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WO2014195052A1 - Bipolarplatte, brennstoffzelle mit einer solchen und kraftfahrzeug mit einer solchen brennstoffzelle - Google Patents

Bipolarplatte, brennstoffzelle mit einer solchen und kraftfahrzeug mit einer solchen brennstoffzelle Download PDF

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WO2014195052A1
WO2014195052A1 PCT/EP2014/057638 EP2014057638W WO2014195052A1 WO 2014195052 A1 WO2014195052 A1 WO 2014195052A1 EP 2014057638 W EP2014057638 W EP 2014057638W WO 2014195052 A1 WO2014195052 A1 WO 2014195052A1
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WO
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channels
anode gas
anode
cathode
bipolar plate
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PCT/EP2014/057638
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English (en)
French (fr)
Inventor
Benno Andreas-Schott
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2016517197A priority patent/JP6472439B2/ja
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, a fuel cell with such a bipolar plate and ei motor vehicle having such a fuel cell.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as a core component, the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an inone-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case one on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " ).
  • the protons H + are transported from the anode space into the cathode space (water-bound or anhydrous) .
  • the electrons e " 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 the oxygen taking place of the electrons takes place (14 0 2 + 2 e " -> O 2" ).
  • these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported through the membrane to form water (2 H + + O 2 " -> H 2 O).
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked membrane electrode units whose electrical powers add up.
  • a bipolar plate is arranged in each case in a fuel cell stack, which on the one hand serves to supply the process gases to the anode or cathode of the adjacent membrane-electrode assemblies and to dissipate heat.
  • Bipolar plates also consist of an electrically conductive material to produce the electrical connection. They thus have the threefold function of the process gas supply of the membrane-electrode units, the cooling and the electrical connection.
  • Bipolar plates are known in different designs. Fundamental goals in the design of bipolar plates are the weight reduction, the space reduction, cost reduction and increasing the power density. These criteria are particularly important for the mobile use of fuel cells, for example, for the electromotive traction of vehicles.
  • Bipolar plates for fuel cells have a, usually centrally disposed active region, which connects to the catalytic electrodes of the membrane-electrode assembly and where the actual fuel cell reactions take place.
  • the active region has on the anode side an open anode gas flow field and on the cathode side an open cathode gas flow field.
  • the anode gas and cathode gas flow fields are mostly in the form of channel-like channels.
  • open-pore / porous structures are also known (US 201 1/0039190 A1).
  • the active region has a closed coolant flow field, which is usually formed in the form of trapped channels.
  • bipolar plates In order to supply the active area with the appropriate resources, bipolar plates also have equipment through-openings, namely two anode gas main channels for supply and discharge of the anode gas, two cathode gas main channels for supply and discharge of the cathode gas and two main coolant channels for supply and discharge of the coolant , In the fuel cell stack, these equipment passage openings are congruent to one another, so that they form through the entire stack continuous main supply channels for the corresponding equipment.
  • Conventional bipolar plates also have inactive supply regions which substantially serve to connect between the agent ports and the corresponding flow fields of the active region.
  • the supply regions each comprise anode gas channels, which are connected in a fluid-conducting manner on the one hand to the anode gas main channel and on the other hand to the anode gas flow field of the active region.
  • the inactive supply regions furthermore have cathode gas channels, which are connected in a fluid-conducting manner on the one hand to the cathode gas main channel and on the other hand to the cathode gas flow field of the active region.
  • the inactive supply region comprises coolant channels, which are connected on the one hand to the coolant main channel and on the other hand to the coolant flow field in a fluid-conducting manner.
  • the operating medium passage openings are each on the two opposite narrow sides of the Bipolar plates arranged, wherein the main coolant channel is positioned in each case substantially between the anode gas main channel and the cathode gas main channel.
  • a disadvantage of the known bipolar plates is that very different operating pressures prevail within the anode gas channels and in particular within the anode flow field of the active region.
  • corner and edge regions of the active surface of the bipolar plate are often undersupplied.
  • This problem of the different anode gas supply of the active area is particularly strong in river fields with interrupted channels to bear, in which the individual anode channels are connected laterally. Due to the high pressure differences, significant crossflows occur within the anode gas flow field and a particularly high inhomogeneity.
  • bipolar plates Another problem of the known bipolar plates is product water, which is formed on the cathode side, diffused through the polymer electrolyte membrane and thus reaches the anode side. There, after shutting down the fuel cell at low temperatures, freezing of the water in the anode gas flow field and in the anode gas channels of the service areas occurs. This can lead to clogging of the channel structures, which can not be freed by the comparatively low operating pressure of the anode gas. If such a bipolar plate is used in a fuel cell of a motor vehicle, the water must first be thawed by the coolant after a frost start. As a result, the operational readiness of the fuel cell is delayed.
  • US 2007/0202383 A1 discloses addressing the problem of non-uniform anode gas distribution by branching the anode gas channels of the active region of the bipolar plate into different numbers of channels.
  • the invention is based on the object of providing a bipolar plate for fuel cells which homogenizes the anode gas supply in the active region of the bipolar plate and has a rapid operational readiness after a cold start.
  • the object is achieved by a bipolar plate, a fuel cell with such and a motor vehicle with such a fuel cell with the characteristics of the independent
  • the bipolar plate for a fuel cell according to the invention comprises an anode side and a cathode side.
  • the bipolar plate has the following with respect to a view of the anode side or the cathode side:
  • an active region which forms an open anode gas flow field on the anode side and an open cathode gas flow field on the cathode side and has a closed coolant flow field
  • Operating means through-holes, at least comprising two anode gas main channels for supply and discharge of the anode gas, two cathode gas main channels for supply and discharge of the cathode gas, and two main coolant channels for supply and discharge of the coolant,
  • - two inactive service areas comprising anode gas channels each fluidly connected to one of the anode gas main channels and the anode gas flow field of the active area; Cathode gas channels each fluidly connected to one of the cathode gas main channels and the cathode gas flow field of the active region; and coolant passages respectively fluidly connected to one of the main coolant channels and the coolant flow field of the active region.
  • At least one of the anode gas main channels is arranged and the anode gas channels of the supply region connected to this anode gas main channel are designed such that a length difference between a longest anode gas channel and a shortest anode gas channel of the anode gas channels of this supply region is at most 50%, in particular at most 40% and preferably at most 35% based on the length of the longest Anodengaskanals.
  • both anode gas main channels are arranged in this way and the anode gas channels of both supply regions are formed in this way.
  • the very different channel lengths of the anode gas channels of the supply regions are the cause of the inhomogeneous distribution of the anode gas in the active region of the fuel cell.
  • suitable positioning of the anode gas main channels or the anode gas main channels as well as suitable design of the courses of the anode gas channels of the service area it is possible to largely match the lengths of the anode gas channels of the service area and thus to minimize pressure differences within the anode gas channel structures. In this way, a very uniform loading of the active region of the fuel cell is achieved with the anode gas.
  • active region is understood to mean that region of the bipolar plate which faces the catalytic electrodes of the membrane-electrode assembly in the assembled fuel cell stack, ie the region at which a fuel cell operates during operation
  • inactive region refers to an area where no chemical reaction takes place.
  • the “inactive area” includes the inactive coverage areas, the device vias, and edge areas of the bipolar plate It is understood that the bipolar plate is not chemically active in any of the areas in the narrower sense.
  • a particularly simple possibility for achieving such an approximation of the channel lengths of the anode gas channels consists in an arrangement of the anode gas main channel substantially between one of the cathode gas main channels and one of the coolant main channels.
  • both anode gas main channels are each arranged between a cathode gas main channel and a coolant main channel.
  • a main channel for the anode gas, the cathode gas and the coolant are preferably arranged in each case substantially along one side of the bipolar plate, in particular a narrow side of the bipolar plate.
  • the cathode gas main channel and the coolant main channel are respectively positioned in the corners of the bipolar plate.
  • a profile of the anode gas channels of the supply region has at least one change of direction (deflection) within the supply region.
  • a first flow direction of the substantially mutually parallel anode gas channels in the direction of a first side of the bipolar plate has, in particular a longitudinal side thereof, and a second flow direction towards a second, the first side opposite side of the bipolar plate has ,
  • the anode gas channels first cross a fictitious main flow direction of the active region of the bipolar plate in one direction then in the other direction.
  • a preferred embodiment of the present bipolar plate according to the invention relates to the course of the coolant channels of the service areas. Accordingly, the coolant channels and the anode gas channels of at least one of the two supply regions extend essentially over a congruent section of the bipolar plate. In this way, the Anodengaskanäle be connected virtually thermally well over its entire length to the coolant channels. If it comes to freezing water in the Anodengaskanälen, this can be thawed by the coolant that can be heated during a cold start. Thus, a fuel cell equipped with bipolar plates according to the invention, after a cold start faster ready for use.
