Die Erfindung betrifft ein Strömungsfeld zur Medienverteilung in einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft sie eine Separatorplatte mit einem derartigen Strömungsfeld.

Strömungsfelder zum Verteilen von Medien in Separatorplatten eines Brennstoffzellenstapels sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Separatorplatten, welche häufig als sogenannte Bipolarplatten ausgebildet sind, weisen typischerweise zwei Oberflächen auf, eine kathodenseitige Oberfläche und eine anodenseitige Oberfläche, welche jeweils mit einer benachbarten Membranelektrodenanordnung und der nachfolgenden Separatorplatte eine Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ausbilden. Häufig sind diese Platten aus zwei Hälften aufgebaut, welche zwischen sich ein Strömungsfeld für ein Kühlmedium einschließen.

Das Strömungsfeld zur Verteilung der Medien ist dabei sowohl auf der Anodenseite der Separatorplatte als auch auf der Kathodenseite der Separatorplatte, wenn man von Zuströmöffnungen, Sammelbereichen und dergleichen absieht, als Strömungsfeld mit einzelnen Kanälen und dazwischen angeordneten Stegen ausgebildet. Die CN 103 178275 A beschreibt in diesem Zusammenhang beispielsweise ein aus Kanälen und Stegen aufgebautes Strömungsfeld einer Bipolarplatte. Zur Verbesserung der Performance der jeweiligen Brennstoffzelle sind dabei die Stirnseiten der Stege, also die der benachbarten MEA (Membranelektrodenanordnung) zugewandten Seiten der Stege aufgeraut.

Ein großes Thema beim Design derartiger Strömungsfelder ist es nun immer einerseits, eine gute Zufuhr der Medien zu der MEA zu gewährleisten und andererseits entstandene Produkte, typischerweise Wasser, zuverlässig abzuführen. Gleichzeitig soll über die Stirnseiten der Stege, welche auch als „Landings“ bezeichnet werden, ein guter elektrischer Kontakt zu der Membranelektrodenanordnung gewährleitstet werden. Neben einer entsprechenden Bearbeitung und gegebenenfalls Beschichtung der Stirnseiten der Stege spielt also auch die Medienverteilung eine entscheidende Rolle.

In diesem Zusammenhang kann zum weiteren Stand der Technik auf die CN 100 573971 A hingewiesen werden. In dieser Schrift ist ein Strömungsfeld beschrieben, welches für eine verbesserte Verteilung der Medien sorgt, indem in den einzelnen Kanälen Puffervolumen angeordnet sind, in welchen Gase und/oder entstehende Feuchtigkeit quasi zwischengespeichert werden kann.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Strömungsfeld und eine Separatorplatte mit einem solchen verbesserten Strömungsfeld anzugeben, welches einerseits die Strömungseigenschaften für die Medien und damit die homogene Verteilung der Medien auf die Membranelektrodenanordnung und andererseits die elektrische Kontaktierung der Membranelektrodenanordnungen über die Stirnseiten der Stege optimiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Strömungsfeld mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 6 ist außerdem eine Separatorplatte mit einem solchen Strömungsfeld angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Separatorplatte aus dem abhängigen Unteranspruch.

Das erfindungsgemäße Strömungsfeld besteht aus Kanälen und Stegen, welche abwechselnd angeordnet sind und vergleichbar wie im Stand der Technik eine Verteilstruktur für die Medien ausbilden, Die Stirnseiten der Stege kontaktieren dabei eine benachbarte Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass der Flächenanteil der Stirnseite der Stege weniger als 25 % der Fläche der Verteilstrukturen ausmacht. Anstelle eines bisher häufig üblichen Flächenanteils der Stirnseiten der Stege von in etwa 50 % wird nun also auf eine deutlich reduzierte Fläche gewechselt. Mit einer solchen Fläche von weniger als 25 % der Gesamtfläche der Verteilstruktur wird also das Verhältnis der Stirnseiten zu der Oberfläche der Kanäle verändert. Dies führt zu kleineren Stirnseiten und größeren Kanälen, was insgesamt zu einer besseren Medienverteilung führt. Dennoch bleibt auch bei der kleineren Fläche der Stirnseiten die elektrische Kontaktierung so gut, dass insgesamt eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden kann.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass der Flächenanteil der Stirnseiten in etwa 20 %. Ein solcher Flächenanteil der Stirnseiten von etwa 20 % an der Gesamtfläche der Verteilstrukturen des Strömungsfeldes hat sich in den von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen als ein Optimum zwischen der mechanischen Tragfähigkeit einerseits und der idealen Verteilung der Medien auf die Membranelektrodenanordnung bzw. ihre Gasdiffusionslage anderseits herausgestellt. All dies kann dabei weiterhin bei einer idealen Medienversorgung der Membranelektrodenanordnung realisiert werden.

Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes sieht es nun ferner vor, dass die zwischen zwei Kanälen liegende Breite der Stirnseiten, zumindest in einer kathodenseitigen Verteilstruktur, weniger als 0,2 mm beträgt, Der Aufbau ist also so gestaltet, dass die Stirnseiten der Kanäle zusätzlich zu ihren verringerten Flächenanteil insgesamt auch eine relativ geringe Breite im Bereich ihrer Stirnseite aufweisen. Diese geringe Breite mit dem entsprechend des Flächenanteils dann deutlich breiteren Kanal führt zu einer sehr guten Anströmung der Medien in den Bereich der Membranelektrodenanordnung, sodass insbesondere auch im Bereich der Kontaktierung der Membranelektrodenanordnung mit den Stegen Medien seitlich in die Membranelektrodenanordnung bzw. deren Gasdiffusionslage einströmen und sich über die Dicke der Membranelektrodenanordnung weitgehend gleichmäßig auf die Elektroden und die Membran verteilen können.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee beträgt die Breite der Stirnseiten der Stege dabei in etwa 0,18 mm, um so eine nach den Untersuchungen durch die Erfinder ideale Verteilung der Medien bei guten elektrischen Eigenschaften zu erzielen.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes kann es dabei ferner vorsehen, dass der Übergang von den Seitenwänden der Kanäle in die Stirnseiten der Stege abgerundet ist, um so die Einströmung der Medien in die Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung auch im Bereich der Kontaktierung durch die Stirnseiten der Stege noch weiter zu verbessern.

