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Die Erfindung betrifft ein Kühlmedien-Verteilfeld einer Bipolarplatte, welches zwischen zwei miteinander verbundenen Halbplatten der Bipolarplatte angeordnet ist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Typischerweise ist es so, dass die Kanalstruktur eines Kühlmedien-Verteilfeldes einer Bipolarplatte so aufgebaut ist, dass über einen Durchbruch, den sogenannten Port, in der Bipolarplatte das Kühlmedium zu- und auf der anderen Seite der Bipolarplatte wieder abgeführt wird. Dabei ist es häufig so, dass die für die Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums genutzten Ports diagonal gegenüberliegend angeordnet sind. Auf die Ports folgen Verteilbereiche, welche beispielsweise eine Noppenstruktur oder andere Strömungsverteilstrukturen, wie Strömungsleitrippen oder dergleichen, aufweisen, um das Kühlmedium gleichmäßig auf ein rechteckiges Feld von parallel verlaufenden gleichlangen Kanälen aufzuteilen. Das Kühlmedium durchströmt dann diese Kanäle und nimmt Wärme aus dem Bereich der Halbplatten und hier insbesondere aus dem Bereich der Anoden- und Kathodenströmungsfelder auf und führt diese ab. Am Ausgang der einzelnen parallelen und gleichlangen Kanäle befindet sich wieder ein Verteilbereich, über welchen das Medium zu dem Abströmdurchbruch, also zu dem mit dem Rücklauf des Kühlkreislaufs verbundenen Port, geleitet und über diesen abgeführt wird.
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Prinzipiell hat sich dieser Aufbau so bewährt. In der Praxis wäre jedoch häufig eine größere Designfreiheit, insbesondere im Verteilbereich und gegebenenfalls eine daraus resultierende Verringerung der Baugröße bei gleichbleibenden Kühlungseigenschaften wünschenswert.
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Zum allgemeinen Stand der Technik kann auf die
DE 2 060 585 A1 hingewiesen werden. In dieser Offenlegungsschrift wird eine galvanische Zelle mit einer Verteileinrichtung für strömende Medien beschrieben. Die dort beschriebenen Verteilfelder dienen der Verteilung von Reduktionsmittel und Oxidationsmittel an die Elektroden. Sie können dabei parallele Kanäle aufweisen, welche in etwa rechteckig oder parallelogrammartig angeordnet sind, wie es in der genannten Schrift, und hier insbesondere im Anspruch 4, ausgeführt ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Kühlmedien-Verteilfeld, insbesondere in der oben genannten Art, gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern und insbesondere die Designfreiheit zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kühlmedien-Verteilfeld einer Bipolarplatte mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das Kühlmedien-Verteilfeld in der Ausführungsform gemäß der Erfindung weist, vergleichbar wie im oben dargelegten allgemeinen Stand der Technik, ein Strömungsfeld aus parallelen gleichlangen Kanälen auf, das an seinen jeweiligen Enden mit einem Verteilbereich in Verbindung steht, wobei die jeweiligen Verteilbereiche in die jeweiligen Durchbrüche, also den Zustromdurchbruch für ein zuströmendes Kühlmedium und den Abströmdurchbruch zum Abströmen des Kühlmediums aus dem Kühlmedien-Verteilfeld münden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass eine Verbindungslinie zwischen den Eingängen der parallelen gleichlangen Kanäle ebenso wie eine Verbindungslinie zwischen den Ausgängen der parallelen gleichlangen Kanäle in einem von 90° abweichenden Winkel zur Lauflänge der Kanäle verläuft. Die Kanäle sind also in der Art eines Parallelogramms angeordnet. Anders als im Stand der Technik ermöglicht dies eine entsprechend große Designfreiheit bei der Ausgestaltung der Verteilbereiche, da diese nun beispielsweise ebenfalls parallelogrammförmig ausgeführt werden können. Hierdurch ist es möglich, sie beispielsweise mit einer der entstehenden „Spitzen“ in den jeweiligen Zuström- oder Abströmdurchbruch hinein zu verschieben, um so insgesamt die Baulänge des Kühlmedien-Verteilfeldes zu reduzieren.
