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Die Erfindung betrifft eine Strömungsführungsplatte für eine elektrochemische Zelle sowie einen Plattenstapel einer elektrochemischen Zelle mit einer solchen Strömungsführungsplatte.
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Eine solche Strömungsführungsplatte weist einen flächigen Strömungsführungsbereich auf, in dem eine Strömungsführung angeordnet ist, die einen Medienzulauf strömungstechnisch mit einem Medienablauf verbindet. Durch die Strömungsführung soll ein fluides, insbesondere gasförmiges oder flüssiges Medium, insbesondere ein Kühlmittel oder ein Reaktionsmedium, welches an einer elektrochemischen Reaktion einer elektrochemischen Zelle teilnimmt, in welcher die Strömungsführungsplatte verwendet wird, möglichst gleichmäßig über den Strömungsführungsbereich und letztlich über die Fläche der Strömungsführungsplatte verteilt werden. Die Verteilung des Reaktionsmediums über die Strömungsführungsplatte soll bezüglich sowohl eines Mediendrucks als auch einer Medienkonzentration möglichst gleichmäßig sein, um eine möglichst hohe Effizienz und einen möglichst hohen Wirkungsgrad für die elektrochemische Zelle zu erzielen. Insbesondere sollen Energieströme über die Fläche der Strömungsführungsplatte möglichst gleichmäßig ausgestaltet sein.
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Typische Strömungsführungen verlaufen - gegebenenfalls mit einer Mehrzahl von Umlenkungen um bis zu 180° - im Wesentlichen diagonal über die Strömungsführungsplatte, wobei der Medienzulauf und der Medienablauf sich entlang einer Plattendiagonale gegenüberliegen. Hierbei tritt typischerweise ein hoher Druck- und Konzentrationsabfall diagonal über der Strömungsführungsplatte zwischen dem Medienzulauf und dem Medienablauf auf, was nachteilig für die Effizienz und den Wirkungsgrad einer elektrochemischen Zelle ist, welche die Strömungsführungsplatte aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsführungsplatte für eine elektrochemische Zelle sowie einen Plattenstapel mit einer Mehrzahl solcher Strömungsführungsplatten bereitzustellen, wobei die genannten Nachteile reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Strömungsführungsplatte bereitgestellt wird, bei welcher ein erster Strömungsführungsabschnitt der Strömungsführung von dem in einer Peripherie des Strömungsführungsbereichs angeordneten Medienzulauf zu einem Zentrum des Strömungsführungsbereichs führt, wobei der erste Strömungsführungsabschnitt in dem Zentrum in einen zweiten Strömungsführungsabschnitt der Strömungsführung übergeht, wobei der zweite Strömungsführungsabschnitt aus dem Zentrum zurück zu dem ebenfalls in der Peripherie des Strömungsführungsbereichs angeordneten Medienablauf führt. Alternativ führt der erste Strömungsführungsabschnitt von dem im Zentrum angeordneten Medienzulauf zu der Peripherie und geht in der Peripherie in den zweiten Strömungsführungsabschnitt über, der von der Peripherie zurück ins Zentrum und zu dem ebenfalls im Zentrum angeordneten Medienablauf führt. Der Medienablauf und der Medienzulauf sind also beide gemeinsam entweder in der Peripherie des Strömungsführungsbereichs oder im Zentrum des Strömungsführungsbereichs angeordnet. Die Strömungsführung verläuft jeweils vom Medienzulauf zu dem Medienablauf entweder aus der Peripherie ins Zentrum hinein und zurück in die Peripherie, oder aus dem Zentrum heraus in die Peripherie und wieder zurück in das Zentrum hinein, wobei eine Strömungsumkehr dort stattfindet, wo der erste Strömungsführungsabschnitt in den zweiten Strömungsführungsabschnitt übergeht, sodass das Medium insbesondere entgegen der Strömungsrichtung in dem ersten Strömungsführungsabschnitt zurückströmt zu dem im selben Bereich wie der Medienzulauf angeordneten Medienablauf. Dabei verlaufen der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt parallel zueinander. Vorteilhaft wird auf diese Weise insbesondere eine besonders gleichmäßige Druck- und Konzentrationsverteilung über dem Strömungsführungsbereich erzielt. Insbesondere sind in dem Strömungsführungsbereich sowohl im Zentrum als auch in der Peripherie Bereiche hohen Drucks und niedrigen Drucks, sowie hoher Konzentration und niedriger Konzentration angeordnet, sodass sich letztlich das Druck- und Konzentrationsniveau über den Strömungsführungsbereich mittelt. Im Ergebnis wird dadurch eine besonders hohe Effizienz und ein besonders hoher Wirkungsgrad für eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, welche die Strömungsführungsplatte aufweist.