  • the coolant channels of at least one of the two supply regions in a first section which is connected to the main coolant channel, extend substantially on the cathode side of the bipolar plate.
  • the coolant channels extend essentially on the anode side.
  • the first section, on which the coolant channels are formed on the cathode side substantially congruent with that section on the anode side, in which the anode gas channels of the supply region extend in the first flow direction.
  • the closed coolant channels run parallel and in each case between two anode gas channels.
  • the bipolar plate has at least two superimposed, profiled plates, namely an anode-side plate and a cathode-side plate.
  • the Anodengaskanäle and Kathodengaskanäle the inactive supply sections are formed by corresponding grooves of the plates or limited by corresponding wall-like elevations (webs).
  • the closed coolant channels are formed between the two plates.
  • the anode gas flow field and the cathode gas flow field of the active region of the bipolar plate are in the form of straight or meandering flow channels, which are realized as embossed grooves in the respective plate.
  • the flow channels can be formed as interrupted channels with particular advantage, thus allowing a transition between two adjacent flow channels. As a result, a particularly homogeneous distribution of the anode gas or cathode gas over the active area is achieved.
  • a clear surface of the two anode gas main channels is smaller than a clear surface of the two cathode gas main channels.
  • a further aspect of the present invention relates to a fuel cell which has at least two bipolar plates according to the invention, usually a plurality of bipolar plates, and in each case one membrane-electrode unit arranged between two bipolar plates.
  • an aspect of the invention relates to a motor vehicle having such a fuel cell, in particular as a power source for an electric motor drive.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a fuel cell (single cell);
  • FIG. 2 shows a plan view of an anode side of a bipolar plate according to the prior art
  • FIG. 3 partial view of the anode side of a bipolar plate according to the present invention
  • FIG. 4 shows a partial view of the anode side of a bipolar plate according to the prior art according to FIG. 2A with a highlighted inactive supply region;
  • FIG. 5 partial view of the anode side of a bipolar plate according to the present invention
  • FIG. 6 shows an idealized plan view of the anode side of a bipolar plate according to FIG.
  • FIG. 7 shows an idealized plan view of the cathode side of a bipolar plate according to the present invention (without active region);
  • FIG. 8 shows an idealized plan view of the anode side of a bipolar plate according to FIG.
  • FIG. 1 shows a highly schematic sectional view through a fuel cell designated here as a whole by 100, of which only a single cell is shown here.
  • the fuel cell 100 comprises a membrane-electrode unit (MEA) 10.
  • the MEA 10 has an ionically conductive, in particular proton-conducting polymer electrolyte membrane (PEM) 1 1 on.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the PEM 1 1 is contacted by two catalytic electrodes, namely an anode 12 and a cathode 13 surface.
  • the electrodes 12, 13 are usually an electrically conductive carrier material, for example based on carbon, on which a catalytic material is present in finely distributed form.
  • the area where the electrodes 12, 13 are present and, consequently, the fuel cell reactions take place is referred to as the active area. In an inactive, lateral area are usually no Instead, the membrane 1 1 is mechanically supported there by support layers 14.
  • GDL gas diffusion layer
  • the GDLs 15 are made of a porous, electrically conductive material and serve to uniformly distribute the anode and cathode operating gases.
  • the electrodes 12, 13 may be present as a coating on the PEM 1 1 or the GDLs 15.
  • a lateral sealing of the cell via circumferential seals 16 which are arranged on the support layers 14.
  • the membrane-electrode unit 10 is arranged between two bipolar plates 20.
  • Each bipolar plate 20 has an anode side 21 and a cathode side 22.
  • an open anode gas flow field for example in the form of open channels, is arranged in the active region of the bipolar plate 20 (not shown in this illustration).
  • a cathode gas flow field is present on the cathode side 22 of the bipolar plates 20, which in turn may be in the form of open channels (not shown).
  • the bipolar plates 20 have a closed coolant flow field, likewise not shown, which serves to cool the fuel cell.
  • the individual channel structures of the bipolar plates 20 are not shown in FIG. 1, but will be explained in more detail with reference to the following figures.
  • a fuel cell comprises a stack of a plurality of membrane-electrode assemblies 10 and bipolar plates 20, which are alternately stacked and their electrical powers add up.
  • the fuel cell 100 of FIG. 1 has the following function:
  • an anode gas - in this case hydrogen H 2 - fed and fed via the gas diffusion layer 15 of the anode 12.
  • the hydrogen reacts to protons H + with the release of electrons which are supplied to the cathode 13 via an external circuit.
  • the protons formed at the anode 12 diffuse over the proton-conducting polymer electrolyte membrane 1 1 and reach the cathode 13.
  • a cathode gas - here air - fed which fed via the gas diffusion layer 15 of the cathode 13 becomes.
  • FIG. 2A shows a prior art bipolar plate 20 'according to US 2006/0127706 A1.
  • the bipolar plate 20 ' is shown here in plan view on its anode side 21.
  • Figure 2B shows a more detailed example of the upper, inactive region of the bipolar plate 20 'of Figure 2A.
  • the bipolar plate 20 ' has a central active region 23 in which an anode-side open anode gas flow field 24 is formed, here in the form of open meandering channels 24.
  • an open cathode gas flow field with corresponding channels is formed on the cathode side not visible here.
  • a closed coolant flow field in the form of internal, ie closed coolant channels which are likewise not visible in the present case.
  • the bipolar plate 20 ' also has two inactive supply regions 26a and 26b.
  • the supply regions 26a, 26b each have open anode gas channels 28 which are fluidly connected to the channels 25 of the anode gas flow field 24.
  • the anode gas channels 28 extend directly and rectilinearly in a direction oblique to the main flow direction of the active region 23.
  • the inactive supply regions 26a and 26b have open cathode gas channels on the cathode side, which is not visible here, of the bipolar plate 20 ', which are connected in a fluid-conducting manner to the likewise not visible cathode flow field of the active region 23.
  • the cathode gas channels of the supply regions 26, a, 26b Similar to the anode gas channels 28, the cathode gas channels of the supply regions 26, a, 26b also run in a straight line and in a direction oblique to the main flow direction of the active region 23. Finally, the inactive supply regions 26a and 26b have closed coolant channels 30 (visible here as wall-like elevations), which are connected in a fluid-conducting manner to the coolant flow field of the active region 23.
  • the bipolar plate 20 also has a total of six equipment through-openings. These include two anode gas main channels 31 a, 31 b, two cathode gas main channels 32 a, 32 b and two main coolant channels 33 a and 33 b. Of these, one opening of the supply of the respective operating means and the other opening of the discharge of the same serves in each case.
  • the open anode gas channels 28 of the inactive supply region 26a connect the anode main gas channel 31a to the open channels 25 of the anode gas flow field 24 of the active region 23.
  • the open anode gas channels 28 of the inactive supply region 26b connect the anode main gas channel 31b to the other side of the anode Anode gas flow field 24 of the active region 23.
  • the non-visible cathode open gas channels of the supply region 26a connect the cathode gas main channel 32a to the cathode gas flow field of the active region 23 and the cathode gas channels of the supply region 26b connect the cathode gas main channel 32b to the cathode gas flow field.
  • the bipolar plate 20 'further comprises a centering opening 34 which the orientation of the bipolar plates in assembly of the fuel cell stack is used.
  • the anode gas channels 28 and cathode gas channels of the supply regions 26a and 26b are here each formed as (outwardly) open channels. They are usually covered in the assembled state of the fuel cell stack by the support layer 14 of the membrane electrode assembly 10 and closed (see Figure 1). Alternatively, however, the anode and cathode gas channels of the supply regions 26a and 26b may also already be formed closed in the unassembled bipolar plate.
  • the open anode gas channels 28 of the inactive supply region 26a have a significant length difference between the maximum and the shortest anode gas channels 28 of the supply region 26a.
  • the channel length of the shortest channel (far left in the illustration) is approximately 5 mm and the channel length of the longest anode gas channel (on the right in the illustration) is approximately 150 mm. This corresponds to a length difference of about 97% with respect to the longest anode gas channel 28.
  • This large difference in length results in a significant difference in pressure drop between the shortest and longest anode gas channels 28. This results in uneven supply to the channels 25 of the anode gas flow field 24 of the active region 23.
  • bipolar plate 20 which is shown in the form of a preferred embodiment in FIG. In this case, similar to the representation according to FIG. 2B, only the anode side 21 of the upper inactive region 26a of the bipolar plate 20 is shown.
  • Like elements are denoted by the same reference numerals. Furthermore, unless otherwise stated, the same elements have the same functions and constructions as in FIG.
