

301 vierte Gerade

401 , 402, 403, 404 Strukturelemente

500 Brennstoffzelle

510 Gasdiffusionslage (GDL)

520 Membran-Elektroden-Einheit (MEA)

Claims

Patentansprüche

1. Bipolarplatte (100) umfassend;

• mindestens ein profiliertes Flussfeld (120) mit mindestens zwei Flussfeldkanälen (121 , 122, 123, 124),

• zu jedem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) einen zugehörigen Einlasskanal (111 , 112, 113, 114) und einen zugehörigen Auslasskanal (131 , 132, 133, 134),

• wobei unterschiedliche Einlasskanäle (111 , 112, 113, 114) unterschiedlich lang sind und wobei unterschiedliche Auslasskanäle (131, 132, 133, 134) unterschiedlich lang sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

• die Einlasskanäle (111 , 112, 113, 114) und/oder die Auslasskanäle (131 , 132, 133, 134) so dimensioniert sind, dass über jedem aus einem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124), dem zugehörigen Einlasskanai (111 , 112, 113, 114) und dem zugehörigen Auslasskanal (131 , 132, 133, 134) zusammengesetzten Kanal der Druckverlust gleich ist, sofern in jedem der Flussfeldkanäle (121, 122, 123, 124) eine vorbestimmte

Masse nstromänderung erfolgt

2. Bipolarplatte (100) nach Anspruch 1, dadyrch gekennzeichnet, dass die Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) eine gleiche Länge aufweisen, die zusammengesetzten Kanäle eine weitere gleiche Länge aufweisen, die Einlasskanäle (111 , 112, 113, 114) unterschiedliche Längen aufweisen und die Auslasskanäle (131 , 132, 133, 134) unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Einlasskanäle (111 , 112, 113, 114) unterschiedliche hydraulische Durchmesser aufweisen, wobei der hydraulische Durchmesser der Einlasskanäle (111 ,

112, 113, 114) desto größer ist, je länger der zugehörige Einlasskanai (111 , 112, 1 13, 114) ist, sodass der Druckverlust über jedem der zusammengesetzten Kanäle gleich ist, sofern in jedem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) dieselbe vorbestimmte

Massenstromänderung erfolgt.

3. Bipolarplatte (100) nach einem, der Ansprüche 1 bis 2, dadyrch gekennzeichnet, dass die Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) eine gleiche Länge aufweisen, die

zusammengesetzten Kanäle eine weitere gleiche Länge aufweisen, die Einlasskanäle (111 , 112, 113, 114) unterschiedliche Längen aufweisen und die Auslasskanäle (131 , 132, 133, 134) unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Auslasskanäle (131, 132, 133, 134) unterschiedliche hydraulische Durchmesser aufweisen, wobei der hydraulische

Durchmesser der Auslasskanäle (131 , 132, 133, 134) desto kleiner ist, je länger der jeweilige Auslasskanal (131 , 132, 133, 134) ist, sodass der Druckverlust über jedem der zusammengesetzten Kanäle gleich ist.

4. Bipolarplatte (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) eine gleiche Länge aufweisen, wobei jeder der Auslasskanäle (131 , 132, 133, 134) einen ersten gleichen hydraulischen Durchmesser, jeder der Einlasskanäle (111 , 112, 113, 114) einen zweiten gleichen hydraulischen Durchmesser und jeder der Flussfeldkanäle (121 ,22, 123, 124) einen dritten gleichen hydraulischen Durchmesser aufweist, und die zusammengesetzten Kanäle unterschiedlich lang sind, wobei die Längen so gewählt sind, dass der Druckverlust über jedem der zusammengesetzten Kanäle gleich ist.

5. Bipolarplatte (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste Winkel

zwischen Strömungsrichtungen in je einem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) und dem zugehörigen Einlasskanal (111 , 112, 113, 114) zueinander gleich sind und wobei zweite Winkel zwischen Strömungsrichtungen in je einem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) und dem zugehörigen Auslasskanal (131 , 132, 133, 134) desto kleiner sind, je länger der zugehörige Auslasskanal (131 , 132, 133, 134) ist.

6. Bipolarplatte (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste Winkel

zwischen je einem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) und dem zugehörigen

Einlasskanal (111 , 112, 113, 114) desto größer sind, je länger der zugehörige Einlasskanal (111 , 112, 113, 114) ist, und wobei zweite Winkel zwischen je einem der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) und dem zugehörigen Auslasskanal (131 , 132, 133, 134) zueinander gleich sind.

7. Bipolarplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlassöffnungen der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) auf einer ersten Geraden (200) hintereinander angeordnet sind und Auslassöffnungen der Flussfeldkanäle (121 , 122, 123, 124) auf einer zur ersten Geraden (200) parallelen zweiten Geraden (201)

hintereinander angeordnet sind, wobei weitere Einlassöffnungen der Einlasskanäle (11 1 , 112, 1 13, 114) auf einer dritten Geraden (300) angeordnet sind und weitere

Auslassöffnungen der Auslasskanäle (131 , 132, 133, 134) auf einer zur dritten Geraden (300) parallelen vierten Geraden (301 ) hintereinander angeordnet sind, wobei die dritte und die vierte Gerade (300, 301 ) senkrecht zu der ersten und der zweiten Geraden (200, 201) sind.

8. Bipolarplatte (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussfeld (120) flächig ausgebildet ist und die dritte und die vierte Gerade (300, 301) zu einer

Flächennormalen des Flussfeldes (120) senkrecht stehen.

9. Brennstoffzelle umfassend zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit und mindestens eine Bipolarplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche.