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Die
Erfindung betrifft eine Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels,
einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellenstapels nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Separatorplatten,
insbesondere Bipolarplatten, sind bekanntermaßen dazu vorgesehen, Einzelzellen
in Brennstoffzellenstapeln voneinander zu trennen oder als Endplatten
abzuschließen.
Sie dienen ferner dazu, den Stapel als solchen mechanisch zu stützen und
die Reaktions- und Kühlfluide
den Einzelzellen zuzuführen,
zu zirkulieren und abzuführen. Dazu
werden Kanalstrukturen einseitig oder beidseitig auf die Oberflächen sowie
in das Innere der Separatorplatten eingebracht.
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Die
Auslegung der Kanalstruktur, auch Flow-Field genannt, ist für die Anwendung
im automobilen Bereich an viele Randbedingungen gekoppelt. Neben
Funktionalität
und geringen Kosten muss auch eine hohe Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels
realisiert werden. Dementsprechend soll die Separatorplatte möglichst
dünn ausgeführt werden,
wofür sich
besonders metallische Werkstoffe eignen. Weitere Vorgaben zielen
auf die Zuverlässigkeit
und den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems ab.
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Eine
hohe Zuverlässigkeit
ist gegeben, wenn der Brennstoffzellenstapel stabil betrieben werden kann,
wenn etwa die Zellspannungsverteilung sowohl im statischen bei konstanter
als auch im dynamischen Betrieb bei wechselnder Belastung des Brennstoffzellenstapels
homogen ist.
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Üblicherweise
kann ein Brennstoffzellenstapel dann stabil betrieben werden, wenn
im Brennstoffzellenstapel über
die Fläche
des Flow-Fields ein hoher Druckgradient der üblicherweise gasförmigen Reaktionsfluide,
etwa Luftsauerstoff und Wasserstoff, herrscht, der eine gleichmäßige Verteilung
der Reaktionsfluide bewirkt. Dadurch können innerhalb einer Einzelzelle
des Brennstoffzellenstapels Totzonen und Kurzschlussströmungen vermieden
werden, die zu instabilen und schädlichen Betriebszuständen im
Brennstoffzellenstapel führen
können.
Auch die gleichmäßige Versorgung
der medientechnisch parallel geschalteten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels
wird auf diese Weise sichergestellt. Der sich einstellende Druckgradient
hängt unter
anderem von den Volumenströmen
der Reaktionsfluide ab, die wiederum in grober Näherung proportional zur Leistungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels bzw. des Brennstoffzellensystems sind.
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Andererseits
ist ein zu hoher Druckgradient unerwünscht, weil er aufgrund der
hierzu zu leistenden Kompressionsarbeit der entsprechenden Komponenten
im Brennstoffzellensystem zu parasitären Verlusten führt und
dadurch den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt. Üblicherweise
wird daher das Flow-Field hinsichtlich des Druckabfalls auf einen
bestimmten Auslegungspunkt so optimiert, dass Zuverlässigkeit
und Wirkungsgrad in einem möglichst
ausgewogenen Verhältnis
stehen.
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Gerade
bei automotiven Anwendungen werden zusätzliche Anforderungen an die
Lastspreizung des Brennstoffzellensystems gestellt. So sollte das Übersetzungsverhältnis bei
einem modernen Brennstoffzellensystem mindestens 1:100 betragen.
Außerdem
muss das Brennstoffzellensystem über
den ganzen Lastbereich mit möglichst
hoher Effizienz und Zuverlässigkeit
arbeiten. Es ist offensichtlich, dass im dynamischen Betrieb der
Auslegungspunkt nur selten eingehalten werden kann und man sich
fast permanent außerhalb
des Optimums an Effizienz und Zuverlässigkeit bewegt. Bei hoher
Belastung bzw. hohem Volumenstrom und damit hohem Druckabfall wird
eine gute Gleichverteilung der Reaktionsfluide erreicht, wobei sich
jedoch der Wirkungsgrad verschlechtert. Bei niedriger Belastung
sind die parasitären
Verluste gering, der Brennstoffzellenstapel neigt jedoch zu instabilen
Betriebszuständen,
da die Reaktionsfluide sich ungleichmäßig verteilen und z.B. Produktwasser
aus dem Brennstoffzellenstapel unzulänglich ausgetragen wird, so
dass einzelne Kanäle blockiert
werden können.
