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 H ₂ oder ein wasserstoff- haltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H ₂ -> 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 0 ₂ + 2 e ^" -> O ^2" ). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H ⁺ + O ^2" -> H ₂ 0).

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 H ₂ - 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 0 ₂ zu Sauerstoffanionen O ^2" reduziert, welche mit den über die PEM 1 1 bereitgestellten Protonen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasser H ₂ 0 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 mm ² (Figur 5), während die Fläche des inaktiven Bereichs 26a der herkömmlichen Bipolarplatte 20' 5.494 mm ² 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