  • the bipolar plate 20 according to the invention according to FIG. 3 has an arrangement of the device through-openings 31, 32 and 33 deviating from the known bipolar plate 20 '(see FIG. Specifically, here, the anode gas main passage 31 a is disposed substantially between the cathode main gas passage 32 a and the main coolant passage 33 a, that is, the main passage 31 a. H. of the
  • Cathodic gas main channel 32a and the main coolant channel 33a are arranged substantially in corner regions, in particular the short sides, of the bipolar plate 20. Furthermore, the profile of the anode gas channels 28 of the supply region 26a has a change of direction (deflection) within the supply region 26a. In this case, a first flow direction A of the anode gas channels 28 in the region of the supply region 26a points in the direction of a first side of the bipolar plate 20, in particular the longitudinal side of the plate shown on the left. Then, the flow channels 28 are deflected, here for example by an angle of 90 °, so that they have a second flow direction B.
  • the second flow direction B points in the direction of a second side opposite the first side of the bipolar plate 20, in this case in the direction of the right longitudinal side of the plate 20.
  • This selection of the courses of the anode gas channels 28 ensures that the length difference between the longest anode gas channel (left in FIG. 3) and the shortest anode gas channel (on the right in FIG. 3) is significantly reduced compared with the prior art.
  • the length of the longest anode gas channel 1 is 15 mm and that of the shortest is 80 mm. This corresponds to a length difference of approximately 30% with respect to the longest anode gas channel 28.
  • the arrangement and configuration of the agent passage openings 31b, 32b and 33b and the anode gas channels 28 of the second inactive supply area 26b are preferably designed in the same way as in the area 26a.
  • the bipolar plate 20 according to the invention is further distinguished by the design of the coolant channels 30 in the supply regions 26a, 26b. As will be seen from FIGS. 6 to 8, in particular FIG.
  • the closed coolant channels 30 of the supply regions 26a and 26b extend in a first section, which is connected to the corresponding main coolant channel 33a, 33b, essentially on the cathode side 22.
  • the region on which the coolant channels 30 of the supply region 26a, 26b run on the cathode side 22 of the bipolar plate 20 substantially corresponds to that region of the supply region 26a, 26b in which the anode gas channels 28 extend in the first direction A.
  • the cathode-side course of the coolant channels 30 ends and is continued with coverage on the anode side 21.
  • the coolant channels 30 of the supply regions 26a, 26b thus run on the anode side 21 of the bipolar plate 20.
  • the course of the coolant channels 30 on the anode side 21 of the plate 20 corresponds to that of the anode gas channels 28, d. H.
  • the coolant channels 30 are guided parallel to the anode gas channels 28 in this area. They thus also have the second flow direction B of the anode gas channels 28 in this area.
  • the coolant channels 30 are arranged in this second section so that they each extend between two anode gas channels 28.
  • This embodiment of the courses of the coolant channels 30 ensures that they extend in the coverage areas 26a, 26b essentially in a congruent section of the bipolar plate 20 with the anode gas channels 28.
  • a good thermal connection of the anode gas channels 28 to the coolant channels 30 of the supply regions 26a, 26b is achieved.
  • the anode gas channels 28 are already thermally coupled to the coolant at the beginning of their entry from the anode gas main channel 31 a, 31 b.
  • a cold start of the fuel cell a rapid thawing of the water is achieved by the warmer or heated coolant.
  • the fuel cell is ready for use faster after a cold start. Is on the other side in the Kathodengaskanälen 29 of the supply areas 26a, 26b Frozen water present, this is due to the heated by the high compression cathode gas (air) heated and thawed anyway anyway.
  • the bipolar plate 20 according to the invention also leads to a smaller dimensioning of the plate, since the existing plate surfaces are optimally utilized for accommodating the anode gas channels 28, cathode gas channels 29 and coolant channels 30 of the supply regions 26a and 26b. While in the bipolar plate of Figure 2B, a portion of the area of the supply areas 26a and 26b is always used on one side only for the anode gas and cathode gas channels 28, 29, the available area of the inactive supply area 26a, 26b on both sides of the plate 20 for the various channels 28, 29 and 30 of the resources used. This situation is visualized in FIGS.
  • the area of the inactive supply area 26a of the bipolar plate 20 according to the invention is approximately 4,400 mm 2 (FIG. 5), while the area of the inactive area 26a of the conventional bipolar plate 20 'is 5,494 mm 2 (FIG. 4).
  • the clear diameters of the main operating channels 31 a, 32 a and 33 a are unchanged.
  • the reduction of the inactive supply region 26a, 26b allows a significant reduction in the dimensions of the bipolar plate 20. In this way, not only the necessary space for the fuel cell, but also their weight is significantly reduced.
  • FIG. 6 shows a bipolar plate 20 according to the invention from its anode side 21 and FIG. 7 from its cathode side 22.
  • FIG. 8 shows a superimposition of both views so that, regardless of their actual visibility, both the anode gas channels 28, the cathode gas channels 29 and the coolant channels 30 of the inactive supply regions 26a and 26b are visible.
  • the inactive region of the bipolar plate 20 is shown, while the active region 23 with the anode gas flow field 24 or the cathode gas flow field 36 is not further developed.
  • FIG. 7 which shows the cathode side 22 of the bipolar plate 20
  • the cathode gas channels 29 of the inactive supply regions 26a and 26b have a straight course between the cathode gas main channels 32a, 32b and the cathode gas flow field 35 of the active region 23. They thus largely correspond to the course of conventional bipolar plates.
  • the optimal area utilization of the inactive supply areas 26a, 26b is particularly clear from FIG.
  • this illustration shows that the coolant channels 30, which are connected to the main coolant channels 33a and 33b, and the Anodengas- channels 28, which are connected to the anode gas main channels 31 a and 31 b, claim a largely congruent area of the bipolar plate 20, wherein this substantially corresponds to the area of the inactive service areas 26a and 26b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (20) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend eine Anodenseite (21) und eine Kathodenseite (22), wobei die Bipolarplatte (20) bezüglich einer Aufsicht auf die Anoden-oder Kathodenseite (21, 22) aufweist: –einen aktiven Bereich (23), der anodenseitig ein offenes Anodengasströmungsfeld (24) und kathodenseitig ein offenes Kathodengasströmungsfeld (35) ausbildet sowie ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld aufweist, –Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, mindestens umfassend zwei Anodengashauptkanäle (31a, 31b) zur Zu-und Abführungdes Anodengases, zwei Kathodengashauptkanäle (32a, 32b) zur Zu-und Abführung des Kathodengases, sowie zwei Kühlmittelhauptkanäle (33a, 33b) zur Zu-und Abführung des Kühlmittels, –zwei inaktive Versorgungsbereiche (26a, 26b), umfassend Anodengaskanäle (28), die jeweils mit einem der Anodengashauptkanäle (31a, 31b)und dem Anodengasströmungsfeld (24) des aktiven Bereichs (23) fluidführend verbunden sind; Kathodengaskanäle (29), die jeweils mit einem der Kathodengashauptkanäle (32a, 32b)und dem Kathodengasströmungsfeld (35) des aktiven Bereichs (23) fluidführend verbunden sind; sowie Kühlmittelkanäle (30), die jeweils mit einem der Kühlmittelhauptkanäle (33a, 33b) und dem Kühlmittelströmungsfeld des aktiven Bereichs (23) fluidführend verbunden sind, Es ist vorgesehen, dass zumindest einer der Anodengashauptkanäle (31a, 31b) so angeordnet ist und Verläufe der mit diesem Anodengashauptkanal (31a, 31b) verbundenen Anodengaskanäle (28) des Versorgungsbereichs (26a, 26b) so ausgebildet sind, dass eine Längendifferenz zwischen einem längsten und einem kürzesten Anodengaskanal der Anodengaskanäle (28) dieses Versorgungsbereichs (26a, 26b) höchstens 50% bezogen auf die Länge des längsten Anodengaskanals beträgt.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte, Brennstoffzelle mit einer solchen und Kraftfahrzeug mit einer solchen
Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolarplatte sowie ei Kraftfahrzeug, das eine solche Brennstoffzelle aufweist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer inonenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoff- haltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e"). 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 e" werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (14 02 + 2 e" -> O2"). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + O2" -> H20).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist in einem Brennstoffzellenstapel jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits der Zuführung der Prozessgase zu der Anode beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten dient sowie der Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung sowie der elektrischen Anbindung auf. Bipolarplatten sind in unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Grundsätzliche Ziele bei dem Design von Bipolarplatten stellen die Gewichtsreduzierung, die Bauraumreduzierung, die Kostenreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.