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Zur
Verbesserung der Verteilung der Reaktionsfluide wird daher in der
DE 10236998 A1 vorgeschlagen,
zur selbsttätigen
Steuerung eines Fluidstroms mindestens ein den Strömungsquerschnitt veränderndes
bimetallisches Element in einen oder mehrere Kanäle zu integrieren, das abhängig von
einer Betriebstemperatur den Kanalquerschnitt verändert.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung einer Separatorplatte für einen
Brennstoffzellenstapel, die eine verbesserte Lastspreizung eines
Brennstoffzellensystems ermöglicht,
sowie eines entsprechenden Brennstoffzellenstapels und eines Verfahrens
zum Betreiben desselben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Separatorplatte
eines Brennstoffzellenstapels weist jeweils eine Trennwand zwischen
Kanälen
für ein
erstes und ein zweites Fluid auf, wobei die Trennwand im Rahmen
von im Betrieb aufgebrachten Betriebsdrücken flexibel ausgebildet ist.
Dadurch können
die Kanäle
reversibel verformt werden, indem beispielsweise ein Kanal aufgeweitet
wird, während
sein angrenzender Nachbarkanal komprimiert wird. Bei einer Kanalstruktur entsprechend
einem Flow-Field ist eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten
Kanälen
mit Trennwänden
vorgesehen. Die Separatorplatte kann vorzugsweise als Bipolarplatte
mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite ausgebildet sein,
welche an eine Anodenseite oder eine Kathodenseite einer Brennstoffzellenmembran
oder einer Membran-Elektroden-Einheit angrenzt. Die Separatorplatte
kann auch als Endplatte ausgebildet sein, die nur an eine Anode
oder eine Kathode angrenzt. Durch die flexible Trennwand können die
Kanalquerschnitte durch die Wahl eines geeigneten Innendrucks in
den Kanälen für eines
der Fluide und/oder auch Kompressionsdrücken auf die Separatorplatte
verändert
werden. Ein Druckniveau beispielsweise eines Kühlfluids, insbesondere von
Kühlwasser,
kann vom Fluiddurchsatz durch die entsprechenden Kanäle entkoppelt
werden.
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Bevorzugt
kann ein Querschnitt von Kanälen des
ersten Fluids durch eine Expansion der das zweite Fluid führenden
Kanäle
einstellbar sein. Vorzugsweise ist das erste Fluid ein Reaktionsmedium
und das zweite Fluid ein Kühlfluid,
insbesondere Wasser. Günstigerweise
kann dann beispielsweise über
die Einstellung eines Kühlwasserdrucks
der Kanalquerschnitt der Kanäle
zur Führung
von Oxidationsmittel und/oder Reduktionsmittel verändert werden.
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Vorteilhaft
können
die Kanäle
in einem flexiblen Blech ausgebildet sein, wobei das Blech so ausgelegt
ist, dass bei hoher Leistungsabgabe eine auf die Kanäle lastende
Kompressionslast durch einen ersten Betriebsdruck des zweiten Fluids
gerade ausgeglichen ist. Ein bevorzugtes Material ist beispielsweise
ein korrosionsresistenter Federstahl mit Wandstärken zwischen 20 μm bis 100 μm, vorzugsweise um
etwa 50 μm.