Eine erfindungsgemäße Separatorplatte dient nun als Separatorplatte in einem Brennstoffzellenstapel. Sie umfasst ein Strömungsfeld nach einer der beschriebenen Ausgestaltungen.

Die Separatorplatte kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als Bipolarplatte ausgebildet sein, welche insbesondere eine anodenseitige und eine kathodenseitige Hälfte aufweist, welche zwischen sich ein Strömungsfeld für die Kühlmedien einschließen. Zumindest das kathodenseitige Strömungsfeld, optional jedoch auch das anodenseitige Strömungsfeld, kann dann gemäß den oben beschriebenen Flächenverhältnissen und Größenordnungen ausgestaltet sein.

Eine vorteilhafte beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes ergibt sich in einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung aus der Darstellung in den Figuren.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ausschnitt aus einer Separatorplatte mit einem Ausschnitt aus einem

Strömungsfeld in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung, mit aufgelegter Membranelektrodenanordnung; und Fig. 2 eine Darstellung analog zu der in Fig. 1 ohne die Membranelektrodenanordnung.

In der Darstellung der Figur 1 ist, ohne das die Figur als maßstäblich zu verstehen sein soll, ein Ausschnitt aus einer Separatorplatte 1 dargestellt. Der gezeigte Ausschnitt der Separatorplatte 1 umfasst ein angedeutetes Strömungsfeld 3, auf welchem eine sogenannte Membranelektrodenanordnung 2 angedeutet ist. Der Aufbau einer solchen Membranelektrodenanordnung 2 ist dem Fachmann an sich bekannt. Für die hier vorliegende Erfindung relevant ist lediglich die im Kontaktbereich zwischen dem Strömungsfeld 3 und der Membranelektrodenanordnung 2 als Teil dieser Membranelektrodenanordnung 2 ausgebildete Gasdiffusionslage (GDL) 4. Diese Gasdiffusionslage 4 liegt nun unmittelbar auf dem Strömungsfeld 2 auf, und zwar auf Stirnseiten 5 von Stegen 6, welche zwischen Kanälen 7 der Verteilstruktur des Strömungsfelds 3 ausgebildet sind.

Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten sind die Stege 6 hier nun relativ schmal ausgebildet. Aus der Darstellung der Figur 2, welche ohne die Membranelektrodenanordnung 2 denselben Aufbau nochmals zeigt, ist ersichtlich, dass diese Stirnseiten 5, welche mit der Membranelektrodenanordnung 2, und hier insbesondere ihrer Gasdiffusionslage 4, in Berührung kommen, eine relativ geringe Breite b aufweisen. Diese Breite ist beispielhaft an einem der Stege 6 eingezeichnet und mit b bezeichnet. Die danebenliegende Breite B der benachbarten Kanäle 7 ist entsprechend größer.

Insgesamt ist es so, dass das Flächenverhältnis, welche in der Darstellung der Figur 2 lediglich durch die Breiten symbolisiert wird, der gesamten Verteilstruktur des Strömungsfeldes 3 dessen Gesamtbreite A mal der Länge in die Blattebene hinein ist. Dementsprechend ist die in Kontakt mit der Membranelektrodenanordnung 2 bzw. ihrer Gasdiffusionslage 4 stehende Fläche der Stirnseiten 5 der Stege 6 die Breite b mal derselben Länge. Im Verhältnis zur Gesamtfläche der Verteilstrukturen des Strömungsfeldes 3 beträgt die Fläche der Stirnseiten 5 der Stege 6 nun lediglich in etwa 20 % dieser Gesamtfläche. Die Berührungsfläche der Stirnseiten 5 der Stege 6 mit der Membranelektrodenanordnung 2 bzw. ihrer Gasdiffusionslage ist also relativ gering. Dies stellt eine ideale Medienverteilung in den Bereich der Gasdiffusionslage 4 und damit über die elektrochemisch aktive Fläche der Membranelektrodenanordnung 2 sicher.

Gleichzeitig reicht die Auflagefläche aus, um eine gute elektrische Kontaktierung zwischen dem Material der Separatorplatte 1, beispielsweise einem Metall oder insbesondere einem mit einem elektrisch leitenden Füller, wie beispielsweise Graphit, versehener Kunststoff, Beispielsweise ein Harz, zu erreichen. Die Breite b der Stirnseiten 5 der Stege 6 beträgt dazu vorzugsweise ca. 0,18 mm. Die Struktur selbst ist also entsprechend klein, um druch den geringer Abstand zwischen den Stegen 6 einerseits eine relativ fläche Anlage zu erreichen und um andererseits auch in die von den Stegen 6 berührten Bereiche der Gasdiffusionslage 4 eine ausreichende Gasmenge einleiten zu können. Insgesamt ergibt der beschriebene Aufbau mit der dargestellten Geometrie dabei ein Strömungsfeld 3, welches sowohl bezüglich der Strömungseigenschaften als auch der elektrischen Eigenschaften ideal ist und eine Steigerung des Wirkungsgrads einer mit einem solchen Strömungsfeld 3 aufgebauten Brennstoffzellenstapels ermöglicht.