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Dieser Vorteil ergibt sich insbesondere dann, wenn gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee die Zustrom- und Abströmdurchbrüche diagonal versetzt in der Bipolarplatte angeordnet sind, da sich dann durch einen gleichartigen Versatz der parallelogrammartigen Anordnung des Strömungsfeldes und der Verteilbereiche auf beiden Seiten entsprechend die Spitzen der Verteilbereiche durch eine Verlagerung in die Ports hinein als Fläche der Verteilbereiche entsprechend einsparen lassen. Dies kann beispielsweise in einer Einsparung bei der Gesamtlänge der Bipolarplatte und damit letztlich bei der Leistungsdichte des Brennstoffzellenstacks einhergehen. Insbesondere erhöht es jedoch die Designfreiheit im Bereich der Bipolarplatte, in welchem die Verteilbereiche angeordnet sind. Insbesondere können benachbart zu den Zustrom- und Abströmdurchbrüchen für die anderen Medien, welche ihre Verteilfelder auf den gegenüberliegenden Flächen der jeweiligen Halbplatten der Bipolarplatte haben, und dem Verteilbereich Bereiche frei bleiben. Diese freibleibenden im Wesentlichen dreieckigen bzw. zwickelförmigen Abschnitte lassen sich nun für entsprechende Strukturen auf der Gegenseite nutzen. So können beispielsweise die dortigen Strukturen entsprechend tiefer ausgearbeitet werden, was insgesamt die Dicke der Halbplatten reduzieren kann, was ebenfalls zu einer Verbesserung der Leistungsdichte durch eine Einsparung von Bauraum und Material führt.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es dabei vor, dass die den Eingängen oder den Ausgängen der gleichlangen parallelen Kanäle abgewandten Seiten der Verteilbereiche, seitlich neben den jeweiligen Durchbrüchen, parallel zu der jeweiligen Verbindungslinie zwischen den Eingängen oder Ausgängen verlaufen. Die Verteilbereiche bleiben damit im Wesentlichen parallel und verringern ihre Breite mit zunehmender Durchströmung nicht. Dies stellt weiterhin eine sehr gleichmäßige Verteilung des Mediums ausschließlich aufgrund der in den einzelnen Kanälen verursachten Druckverluste sicher und erlaubt dennoch eine entsprechende Freiheit beim Design, insbesondere unter Verwendung der jetzt durch das Kühlmedien-Verteilfeld nicht genutzten freien Flächen durch die Verteilfelder der Anoden- und Kathodenseite der Bipolarplatte.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Kühlmedien-Verteilfeld auf der Halbplatte einer Bipolarplatte in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 einen Ausschnitt einer Bipolarplatte aus zwei Halbplatten in einer Schnittdarstellung; und
- 3 ein erfindungsgemäßes Kühlmedien-Verteilfeld auf einer Halbplatte einer Bipolarplatte.
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In der Darstellung der 1 ist ein mit 1 bezeichnetes Kühlmedien-Verteilfeld zu erkennen, welches auf einer mit 2.1 bezeichneten Halbplatte einer in 2 erkennbaren Bipolarplatte 3 ausgeführt ist. Die Halbplatte 2.1 wird mit einer weiteren Halbplatte 2.2 dabei zu der Bipolarplatte 3 komplettiert, wie es aus der Darstellung in 2 prinzipmäßig zu erkennen ist. Dies ist für den Fachmann soweit bekannt. Sind die Halbplatten 2 aus metallischem Material gefertigt, können diese beispielsweise miteinander verschweißt werden.
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Jede der Halbplatten 2 und somit auch die in 1 gezeigte Halbplatte 2.1 weist nun mehrere Durchbrüche 4, 5, 6 auf der einen Seite und Durchbrüche 7, 8, 9 auf der anderen Seite auf. Die Durchbrüche laufen durch alle Bipolarplatten 3 und Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels. Sind die Komponenten aufeinandergestapelt, so bilden die Durchbrüche 4 bis 9 jeweils durchlaufende Kanäle, um Medien zu- oder abzuführen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll über den Durchbruch 4 ein Kühlmedium zugeführt werden, weshalb der Durchbruch 4 nachfolgend auch als Zustromdurchbruch 4 bezeichnet wird. Das Kühlmedium strömt dann über einen Verteilbereich 10, welcher beispielsweise, wie hier dargestellt, mit Noppen oder auch mit Strömungsleitelementen oder dergleichen, versehen ist. Über diesen Bereich wird das Kühlmedium gleichmäßig verteilt und durchströmt dann parallele Kanäle 11 im eigentlichen Strömungsfeld 12 des Kühlmedien-Verteilfeldes 1. Die Gleichmäßigkeit der Durchströmung wird dabei durch den Druckverlust der einzelnen Kanäle 11 des Strömungsfeldes 12 erreicht.