Bipolarplatten für Brennstoffzellen weisen einen, üblicherweise zentral angeordneten aktiven Bereich auf, der an die katalytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit anschließt und an dem die eigentlichen Brennstoffzellenreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist der aktive Bereich anodenseitig ein offenes Anodengasströmungsfeld auf und kathodenseitig ein offenes Kathodengasströmungsfeld. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder sind zumeist in Form rinnenartiger Kanäle ausgebildet. Bekannt sind jedoch auch offen porige/poröse Strukturen (US 201 1/0039190 A1 ). Zudem weist der aktive Bereich ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld auf, wobei dieses üblicherweise in Form von eingeschlossenen Kanälen ausgebildet ist. Um den aktiven Bereich mit den entsprechenden Betriebsmitteln zu versorgen, weisen Bipolarplatten zudem Betriebsmitteldurchgangsöffnungen auf, nämlich jeweils zwei Anodengashauptkanäle zur Zu- und Abführung des Anodengases, zwei Kathodengashaupt- kanäle zur Zu- und Abführung des Kathodengases und zwei Kühlmittelhauptkanäle zur Zu- und Abführung des Kühlmittels. Im Brennstoffzellenstapel liegen diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich aufeinander, so dass sie durch den gesamten Stapel durchgehende Hauptversorgungskanäle für die entsprechenden Betriebsmittel ausbilden. Übliche Bipolarplatten weisen ferner inaktive Versorgungsbereiche auf, die im Wesentlichen dem Anschluss zwischen den Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und den entsprechenden Strömungsfeldern des aktiven Bereichs dienen. Dabei umfassen die Versorgungsbereiche jeweils Anodengas- kanäle, die einerseits mit dem Anodengashauptkanal und andererseits mit dem Anodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbunden sind. Die inaktiven Versorgungsbereiche weisen ferner Kathodengaskanäle auf, welche einerseits mit dem Kathodengas- hauptkanal und andererseits mit den Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbunden sind. Ferner umfasst der inaktive Versorgungsbereich Kühlmittelkanäle, die einerseits mit dem Kühlmittelhauptkanal und andererseits mit dem Kühlmittelströmungsfeld fluidführend verbunden sind.
Beispiele für eine Bipolarplatten gemäß der vorstehenden Beschreibung sind in US
2006/0127706 A1 und DE 102007 008 214 A1 offenbart. Dabei sind die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen jeweils auf den beiden einander gegenüberliegenden Schmalseiten der Bipolarplatten angeordnet, wobei der Kühlmittelhauptkanal jeweils im Wesentlichen zwischen dem Anodengashauptkanal und dem Kathodengashauptkanal positioniert ist.
Nachteilig an den bekannten Bipolarplatten ist, dass innerhalb der Anodengaskanale und besonders innerhalb des Anodenflussfeldes des aktiven Bereichs sehr unterschiedliche Betriebsdrücke vorherrschen. Insbesondere Eck- und Randbereiche der aktiven Fläche der Bipolarplatte sind häufig unterversorgt. Dieses Problem der unterschiedlichen Anodengasversorgung der aktiven Fläche kommt besonders stark bei Flussfeldern mit unterbrochenen Kanälen zum Tragen, bei denen die einzelnen Anodenkanäle lateral miteinander verbunden sind. Hier kommt es aufgrund der hohen Druckunterschiede zu signifikanten Querströmungen innerhalb des Anodengasflussfeldes und zu einer besonders großen Inhomogenität.
Ein weiteres Problem der bekannten Bipolarplatten stellt Produktwasser dar, welches auf der Kathodenseite entsteht, durch die Polymerelektrolytmembran diffundiert und somit auf die Anodenseite gelangt. Dort kommt es nach einem Abstellen der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen zu einem Gefrieren des Wassers in dem Anodengasströmungsfeld und in den Anodengaskanälen der Versorgungsbereiche. Dies kann zu einem Verstopfen der Kanalstrukturen führen, die durch den vergleichsweise niedrigen Betriebsdruck des Anodengases nicht befreit werden können. Wird eine solche Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs verwendet, muss nach einem Froststart somit zunächst das Wasser durch das Kühlmittel aufgetaut werden. Hierdurch wird die Betriebsbereitschaft der Brennstoffzelle verzögert.
US 2007/0202383 A1 offenbart, dem Problem der ungleichmäßigen Anodengasverteilung dadurch zu begegnen, dass die Anodengaskanäle des aktiven Bereichs der Bipolarplatte sich in unterschiedliche Anzahl von Kanälen verzweigen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen bereitzustellen, welche die Anodengasversorgung im aktiven Bereich der Bipolarplatte homogenisiert und eine schnelle Betriebsbereitschaft nach einem Kaltstart aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte, eine Brennstoffzelle mit einer solchen sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzelle mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenseite und eine Kathodenseite. Dabei weist die Bipolarplatte bezüglich einer Aufsicht auf die Anodenseite oder die Kathodenseite Folgendes auf:
- einen aktiven Bereich, der anodenseitig ein offenes Anodengasströmungsfeld und katho- denseitig ein offenes Kathodengasströmungsfeld ausbildet sowie ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld aufweist,
- Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, mindestens umfassend zwei Anodengashauptkanäle zur Zu- und Abführung des Anodengases, zwei Kathodengashauptkanäle zur Zu- und Abführung des Kathodengases, sowie zwei Kühlmittelhauptkanäle zur Zu- und Abführung des Kühlmittels,
- zwei inaktive Versorgungsbereiche, umfassend Anodengaskanäle, die jeweils mit einem der Anodengashauptkanäle und dem Anodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluid- führend verbunden sind; Kathodengaskanäle, die jeweils mit einem der Kathodengashauptkanäle und dem Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbunden sind; sowie Kühlmittelkanäle, die jeweils mit einem der Kühlmittelhauptkanäle und dem Kühlmittelströmungsfeld des aktiven Bereichs fluidführend verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zumindest einer der Anodengashauptkanäle so angeordnet ist und die mit diesem Anodengashauptkanal verbundenen Anodengaskanäle des Versorgungsbereichs so ausgebildet sind, dass eine Längendifferenz zwischen einem längsten Anodengaskanal und einem kürzesten Anodengaskanal der Anodengaskanäle dieses Versorgungsbereichs höchstens 50 %, insbesondere höchstens 40 % und vorzugsweise höchstens 35% bezogen auf die Länge des längsten Anodengaskanals beträgt. Vorzugsweise sind beide Anodengashauptkanäle in dieser Weise angeordnet und die Anodengaskanäle beider Versorgungsbereiche in dieser Weise ausgebildet.
Es hat sich nämlich herausgestellt, dass ursächlich für die inhomogene Verteilung des Anodengases im aktiven Bereich der Brennstoffzelle die sehr unterschiedlichen Kanallängen der Anodengaskanäle der Versorgungsbereiche darstellen. Bei geeigneter Positionierung des Anodengashauptkanäle beziehungsweise der Anodengashauptkanäle sowie bei geeigneter Gestaltung der Verläufe der Anodengaskanäle des Versorgungsbereichs ist es möglich, die Längen der Anodengaskanäle des Versorgungsbereich weitgehend einander anzugleichen und somit Druckunterschiede innerhalb der Anodengaskanalstrukturen weitgehend zu minimieren. Auf diese Weise wird eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung des aktiven Bereichs der Brennstoffzelle mit dem Anodengas erzielt. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff„aktiver Bereich" derjenige Bereich der Bipolarplatte verstanden, der in dem montierten Brennstoffzellenstapel den kata- lytischen Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit zugewandt ist, d. h. derjenige Bereich, an dem im Betrieb der Brennstoffzelle eine chemische Reaktion stattfindet. In Abgrenzung hierzu bezeichnet„inaktiver Bereich" einen Bereich, an dem keine chemische Reaktion stattfindet. Der „inaktive Bereich" umfasst die inaktive Versorgungsbereiche, die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen sowie Randbereiche der Bipolarplatte. Es versteht sich, dass die Bipolarplatte in keinem der Bereiche im engeren Sinn chemisch aktiv ist.