Insbesondere bei einer Bipolarplatte lastet in einem Brennstoffzellenstapel
das Gewicht der an die Separatorplatte angrenzenden anodenseitigen
oder kathodenseitigen Gasdiffusionslagen. Üblicherweise ist die Brennstoffzellenmembran,
vorzugsweise eine Polymerelektrolytmembran, zwischen einer anodenseitigen
und einer kathodenseitigen Gasdiffusionslage angeordnet. Eine solche Membran-Elektroden-Einheit
ist dann im Brennstoffzellenstapel jeweils zwischen Separatorplatten,
insbesondere Bipolarplatten, angeordnet. Jedes Blech ist vorzugsweise
hinsichtlich seiner Dicke und Biegesteifigkeit so ausgelegt, dass
es einerseits im Betrieb flexibel ist, andererseits mit unterstützender
Wirkung des Innendrucks des zweiten Fluids, bevorzugt des Kühlwassers,
gerade die Kompressionslast der anodenseitigen oder kathodenseitigen
Gasdiffusionslage trägt.
Bei einer Bipolarplatte ist dies auf beiden Seiten der Platte der
Fall.
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Das
Blech kann zweckmäßigerweise
so ausgelegt sein, dass eine Stegbreite des Kanals im Wesentlichen
konstant bleibt. Dies bedeutet, dass sich die Stegbreite, vorzugsweise
am Boden des Kanals, um weniger als 10 % ändert, wenn der Innendruck des
zweiten Fluids und/oder eine Kompressionsbelastung des Brennstoffzellenstapels
gezielt geändert werden.
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Vorzugsweise
ist bei geringer Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels der
Querschnitt von Kanälen,
die Reaktionsfluide führen,
verkleinerbar. Hierzu kann ein Drosselventil vorgesehen sein, mit
dem der Druck des zweiten Fluids verändert werden kann, d.h. z.B.
bei geringer Leistungsabgabe vergrößert werden kann. Dadurch verformen
sich die Kanäle,
durch die das zweite Fluids fließt, derart, dass sich die Krümmungsradien
der ursprünglichen Kanalgeometrie
gleichmäßig aufweiten,
sich der Querschnitt also eher rundet. Dadurch verringert sich sowohl
die Kanaltiefe als auch die Kanalbreite der Kanäle des ersten Fluids. Der Strömungswiderstand dieser
Kanäle
erhöht
sich. Die Stegbreite bleibt praktisch unverändert. Damit einher geht ein
steigender Druckgradient, der zu einer besseren Gleichverteilung
des ersten Fluids, also des Oxidationsmittels und/oder des Reduktionsmittels,
führt.
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Bevorzugt
ist bei hoher Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels der Querschnitt
von Kanälen,
die Reaktionsfluide führen,
maximal. Dann ist vorteilhaft der Kanalquerschnitt groß und der
Druckabfall gering. Diese Geometrie ist vorteilhaft für hohen
Druckabfall und hohe elektrische Strombelastungen des Brennstoffzellenstapels
mit entsprechenden hohen Medienflüssen der Reaktionsfluide. Wärme aus
dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle kann zuverlässig abgeführt werden.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn sich zwei Bleche mit Kanälen gegenüberliegen und durch ein drittes
Blech getrennt sind, das zwischen ihren Flachseiten angeordnet ist.
Das dritte Blech ist vorzugsweise sehr dünn und reißfest ausgebildet. Bei einer
Druckänderung
beispielsweise des Kühlfluids ändert sich
dessen Form nicht. Dazu kann das dritte Blech im Einbauzustand auf
lateralen Zug belastet sein. Ohne dieses Blech sollte die Separatorplatte
mit einem geeigneten Rahmen versehen sein, der die Außenkontur
bei Druckänderungen
fixiert. Das Blech ermöglicht
auf einfache Weise, dass sich die Stegbreiten der Kanäle bei einer
Verformung von Kanälen,
welche das erste Fluid führen,
im Wesentlichen nicht ändern.
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Bevorzugt
kann im Einbauzustand der Querschnitt der Kanäle durch einen Innendruck eines
den beiden Blechen gemeinsamen Kühlfluids
veränderbar
sein.