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Im Anschluss an das Strömungsfeld 12 befindet sich ein weiter Verteilbereich 13, in welchem sich das Kühlmedium wieder sammelt, um dann durch den Durchbruch 7, welcher nachfolgend als Abströmdurchbruch 7 bezeichnet wird, wieder abzuströmen. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Durchbrüche 5 und 8 werden typischerweise für die Zufuhr von Luft auf eine in 2 erkennbare Kathodenseite 14 der Bipolarplatte 3 und die Durchbrüche 6 und 9 für die Zufuhr von Wasserstoff auf eine Anodenseite 15 verwendet. Der Aufbau kann dabei so sein, dass das zwischen den beiden Halbplatten 2.1, 2.2 liegende Kühlmedien-Verteilfeld durch einzelne Kanäle 11 und den in 1 gezeigten Strukturen aufgebaut ist und von einer ebenen Seite der oberen Halbplatte 2.2 abgedeckt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Kühlmedien-Verteilfeld in beiden Halbplatten 2 jeweils zur Hälfte ausgebildet ist und sich erst beim Zusammensetzen der Platten entsprechend komplettiert.
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In der Darstellung der 3 ist nun eine verbesserte Ausführung des Kühlmedien-Verteilfeldes 1 zu erkennen. Die Bezugszeichen stimmen dabei weitgehend mit den in 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen überein. Auch hier strömt das Kühlmedium, beispielsweise ein flüssiges Kühlmedium, über den Zustromdurchbruch 4 zu und gelangt dann in den Verteilbereich 10 der unteren Halbplatte 2.1. Die parallelen gleichlangen Kanäle 11 des Strömungsfeldes 12 sind dabei in der Art eines Parallelogramms angeordnet, sodass eine Verbindungslinie zwischen Eingängen der Kanäle auf der Seite des Verteilbereichs 10 bzw. des Zustromdurchbruchs 4 nicht mehr senkrecht zur Laufrichtung der Kanäle sondern in einem Winkel von hier beispielsweise ca. 60° dazu angeordnet sind. Vergleichbares gilt für die gegenüberliegende Seite, sodass sich aufgrund der parallelen gleichlangen Kanäle 11 ein Parallelogramm ergibt. Der Verteilbereich 10 und der Verteilbereich 13 sind dabei ebenfalls in der Art eines Parallelogramms ausgeführt, wobei eine der Spitzen des Aufbaus jeweils in den Durchbruch 4 bzw. den Durchbruch 7 ragt, sodass insgesamt Baulänge eingespart werden kann, da der Verteilbereich entsprechend kleiner dimensioniert wird, da ein Teil des Verteilbereichs innerhalb der Durchbrüche 4, 7 zu liegen käme und dementsprechend eingespart werden kann. Je nach Breite der Durchbrüche 4 und 7 quer zur Durchströmungsrichtung der Kanäle 11 und durch Beeinflussung des Winkels des Parallelogramms aus dem Strömungsfeld 12 und den Verteilbereichen 10, 13 lässt sich so bei weiterhin sehr guter Verteilung des Mediums auf die einzelnen Kanäle 11 der Bauraum, welcher für das Kühlmedien-Verteilfeld 1 benötigt wird, entsprechend optimieren.
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In jedem Fall bleiben Bereiche 16, 17 jeweils zwischen den Durchbrüchen 8, 9 und dem Verteilbereich 13 bzw. den Durchbrüchen 5, 6 und dem Verteilbereich 10 frei. Diese freibleibenden Bereiche 16, 17, welche im Wesentlichen dreieckig bzw. zwickelförmig ausgeführt sind, können nun genutzt werden, um die Designfreiheit entsprechend zu vergrößern und in ihrem Bereich insbesondere Aufgaben auf der gegenüberliegenden Seite der Halbplatte 2.1 unterzubringen. So könnte beispielsweise ein Verteilbereich für den Wasserstoff oder den Sauerstoff mit entsprechend tiefen Strukturen in diese Bereiche eingebracht werden, ohne dass dadurch die Gesamtdicke der Halbplatte 2.1 erhöht werden müsste, und insbesondere ohne dass die Dauerfestigkeit oder Dichtheit derselben reduziert wird. Die freibleibenden Bereiche ermöglichen so also eine hohe Designfreiheit. Die Ausgestaltung der Größe der Durchbrüche 4 bis 9, insbesondere der Durchbrüche 4 und 7 und die Wahl des Winkels des Parallelogramms gegenüber der Senkrechten erlauben außerdem eine Optimierung der Gesamtgröße der Bipolarplatte 3 bei weiterhin guter Durchströmung mit Kühlmedium. Alles in allem lässt sich durch das in 3 rein beispielhaft dargestellte Kühlmedien-Verteilfeld 1 also ein deutlicher Vorteil gegenüber dem Aufbau aus dem Stand der Technik erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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