Eine besonders einfache Möglichkeit zur Erzielung einer solchen Angleichung der Kanallängen der Anodengaskanäle besteht in einer Anordnung des Anodengashauptkanals im Wesentlichen zwischen einem der Kathodengashauptkanäle und einem der Kühlmittelhauptkanäle. Vorzugsweise werden beiden Anodengashauptkanäle jeweils zwischen einem Kathodengashauptkanal und einem Kühlmittelhauptkanal angeordnet. Dabei sind vorzugsweise jeweils ein Hauptkanal für das Anodengas, das Kathodengas und das Kühlmittel im Wesentlichen entlang einer Seite der Bipolarplatte, insbesondere einer Schmalseite der Bipolarplatte angeordnet. Dabei sind die Kathodengashauptkanal und der Kühlmittelhauptkanal jeweils in den Ecken der Bipolarplatte positioniert. Demgegenüber sind im Stand der Technik, beispielsweise nach US 2006/0127706 A1 , die Anodengashauptkanäle jeweils seitlich angeordnet, während die Kühlmittelhauptkanäle zwischen dem Anodengas- und Kathodengashauptkanal angeordnet sind. Die seitliche Anordnung des Anodengashauptkanals führt zu dem Erfordernis, die entsprechenden Anodengaskanäle des inaktiven Versorgungsbereichs schräg bezüglich der Hauptströmungsrichtung des aktiven Bereichs anzuordnen. Hierdurch entstehen große Unterschiede bezüglich der Kanallängen der Anodengaskanäle, welche durch die im Wesentlichen mittige Anordnung des Anodengashauptkanals einander angeglichen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein Verlauf der Anodengaskanäle des Versorgungsbereichs zumindest eine Richtungsänderung (Umlenkung) innerhalb des Versorgungsbereichs auf. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass eine erste Strömungsrichtung der im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Anodengaskanäle in Richtung einer ersten Seite der Bipolarplatte weist, insbesondere einer Längsseite derselben, und eine zweite Strömungsrichtung in Richtung einer zweiten, der ersten Seite gegenüber liegenden Seite der Bipolarplatte weist. Mit anderen Worten kreuzen die Anodengaskanäle eine fiktive Hauptströmungsrichtung des aktiven Bereichs der Bipolarplatte zunächst in eine Richtung dann in die andere Richtung. Durch diesen Zick-Zack-Verlauf wird ebenfalls eine Angleichung der Kanallängen untereinander erzielt. Eine bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden erfindungsgemäßen Bipolarplatte betrifft den Verlauf der Kühlmittelkanäle der Versorgungsbereiche. Demnach verlaufen die Kühlmittelkanäle und die Anodengaskanäle zumindest eines der beiden Versorgungsbereiche im Wesentlichen über einen deckungsgleichen Abschnitt der Bipolarplatte. Auf diese Weise werden die Anodengaskanäle praktisch über ihre gesamte Länge thermisch gut an die Kühlmittelkanäle angebunden. Sofern es zu gefrierendem Wasser in den Anodengaskanälen kommt, kann dieses durch das Kühlmittel, das bei einem Kaltstart beheizt werden kann, aufgetaut werden. Somit ist eine Brennstoffzelle, die mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten ausgestattet ist, nach einem Kaltstart schneller betriebsbereit.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlmittelkanäle zumindest eines der beiden Versorgungsbereiche in einem ersten Abschnitt, der dem Kühlmittelhauptkanal angeschlossen ist, im Wesentlichen auf der Kathodenseite der Bipolarplatte verlaufen. In einem daran anschließenden zweiten Abschnitt verlaufen die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen auf der Anodenseite. Zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt werden die Kühlmittelkanäle an einer Übertrittstelle von der Kathodenseite auf die Anodenseite überführt. Besonders bevorzugt ist der erste Abschnitt, an welchem die Kühlmittelkanäle kathodenseitig ausgeprägt sind, im Wesentlichen deckungsgleich mit demjenigen Abschnitt auf der Anodenseite, in welchem die Anodengaskanäle des Versorgungsbereichs in der ersten Strömungsrichtung verlaufen. Durch diese überdeckende Anordnung der Kühlmittelkanäle des ersten Abschnitts auf der Kathodenseite sowie der Anodengaskanäle auf Anodenseite der Bipolarplatte wird einerseits eine gute Flächennutzung der für die Anordnung der verschiedenen Elemente zur Verfügung stehenden Fläche der Bipolarplatte erzielt. Hierdurch kann die Gesamtfläche reduziert und somit das Brennstoffzellenvolumen verringert werden. Ferner wird durch die vorgenannte Ausgestaltung eine gute thermische Anbindung der Anodengaskanäle an das Kühlmittel insbesondere im Bereich des Übergang von dem Anodengashauptkanal und den daran angeschlossenen Anodengaskanälen des Versorgungsbereichs erzielt.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass in dem zweiten Abschnitt, in welchem die Kühlmittelkanäle innerhalb des Versorgungsbereichs auf der Anodenseite verlaufen, die geschlossenen Kühlmittelkanäle parallel und jeweils zwischen zwei Anodengaskanälen verlaufen. Durch diese Maßnahme wird sowohl die Flächennutzung der Bipolarplatte als auch die thermische Anbindung zwischen Anodengaskanälen und Kühlmittelkanälen weiter verbessert. In bevorzugter Ausführung weist die Bipolarplatte wenigstens zwei aufeinander gefügte, profilierte Platten auf, nämlich eine anodenseitige Platte und eine kathodenseitige Platte. Dabei werden die Anodengaskanäle und Kathodengaskanäle der inaktiven Versorgungsabschnitte durch entsprechende Rinnen der Platten ausgebildet beziehungsweise von entsprechenden wallartigen Erhebungen (Stegen) begrenzt. Die geschlossenen Kühlmittelkanäle werden dabei zwischen den beiden Platten ausgebildet. Eine derartige Bauweise der Bipolarplatte ermöglicht praktisch beliebige Profilgestaltungen der Kanalstrukturen in den inaktiven Versorgungsbereichen und dem aktiven Bereich der Bipolarplatten beispielsweise durch Prägen, Tiefziehen oder Stanzen der Platten.
Vorzugsweise sind das Anodengasströmungsfeld und das Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs der Bipolarplatte in Form von geradlinig oder mäandernd verlaufenden Strömungskanälen ausgebildet, die als eingeprägte Rinnen in die jeweilige Platte realisiert sind. Dabei können mit besonderem Vorteil die Strömungskanäle als unterbrochene Kanäle ausgebildet sein, die somit einen Übertritt zwischen zwei benachbarten Strömungskanälen erlauben. Hierdurch wird eine besonders homogene Verteilung des Anodengases beziehungsweise Kathodengases über die aktive Fläche erzielt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine lichte Fläche der beiden Anodengas- hauptkanäle kleiner als eine lichte Fläche der beiden Kathodengashauptkanäle. Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass ein Anodengasmassenstrom in Brennstoffzellen zumeist geringer gewählt wird als ein Kathodengasmassenstrom.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche zumindest zwei erfindungsgemäße Bipolarplatten, üblicherweise eine Mehrzahl von Bipolarplatten aufweist und jeweils eine, zwischen zwei Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Einheit.
Ferner betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Brennstoffzelle aufweist, insbesondere als Energieversorgungsquelle für eine elektromotorischen Antrieb.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle (Einzelzelle); Figur 2 Draufsicht auf eine Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß Stand der Technik,
(A: Gesamtansicht, B: Teilansicht);
Figur 3 Teilansicht auf die Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Figur 4 Teilansicht auf die Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß Stand der Technik nach Figur 2A mit hervorgehobenem inaktivem Versorgungsbereich;
Figur 5 Teilansicht auf die Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß der vorliegenden
Erfindung nach Figur 3 mit hervorgehobenem inaktivem Versorgungsbereich;
Figur 6 idealisierte Draufsicht auf die Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß der
vorliegenden Erfindung (ohne aktiven Bereich);
Figur 7 idealisierte Draufsicht auf die Kathodenseite einer Bipolarplatte gemäß der vorliegenden Erfindung (ohne aktivem Bereich);
Figur 8 idealisierte Draufsicht auf die Anodenseite einer Bipolarplatte gemäß der
vorliegenden Erfindung mit überlagerter Kathodenseite gemäß Figuren 6 und 7 (ohne aktiven Bereich).
Zunächst soll der grundsätzliche Aufbau einer Brennstoffzelle anhand von Figur 1 erläutert werden.
Figur 1 zeigt eine stark schematisierte Schnittansicht durch eine hier insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzelle, von der hier lediglich eine Einzelzelle dargestellt ist.
Die Brennstoffzelle 100 umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 10. Die MEA 10 weist eine ionisch leitfähige, insbesondere Protonen leitende Polymerelektrolytmembran (PEM) 1 1 auf. Die PEM 1 1 wird von zwei katalytischen Elektroden, nämlich einer Anode 12 und einer Kathode 13 flächig kontaktiert. Bei den Elektroden 12, 13 handelt es sich üblicherweise um ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial, beispielsweise auf Basis von Kohlenstoff, auf welches ein katalytisches Material in feiner Verteilung geträgert vorliegt. Der Bereich, an dem die Elektroden 12, 13 vorhanden sind und an dem folglich die Brennstoffzellenreaktionen stattfinden, wird als aktiver Bereich bezeichnet. In einem inaktiven, seitlichen Bereich sind üblicherweise keine Elektroden vorhanden, stattdessen wird die Membran 1 1 dort durch Stützschichten 14 mechanisch abgestützt. An die äußeren Flächen der Elektroden 12, 13 schließt jeweils eine Gasdiffusionslage (GDL) 15 an. Die GDLs 15 bestehen aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Material und dienen der gleichmäßigen Verteilung der Anoden- und Kathodenbetriebsgase. Die Elektroden 12, 13 können als Beschichtung auf der PEM 1 1 oder den GDLs 15 vorliegen. Eine seitliche Abdichtung der Zelle erfolgt über umlaufende Dichtungen 16, die auf den Stützschichten 14 angeordnet sind.