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Ein
erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel
mit einer Separatorplatte, bei der wenigstens auf einer Plattenflachseite
Kanäle
zur Führung
eines ersten und eines zweiten Fluids vorgesehen sind, weist eine
Trennwand auf, mit der ein Kanal für das erste Fluid von einem
Kanal für
das zweite Fluid getrennt ist, wobei die Trennwand zwischen den
Kanälen
für das
erste und das zweite Fluid im Rahmen von im Betrieb aufgebrachten
Betriebsdrücken
flexibel ausgebildet ist. Bei einer Kanalstruktur entsprechend einem
Flow-Field ist eine Mehrzahl von nebeneinander alternierend angeordneten
Kanälen
mit Trennwänden
vorgesehen. Bei einer als Bipolarplatte ausgebildeten Separatorplatte
sind auf beiden Plattenflachseiten derartige Kanalstrukturen ausgebildet,
die auf der einen Seite für
Oxidationsmittel und Kühlfluid
und auf der anderen Seite für
Reduktionsmittel und Kühlfluid vorgesehen
sind. Oxidationsmittel und Reduktionsmittel bilden die Reaktionsfluide
für die
elektrochemische Brennstoffzellenreaktion.
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Abhängig von
einer Leistungsabgabe kann eine auf die Separatorplatte lastende
Kompressionslast einstellbar sein.
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Vorteilhaft
kann ein Drosselventil vorgesehen sein, das bei geringer Belastung
einen Druck eines Kühlfluids
gegenüber
einem Druck bei hoher Belastung erhöht.
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Weiterhin
können
Mittel zur Einstellung einer axialen Kompression des Brennstoffzellenstapels
abhängig
von der elektrischen Leistungsabgabe vorgesehen sein. Bei kleiner
Leistungsabgabe kann so, insbesondere bei erhöhtem Innendruck des Kühlfluids,
der Querschnitt der Kanäle
der Reaktionsfluide verkleinert werden.
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Zweckmäßigerweise
kann die Kompression bei geringer Leistungsabgabe höher sein
als bei hoher Leistungsabgabe. So kann die Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel
bei hoher Last zuverlässig
abgeführt
werden und ein Blockieren von Kanälen bei kleinen Leistungsanforderungen
vermieden werden.
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Besonders
vorteilhaft kann die axiale Kompression abhängig von einem Innendruck des
Kühlfluids
und/oder einem Druck eines Reaktionsfluids einstellbar sein.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, sieht vor, dass ein
Querschnitt von Kanälen
einer Separatorplatte belastungsabhängig über einen Innendruck eines durch
die Separatorplatte fließenden
Fluids eingestellt wird.
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Bevorzugt
kann der Innendruck erhöht
werden, wenn die Leistungsabgabe gering ist. Damit kann die Gleichverteilung
der Fluide in diesem Betriebszustand verbessert werden.
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Günstigerweise
kann der Brennstoffzellenstapel komprimiert werden, wenn die Leistungsabgabe
gering ist. Damit kann eine Verkleinerung der Kanalquerschnitte
von Reaktionsfluid führenden
Kanälen
unterstützt
werden.
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Zweckmäßigerweise
kann die Kompression abhängig
von einem Innendruck eines Kühlfluids
in der Separatorplatte und/oder einem Druck der Reaktionsfluide
eingestellt werden.
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine als bevorzugte, Bipolarplatte ausgebildete Separatorplatte
bei hoher Leistungsabgabe eines Brennstoffzellenstapels,
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2 einen
Schnitt durch die als Bipolarplatte ausgebildete Separatorplatte
aus 1 bei geringer Leistungsabgabe, und
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3 schematisch
einen bevorzugten Brennstoffzellenstapel mit einem regelbaren Drosselventil
zur Veränderung
eines Kühlwasserdrucks.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben
Bezugszeichen beziffert.
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1 zeigt
zur Erläuterung
der Erfindung eine bevorzugte, als Bipolarplatte ausgebildete Separatorplatte 10 eines
nicht näher
dargestellten Brennstoffzellenstapels. Die Separatorplatte 10 ist zwischen
einer anodenseitigen und einer kathodenseitigen Gasdiffusionslage 36, 56 angeordnet.