Die Membran-Elektroden-Einheit 10 ist zwischen zwei Bipolarplatten 20 angeordnet. Jede Bipolarplatte 20 weist eine Anodenseite 21 und eine Kathodenseite 22 auf. Auf der Anodenseite 21 ist im aktiven Bereich der Bipolarplatte 20 ein offenes Anodengasflussfeld, beispielsweise in Form offener Kanäle angeordnet (in dieser Darstellung nicht gezeigt). In gleicher weise ist auf der Kathodenseite 22 der Bipolarplatten 20 ein Kathodengasflussfeld vorhanden, das wiederum in Form offener Kanäle ausgebildet sein kann (nicht dargestellt). Ferner weisen die Bipolarplatten 20 ein ebenfalls nicht dargestelltes geschlossenes Kühlmittelflussfeld auf, welches der Kühlung der Brennstoffzelle dient. Die einzelnen Kanalstrukturen der Bipolarplatten 20 sind in Figur 1 nicht dargestellt, werden jedoch anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Üblicherweise weist eine Brennstoffzelle einen Stapel einer Vielzahl von Membran-Elektroden- Einheiten 10 und Bipolarplatten 20 auf, die abwechselnd gestapelt werden und deren elektrische Leistungen sich addieren.
Die Brennstoffzelle 100 der Figur 1 weist folgende Funktion auf:
Über das Anodengasflussfeld der Anodenseiten 21 der Bipolarplatten 20 wird ein Anodengas - hier Wasserstoff H2 - zugeleitet und über die Gasdiffusionsschicht 15 der Anode 12 zugeführt. An dem katalytischen Material der Anode 12 reagiert der Wasserstoff zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen, die über einen äußeren Stromkreis der Kathode 13 zugeführt werden. Die an der Anode 12 entstandenen Protonen diffundieren über die Protonen leitende Polymerelektrolytmembran 1 1 und gelangen an die Kathode 13. Gleichzeitig wird über das Kathodengasflussfeld der Kathodenseiten 22 der Bipolarplatten 20 ein Kathodengas - hier Luft - eingespeist, welches über die Gasdiffusionslage 15 der Kathode 13 zugeführt wird. An der Kathode 13 wird der der Luftsauerstoff 02 zu Sauerstoffanionen O2" reduziert, welche mit den über die PEM 1 1 bereitgestellten Protonen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasser H20 reagieren. Auf diese Weise wird in dem Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt. Figur 2A zeigt eine Bipolarplatte 20' gemäß Stand der Technik nach US 2006/0127706 A1 . Die Bipolarplatte 20' ist hier in Draufsicht auf ihre Anodenseite 21 dargestellt. Figur 2B zeigt ein detaillierteres Beispiel des oberen, inaktiven Bereichs der Bipolarplatte 20' aus Figur 2A. Die Bipolarplatte 20' weist einen zentralen aktiven Bereich 23 auf, in welchem ein anodenseitig offenes Anodengasströmungsfeld 24 ausgebildet ist, hier in Form offener mäandernd verlaufender Kanäle 24. Desgleichen ist auf der hier nicht sichtbaren Kathodenseite ein offenes Kathodengasflussfeld mit entsprechenden Kanälen ausgebildet. Zudem ist im aktiven Bereich 23 ein geschlossenes Kühlmittelflussfeld in Form von innen liegenden, also geschlossenen Kühlmittelkanälen vorhanden, welche vorliegend ebenfalls nicht sichtbar sind.
Die Bipolarplatte 20' weist ferner zwei inaktive Versorgungsbereiche 26a und 26b auf. Die Versorgungsbereiche 26a, 26b weisen jeweils offene Anodengaskanäle 28 auf, die mit den Kanälen 25 des Anodengasströmungsfelds 24 fluidführend verbunden sind. Die Anodengaskanäle 28 verlaufen direkt und geradlinig in einer zur Hauptströmungsrichtung des aktiven Bereichs 23 schrägen Richtung. Ferner weisen die inaktiven Versorgungsbereiche 26a und 26b auf der hier nicht sichtbaren Kathodenseite der Bipolarplatte 20' offene Kathodengaskanäle auf, die mit dem ebenfalls nicht sichtbaren Kathodenströmungsfeld des aktiven Bereichs 23 fluidführend verbunden sind. Ähnlich den Anodengaskanälen 28 verlaufen auch die Kathodengaskanäle der Versorgungsbereiche 26, a, 26b geradlinig und in einer zur Hauptströmungsrichtung des aktiven Bereichs 23 schrägen Richtung. Schließlich weisen die inaktiven Versorgungsbereiche 26a und 26b geschlossene Kühlmittelkanäle 30 (hier als wallartige Erhebungen sichtbar) auf, die mit dem Kühlmittelströmungsfeld des aktiven Bereichs 23 fluidführend verbunden sind.
Die Bipolarplatte 20' weist ferner insgesamt sechs Betriebsmitteldurchgangsöffnungen auf. Diese umfassen zwei Anodengashauptkanäle 31 a, 31 b, zwei Kathodengashauptkanäle 32a, 32b und zwei Kühlmittelhauptkanäle 33a und 33b. Von diesen dient jeweils eine Öffnung der Zufuhr des jeweiligen Betriebsmittels und die andere Öffnung der Abfuhr desselben. Die offenen Anodengaskanäle 28 des inaktiven Versorgungsbereichs 26a verbinden den Anodenhaupt- gaskanal 31 a mit den offenen Kanälen 25 des Anodengasströmungsfelds 24 des aktiven Bereichs 23. Auf der anderen Seite verbinden die offenen Anodengaskanäle 28 des inaktiven Versorgungsbereichs 26b den Anodenhauptgaskanal 31 b mit der anderen Seite des Anodengasströmungsfelds 24 des aktiven Bereichs 23. In gleicher Weise verbinden die hier nicht sichtbaren offenen Kathodengaskanäle des Versorgungsbereichs 26a den Kathodengashauptkanal 32a mit dem Kathodengasströmungsfeld des aktiven Bereichs 23 und die Kathodengaskanäle des Versorgungsbereichs 26b den Kathodengashauptkanal 32b mit dem Kathodengasströmungsfeld. Schließlich verbinden die geschlossenen Kühlmittelkanäle 30 des inaktiven Versor- gungsbereichs 26a den Kühlmittelhauptkanal 33a mit dem geschlossenen Kühlmittelströmungsfeld (nicht sichtbar) des aktiven Bereichs 23 und die Kühlmittelkanäle 30 des Versorgungsbereichs 26b den Kühlmittelhauptkanal 33b mit dem anderen Ende des Kühlmittelströmungsfelds des aktiven Bereichs 23. Die Bipolarplatte 20' weist ferner eine Zentrieröffnung 34 auf, die der Ausrichtung der Bipolarplatten bei Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels dient.
Die Anodengaskanäle 28 und Kathodengaskanäle der Versorgungsbereiche 26a und 26b sind hier jeweils als (nach außen) offene Rinnen ausgebildet. Sie werden im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels üblicherweise durch die Stützschicht 14 der Membran- Elektroden-Einheit 10 verdeckt und geschlossen (siehe Figur 1 ). Alternativ können die Anoden- und Kathodengaskanäle der Versorgungsbereiche 26a und 26b jedoch auch bereits in der nicht montierten Bipolarplatte geschlossen ausgebildet sein.
Wie am besten in Figur 2B zu erkennen ist, weisen die offenen Anodengaskanäle 28 des inaktiven Versorgungsbereichs 26a eine erhebliche Längendifferenz zwischen dem längstens und dem kürzesten Anodengaskanal 28 des Versorgungsbereichs 26a auf. Im dargestellten Beispiel beträgt die Kanallänge des kürzesten Kanals (ganz links in der Darstellung) ca. 5 mm und die Kanallänge des längsten Anodengaskanals (rechts in der Darstellung) ca. 150 mm. Dies entspricht einer Längendifferenz von etwa 97% bezogen auf den längsten Anodengaskanal 28. Diese große Längendifferenz führt zu einem erheblichen Unterschied im Druckabfall zwischen dem kürzesten und dem längsten Anodengaskanal 28. Hierdurch kommt es zu einer ungleichmäßigen Betriebsmittelversorgung der Kanäle 25 des Anodengasstromungsfelds 24 des aktiven Bereichs 23. Insbesondere, wenn die Kanäle 25 des Anodengasstromungsfelds 24 unterbrochen ausgeführt sind, d. h. über laterale Öffnungen miteinander verbunden sind, kommt es zu unerwünscht starken Querströmungen zwischen den Kanälen 25 und einer Unterversorgung mit Anodengas in Eck- und Randbereichen des Anodengasstromungsfelds 24.