Deren Funktion und Aufbau ist dem Fachmann allgemein bekannt und
erfordert keine weiteren Erläuterungen.
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Die
Separatorplatte 10 weist eine erste und eine zweite Plattenflachseite 34, 54 auf,
die jeweils durch zwei Bleche 20, 40 mit Kanälen 30, 32 bzw. 50, 52 gebildet
sind. In der ersten Plattenflachseite 34 sind Kanäle 30, 32 im
ersten Blech 20, in der zweiten Plattenflachseite 54 Kanäle 50, 52 im
zweiten Blech 40 ausgebildet. Diese Kanäle 30, 32, 50, 52 dienen zur
Führung
eines ersten und eines zweiten Fluids, etwa Oxidationsmittel und
Kühlfluid
oder Reduktionsmittel und Kühlfluid.
Als Oxidationsmittel kann beispielsweise Luftsauerstoff, als Reduktionsmittel
beispielsweise Wasserstoffgas und als Kühlmittel beispielsweise Wasser
eingesetzt werden. Die Kanäle 32, 52 für das zweite
Fluid sind als Erhebungen 22, 42 in der jeweiligen
Plattenflachseite 34, 54 ausgebildet. Die Kanäle 30, 50 für das jeweils
erste Fluid auf der jeweiligen Plattenflachseite 34, 54 sind
dort als trogähnliche
Vertiefungen 24, 44 ausgebildet. Diese Kanäle 30, 50 sind
durch die jeweiligen Gasdiffusionslagen 36, 56 abgeschlossen,
welche jeweils an eine nicht dargestellte Brennstoffzellenmembran
angrenzen, während
die Kanäle 32, 52 des
zweiten Fluids innerhalb der Separatorplatte 10 zwischen
den beiden Blechen 20, 40 angeordnet sind.
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Auf
der einen Plattenflachseite 34 ist jeweils alternierend
ein Kanal 30 für
das erste Fluid durch eine Trennwand 26 von einem Kanal 32 für das zweite
Fluid getrennt. Auf der anderen Plattenflachseite 54 ist
jeweils alternierend ein Kanal 50 für das erste Fluid durch eine
Trennwand 46 von einem Kanal 52 für das zweite
Fluid getrennt. Die Kanäle 30, 32, 50, 52 sind
in an sich bekannter Weise für
ein Flow-Field zum Zuführen,
Zirkulieren und Abführen
der Fluide ausgebildet, bei dem eine Vielzahl von Kanälen für das jeweils
erste und das zweite Fluid alternierend nebeneinander angeordnet
sind. Die Kanäle 30, 32, 50, 52 sind
in dem flexiblen Blech 20 bzw. 40 ausgebildet,
das jeweils so ausgelegt ist, dass bei hoher Leistungsabgabe des
Brennstoffzellenstapels eine auf die Kanäle 30, 32, 50, 52 lastende
Kompressionslast durch einen ersten Betriebsdruck des zweiten Fluids
ausgeglichen ist. Das zweite Fluid ist insbesondere eine inkompressible
Flüssigkeit,
vorzugsweise Wasser.
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Die
Kanäle 32, 52,
welche das zweite Fluid führen,
sind durch ein dünnes,
vorzugsweise als Metallfolie ausgebildetes drittes Blech 60 getrennt,
welches zwischen den beiden Blechen 20, 40 angeordnet
ist.
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Die
Trennwände 26 zwischen
den Kanälen 30, 32,
bzw. die Trennwände 46 zwischen
den Kanälen 50, 52 für das erste
und zweite Fluid sind im Rahmen von im Betrieb aufgebrachten Betriebsdrücken flexibel
ausgebildet, wobei ein Querschnitt von Kanälen 30, 50 des
jeweiligen ersten Fluids durch eine Expansion der das zweite Fluid
führenden
Kanäle 32, 52 einstellbar
ist. Dies ist in 2 dargestellt.