Grundsätzlich besteht das Problem der ungleichen Kanallängen auch für die Kathodenkanäle der Versorgungsbereiche 26a, 26b. Dies ist jedoch weitestgehend unkritisch, da das Kathodenbetriebsgas (Luft) mit hohem stöchiometrischen Überschuss und einem hohen Betriebsdruck zugeführt wird.
Ein weiteres Problem der in Figur 2 dargestellten Bipolarplatten 20' gemäß Stand der Technik ist das Auftreten von Produktwasser in den Anodengaskanälen 28 der inaktiven Versorgungsbereiche 26a, 26b. Sofern es nach Abstellen der Brennstoffzelle zu einem Gefrieren dieses Wassers in den Kanalstrukturen kommt, so ist die Brennstoffzelle erst dann wieder betriebsbereit, wenn dieses Wasser aufgetaut ist.
Diese Probleme werden durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 20 gelöst, die in Form einer bevorzugten Ausgestaltung in Figur 3 dargestellt ist. Dabei ist ähnlich der Darstellung nach Figur 2B lediglich die Anodenseite 21 des oberen inaktiven Bereichs26a der Bipolarplatte 20 gezeigt. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner weisen - sofern nicht anders erwähnt - die gleichen Elemente die gleichen Funktionen und Bauweisen wie in Figur 2 auf.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 20 nach Figur 3 weist eine von der bekannten Bipolarplatte 20' (vgl. Figur 2B) abweichende Anordnung der Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 31 , 32 und 33 auf. Insbesondere ist hier der Anodengashauptkanal 31 a im Wesentlichen zwischen dem Kathodenhauptgaskanal 32a und dem Kühlmittelhauptkanal 33a angeordnet, d. h. der
Kathodengashauptkanal 32a sowie der Kühlmittelhauptkanal 33a sind im Wesentlichen in Eckbereichen, insbesondere der Kurzseiten, der Bipolarplatte 20 angeordnet. Des Weiteren weist der Verlauf der Anodengaskanäle 28 des Versorgungsbereichs 26a eine Richtungsänderung (Umlenkung) innerhalb des Versorgungsbereichs 26a auf. Dabei weist eine erste Strömungsrichtung A der Anodengaskanäle 28 im Bereich des Versorgungsbereichs 26a in Richtung einer ersten Seite der Bipolarplatte 20, insbesondere der hier links dargestellten Längsseite der Platte. Dann werden die Strömungskanäle 28 umgelenkt, hier beispielsweise um einen Winkel von 90°, so dass sie eine zweite Strömungsrichtung B aufweisen. Die zweite Strömungsrichtung B weist in Richtung einer zweiten, der ersten Seite der Bipolarplatte 20 gegenüberliegenden Seite, hier also in Richtung der rechten Längsseite der Platte 20. Durch diese Wahl der Verläufe der Anodengaskanäle 28 wird erreicht, dass die Längendifferenz zwischen dem längsten Anodengaskanal (links in Figur 3) und dem kürzesten Anodengaskanal (rechts in Figur 3) gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert wird. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Länge des längstens Anodengaskanals 1 15 mm und die des kürzesten 80 mm. Dies entspricht einer Längendifferenz von zirka 30 % bezogen auf den längsten Anodengaskanal 28. Durch diese Angleichung der Kanallängen der Kathodengaskanäle im Versorgungsbereich 26a wird eine Homogenisierung der in den Kanälen 28 des Versorgungsbereichs 26a und den Kanälen 25 des aktiven Bereichs 23 erzielt. Die Anordnung und Gestaltung der Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 31 b, 32b und 33b und der Anodengaskanäle 28 des zweiten inaktiven Versorgungsbereichs 26b sind vorzugsweise in gleicher Weise wie im Bereich 26a gestaltet. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 20 zeichnet sich ferner durch die Gestaltung der Kühlmittelkanäle 30 in den Versorgungsbereichen 26a, 26b aus. Wie anhand der noch später diskutierten Figuren 6 bis 8, insbesondere 7, noch zu sehen sein wird, verlaufen die geschlossenen Kühlmittelkanäle 30 der Versorgungsbereiche 26a und 26b in einem ersten Abschnitt, welcher dem entsprechenden Kühlmittelhauptkanal 33a, 33b angeschlossen ist, im Wesentlichen auf der Kathodenseite 22. In der anodenseitigen Darstellung gemäß Figur 3 bedeutet dies, dass die Kühlmittelkanäle 30, die mit dem Kühlmittelhauptkanal 33a in Verbindung stehen, auf der rückwärtigen Seite angeordnet sind und zunächst unterhalb der Anodengaskanäle 28 in einer Richtung schräg zur Plattenlängsrichtung verlaufen ähnlich der Richtung B. Der Bereich, an welchem die Kühlmittelkanäle 30 des Versorgungsbereichs 26a, 26b auf der Kathodenseite 22 der Bipolarplatte 20 verlaufen, entspricht im Wesentlichen demjenigen Bereich des Versorgungsbereichs 26a, 26b, in welchem die Anodengaskanäle 28 in der ersten Richtung A verlaufen.
Dann an einer Übertrittstelle 35, die im Wesentlichen dem Ort der Richtungsänderung der Anodengaskanäle 28 entspricht, endet der kathodenseitige Verlauf der Kühlmittelkanäle 30 und wird mit Überdeckung auf der Anodenseite 21 fortgeführt. Von der Übertrittstelle 35 an verlaufen somit die Kühlmittelkanäle 30 der Versorgungsbereiche 26a, 26b auf der Anodenseite 21 der Bipolarplatte 20. Wie in Figur 3 ersichtlich, entspricht der Verlauf der Kühlmittelkanäle 30 auf der Anodenseite 21 der Platte 20 dem der Anodengaskanäle 28, d. h. die Kühlmittelkanäle 30 werden in diesem Bereich parallel zu den Anodengaskanälen 28 geführt. Sie weisen somit in diesem Bereich ebenfalls die zweite Strömungsrichtung B der Anodengaskanäle 28 auf. Zudem sind die Kühlmittelkanäle 30 in diesem zweiten Abschnitt so angeordnet, dass sie jeweils zwischen zwei Anodengaskanälen 28 verlaufen.
Durch diese Ausgestaltung der Verläufe der Kühlmittelkanäle 30 wird erreicht, dass diese in den Versorgungsbereichen 26a, 26b im Wesentlichen in einem deckungsgleichen Abschnitt der Bipolarplatte 20 mit den Anodengaskanälen 28 verlaufen. Hierdurch wird eine gute thermische Anbindung der Anodengaskanäle 28 an die Kühlmittelkanäle 30 der Versorgungsbereiche 26a, 26b erzielt. Insbesondere werden die Anodengaskanäle 28 bereits mit Beginn ihres Eintritts von dem Anodengashauptkanal 31 a, 31 b räumlich an das Kühlmittel thermisch gekoppelt. Sofern es somit an dieser Stelle zu gefrorenem Wasser in den Kanäle 28 kommt, so wird bei einem Kaltstart der Brennstoffzelle ein schnelles Auftauen des Wassers durch das wärmere oder beheizte Kühlmittel erzielt. Damit ist die Brennstoffzelle nach einem Kaltstart schneller betriebsbereit. Ist auf der anderen Seite auch in den Kathodengaskanälen 29 der Versorgungsbereiche 26a, 26b gefrorenes Wasser vorhanden, so wird dieses aufgrund des durch die hohe Kompression erwärmten Kathodengases (Luft) ohnehin schnell erwärmt und aufgetaut.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 20 führt auch zu einer kleineren Dimensionierung der Platte, da die vorhandenen Plattenflächen optimal für die Unterbringung der Anodengaskanäle 28, Kathodengaskanäle 29 und Kühlmittelkanäle 30 der Versorgungsbereiche 26a und 26b genutzt werden. Während bei der Bipolarplatte nach Figur 2B ein Teil der Fläche der Versorgungsbereiche 26a und 26b stets nur auf einer Seite für die Anodengas- und Kathodengaskanäle 28, 29 genutzt wird, wird die zur Verfügung stehende Fläche des inaktiven Versorgungsbereichs 26a, 26b beidseitig der Platte 20 für die verschiedenen Kanäle 28, 29 und 30 der Betriebsmittel genutzt. Dieser Sachverhalt wird in den Figuren 4 und 5 visualisiert, welche die Bipolarplatte 20' gemäß Stand der Technik beziehungsweise die Bipolarplatte 20 gemäß der vorliegenden Erfindung unter jeweiliger Hervorhebung des inaktiven Versorgungsbereichs 26a (grau hinterlegt) darstellen. Demnach beträgt die Fläche des inaktiven Versorgungsbereichs 26a der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 20 zirka 4.400 mm2 (Figur 5), während die Fläche des inaktiven Bereichs 26a der herkömmlichen Bipolarplatte 20' 5.494 mm2 einnimmt (Figur 4). Dabei sind die lichten Durchmesser der Betriebsmittelhauptkanäle 31 a, 32a und 33a unverändert. Die Verkleinerung des inaktiven Versorgungsbereichs 26a, 26b erlaubt eine deutliche Reduzierung der Dimensionen der Bipolarplatte 20. Auf diese Weise wird nicht nur der nötige Bauraum für die Brennstoffzelle, sondern auch ihr Gewicht signifikant reduziert.
Das Prinzip der Erfindung wird besonders deutlich in der Darstellung der Figuren 6 bis 8, wobei 6 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 20 von ihrer Anodenseite 21 und Figur 7 von ihrer Kathodenseite 22 zeigt. Figur 8 zeigt eine Überlagerung beider Ansichten, so dass unabhängig von ihrer tatsächlichen Sichtbarkeit sowohl die Anodengaskanäle 28, die Kathodengaskanäle 29 sowie die Kühlmittelkanäle 30 der inaktiven Versorgungsbereiche 26a und 26b sichtbar sind. Dargestellt sind jeweils nur die inaktiven Bereich der Bipolarplatte 20, während der aktive Bereich 23 mit dem Anodengasströmungsfeld 24 beziehungsweise dem Kathodengasstromungsfeld 36 nicht weiter ausgeführt sind.
Aus Figur 7, welche die Kathodenseite 22 der Bipolarplatte 20 zeigt, geht hervor, dass die Kathodengaskanäle 29 der inaktiven Versorgungsbereiche 26a und 26b einen geradlinigen Verlauf zwischen den Kathodengashauptkanälen 32a, 32b und dem Kathodengasstromungsfeld 35 des aktiven Bereichs 23 aufweisen. Sie entsprechend damit weitgehend dem Verlauf herkömmlicher Bipolarplatten. Die optimale Flächenausnutzung der inaktiven Versorgungsbereiche 26a, 26b geht besonders deutlich aus Figur 8 hervor. Insbesondere zeigt diese Darstellung, dass die Kühlmittelkanäle 30, welche mit den Kühlmittelhauptkanälen 33a und 33b verbunden sind, sowie die Anodengas- kanäle 28, welche mit den Anodengashauptkanälen 31 a beziehungsweise 31 b verbunden sind, einen weitgehend deckungsgleichen Bereich der Bipolarplatte 20 beanspruchen, wobei dieser im Wesentlichen dem Bereich der inaktiven Versorgungsbereiche 26a und 26b entspricht.
Bezugszeichenliste 0 Brennstoffzelle
Membran-Elektroden-Einheit
Polymerelektrolytmembran
Elektrode / Anode
Elektrode / Kathode
Stützschicht
Gasdiffusionslage
Dichtung
Bipolarplatte
Anodenseite
Kathodenseite
aktiver Bereich
Anodengasflussfeld
Kanäle
a, 26b inaktiver Versorgungsbereich
Anodengaskanal
Kathodengaskanal
Kühlmittelkanal
a, 31 b Anodengashauptkanal
a, 32b Kathodengashauptkanal
a, 33b Kühlmittelhauptkanal
Zentrieröffnung
Richtungsänderung (Umlenkung)
Kathodengasströmungsfeld

Claims

Patentansprüche
1 . Bipolarplatte (20) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend eine Anodenseite (21 ) und eine Kathodenseite (22), wobei die Bipolarplatte (20) bezüglich einer Aufsicht auf die Anodenoder Kathodenseite (21 , 22) aufweist:
- einen aktiven Bereich (23), der anodenseitig ein offenes Anodengasströmungsfeld (24) und kathodenseitig ein offenes Kathodengasströmungsfeld (36) ausbildet sowie ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld aufweist,
- Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, mindestens umfassend zwei Anodengashauptkanale (31 a, 31 b) zur Zu- und Abführung des Anodengases, zwei Kathodengashaupt- kanäle (32a, 32b) zur Zu- und Abführung des Kathodengases, sowie zwei Kühlmittelhauptkanäle (33a, 33b) zur Zu- und Abführung des Kühlmittels,
- zwei inaktive Versorgungsbereiche (26a, 26b), umfassend Anodengaskanäle (28), die jeweils mit einem der Anodengashauptkanale (31 a, 31 b) und dem Anodengasströmungsfeld (24) des aktiven Bereichs (23) fluidführend verbunden sind; Kathodengas- kanäle (29), die jeweils mit einem der Kathodengashauptkanäle (32a, 32b) und dem Kathodengasströmungsfeld (36) des aktiven Bereichs (23) fluidführend verbunden sind; sowie Kühlmittelkanäle (30), die jeweils mit einem der Kühlmittelhauptkanäle (33a, 33b) und dem Kühlmittelströmungsfeld des aktiven Bereichs (23) fluidführend verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Anodengashauptkanäle (31 a, 31 b) so angeordnet ist und Verläufe der mit diesem Anodengashauptkanal (31 a, 31 b) verbundenen Anodengaskanäle (28) des Versorgungsbereichs (26a, 26b) so ausgebildet sind, dass eine Längendifferenz zwischen einem längsten und einem kürzesten Anodengaskanal der Anodengaskanäle (28) dieses Versorgungsbereichs (26a, 26b) höchstens 50 % bezogen auf die Länge des längsten Anodengaskanals beträgt.
2. Bipolarplatte (20) nach Anspruch 1 , wobei beide der Anodengashauptkanäle (31 a, 31 b) so angeordnet sind und die Verläufe der Anodengaskanäle (28) beider Versorgungsbereiche (26a, 26b) so ausgebildet sind, dass die Längendifferenz zwischen dem längsten und dem kürzesten Anodengaskanal (28) der Versorgungsbereiche (26a, 26b) höchstens 50 % bezogen auf die Länge des längsten Anodengaskanals (28) beträgt, vorzugsweise höchstens 40 %.
3. Bipolarplatte (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine der Anodengashauptkanäle (31 a, 31 b) im Wesentlichen zwischen einem Kathodengas- hauptkanal (32a, 32b) und einem Kühlmittelhauptkanal (33a, 33b) eines inaktiven
Versorgungsbereichs (26a, 26b) angeordnet ist, insbesondere im Wesentlichen mittig bezüglich einer Seite der Bipolarplatte (20).
4. Bipolarplatte (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verlauf der Anodengaskanale (28) des Versorgungsbereichs (26a, 26b) zumindest eine Richtungsänderung innerhalb des Versorgungsbereichs (26a, 26b) aufweist, wobei insbesondere eine erste Strömungsrichtung (A) in Richtung einer ersten Seite der Bipolarplatte (20) weist und eine zweite Strömungsrichtung (B) in Richtung einer zweiten, der ersten Seite gegenüber liegenden Seite der Bipolarplatte (20) weist.
5. Bipolarplatte (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelkanäle (30) und die Anodengaskanäle (28) zumindest eines der beiden Versorgungsbereiche (26a, 26b) im Wesentlichen über einen deckungsgleichen Abschnitt der Bipolarplatte (20) verlaufen.
6. Bipolarplatte (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geschlossenen Kühlmittelkanäle (30) zumindest eines der beiden Versorgungsbereiche (26a, 26b) in einem ersten, dem Kühlmittelhauptkanal (33a, 33b) angeschlossenen Abschnitt im Wesentlichen auf der Kathodenseite (22) verlaufen, an einer Übertrittstelle (35) auf die Anodenseite (21 ) überführt werden, und in einem zweiten Abschnitt im Wesentlichen auf der Anodenseite (21 ) verlaufen.
7. Bipolarplatte (20) nach Anspruch 6, wobei die geschlossenen Kühlmittelkanäle (30) in dem zweiten Abschnitt parallel zu und jeweils zwischen zwei Anodengaskanälen (28) verlaufen.
8. Bipolarplatte (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bipolarplatte (20) wenigstens zwei aufeinander gefügte, profilierte Platten, nämlich eine anodenseitige Platte und eine kathodenseitige Platte aufweist, wobei die offenen Anodengaskanäle (28) und Kathodengaskanäle (29) der inaktiven Versorgungsabschnitte (26a, 26b) durch entsprechende Rinnen der Platten ausgebildet sind und die geschlossenen Kühlmittelkanäle (30) zwischen den Platten ausgebildet sind.
Brennstoffzelle (100) umfassend zumindest zwei Bipolarplatten (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine zwischen diesen angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (10).
10. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 9.
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