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Deutlich
erkennbar ist die Verformung der Kanäle 30, 32 und 50, 52,
während
deren Stegbreiten 62, 64 der im Wesentlichen konstant
bleiben. Durch die Erhöhung
des Innendrucks des zweiten Fluids in den Kanälen 32, 52 wölben sich
die Erhebungen 22, 42 und breiten sich seitlich
in die Kanäle 30 bzw. 50 aus.
Das dritte Blech 60 bleibt unverformt. Dazu ist das dritte
Blech 50 im Einbauzustand zweckmäßigerweise auf lateralen Zug
belastet.
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Die
Kanäle 30 und 50 in
beiden Plattenflachseiten 34, 54 bzw. die Kanäle 32, 52 im
Inneren der Separatorplatte 10 sind sich gegenüberliegend
angeordnet.
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Bei
geringer Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels ist der Querschnitt
von Reaktionsfluide führenden
Kanälen 30, 50 verkleinert,
so dass deren Strömungswiderstand
und der Druckabfall erhöht
ist, was die Gleichverteilung der Fluide verbessert. Dagegen ist
bei hoher Leistungsabgabe der Querschnitt von Reaktionsfluiden führenden
Kanälen 30, 50 maximal
mit entsprechend kleinem Druckabfall.
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Dadurch,
dass das Druckniveau des zweiten Fluids, vorzugsweise Kühlwasser,
von seinem Durchsatz entkoppelt werden kann, können Reibungsverluste im Kreislauf
des zweiten Fluids gering gehalten werden, und die gewünschte Korrelation von
hoher elektrischer Strombelastung des Brennstoffzellenstapels mit
hohem Kühlwasserdurchsatz bei
großem
Kanalquerschnitt und geringem Kühlwasserdruck
(1) kann beibehalten werden.
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3 zeigt
grob schematisch einen bevorzugten Brennstoffzellenstapel 80,
der mit wenigstens einer der beschriebenen Separatorplatten 10 ausgestattet
ist. Dem Brennstoffzellenstapel 80 wird ein Oxidationsmittel
O2, ein Reduktionsmittel H2 als
erste Fluide sowie ein Kühlfluid
H2O als zweites Fluid zugeführt. Details
des zugeordneten Brennstoffzellensystems sind nicht dargestellt,
dem Fachmann jedoch geläufig.
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Um
den Innendruck des zweiten Fluids, insbesondere Kühlwasser,
gezielt verändern
zu können, ist
ein regelbares Drosselventil 70 vorgesehen, das den Innendruck
des zweiten Fluids von einem Durchsatz im Brennstoffzellenstapel 80 entkoppelt
und abhängig
von einer Leistungsabgabe die Kanäle 30, 32, 50, 52 verformt.
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Zusätzlich kann
eine auf die Separatorplatten 10 des Brennstoffzellenstapels 80 lastende
Kompressionslast eingestellt werden. Dazu sind nicht dargestellte
Mittel zur Einstellung einer axialen Kompression vorgesehen. Dabei
ist die Kompression bei geringer Leistungsabgabe höher als
bei hoher Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 80.
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Die
Kompression kann abhängig
von einem Innendruck des Kühlfluids
und einem Druck eines Reaktionsfluids eingestellt werden. Die einstellbare, an
die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 80 angepasste
Kompression sorgt für
eine stets gleichmäßige optimale
Kompression des Brennstoffzellenstapels 80 und damit der
Gasdiffusionslagen 36, 56 (1, 2).
Somit entfällt
das Risiko einer Ermüdung
der Gasdiffusionslagen 36, 56 aufgrund von Wechselbelastungen.
Ferner können
damit die elektrischen Kontaktwiderstände zwischen den Separatorplatten 10 und
den Gasdiffusionslagen 36, 56, die vom Anpressdruck
abhängen,
konstant auf niedrigem Niveau gehalten werden.