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Unter einer elektrochemischen Zelle wird hier insbesondere eine Einrichtung verstanden, in der ein Medium elektrochemisch umgesetzt wird, entweder um durch die elektrochemische Umsetzung des Mediums elektrische Leistung zu erhalten, oder um durch Einsatz elektrischer Leistung mindestens ein bestimmtes Produkt aus der elektrochemischen Umsetzung zu erhalten. Die elektrochemische Zelle weist bevorzugt eine Mehrzahl galvanischer Einzelzellen auf, die elektrisch miteinander verschaltet sind. Die elektrochemische Zelle kann insbesondere als Brennstoffzelle ausgebildet sein: In diesem Fall wird ein Eduktmedium mit einem Oxidationsmittel elektrochemisch zu einem Produktmedium umgesetzt, insbesondere oxidiert, wobei elektrische Leistung erhalten wird. Als Eduktmedium kann insbesondere Wasserstoff, Methan, Methanol oder ein anderes geeignetes Eduktmedium verwendet werden. Die elektrochemische Zelle kann aber auch als Elektrolysezelle ausgebildet sein, wobei ein Eduktmedium durch Einsatz elektrischer Leistung elektrochemisch gespalten wird in zumindest zwei Produktmedien. Insbesondere kann Wasser als Eduktmedium in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Die elektrochemische Zelle kann insbesondere als Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membran - PEM), insbesondere mit Polymer-Elektrolyt-Membran, oder als keramische Brennstoffzelle, insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC), oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein.
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Die Strömungsführungsplatte ist bevorzugt eine Bipolarplatte, eine Teilplatte einer insbesondere aus zwei Teilplatten bestehenden Bipolarplatte, oder eine Monopolarplatte für die elektrochemische Zelle. Insoweit dient die Strömungsführungsplatte insbesondere der räumlichen Begrenzung einer galvanischen Zelle der elektrochemischen Zelle und vorzugsweise zugleich der elektrischen Kontaktierung benachbarter galvanischer Zellen. Eine Bipolarplatte kann insbesondere aus zwei aneinander anliegenden Teilplatten zusammengesetzt sein, wobei die eine Teilplatte der Bipolarplatte an einer einer galvanischen Zelle zugewandten Seite einen ersten Strömungsführungsbereich zur Führung eines Reaktionsmediums und an einer der anderen Teilplatte der Bipolarplatte zugewandten Seite einen zweiten Strömungsführungsbereich zur Führung eines Kühlmittels aufweisen kann. In diesem Fall ist es möglich, dass das Kühlmittel zwischen den Teilplatten einer aus zwei Teilplatten zusammengesetzten Bipolarplatte geführt wird.
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Das Zentrum des Strömungsführungsbereichs ist insbesondere ein zentraler Bereich des Strömungsführungsbereichs, wobei die Peripherie ein peripherer Bereich ist, der das Zentrum umgibt.
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Eine galvanische Zelle der elektrochemischen Zelle ist insbesondere begrenzt durch zwei Strömungsführungsplatten, zwischen denen eine Elektrolyteinrichtung angeordnet ist, beispielsweise eine Protonenaustauschmembran oder ein insbesondere keramischer Festelektrolyt. Die Elektrolyteinrichtung trennt die beiden Halbzellen der galvanischen Zellen voneinander. Zwischen der Elektrolyteinrichtung und den beiden Strömungsführungsplatten ist jeweils bevorzugt noch eine Gasdiffusionslage angeordnet, die zu einer besseren Verteilung der Reaktionsmedien über die Elektrolyteinrichtung beiträgt. Im Falle einer Brennstoffzelle wird über die Strömungsführungsplatte der einen Halbzelle das Eduktmedium zugeführt, beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol, wobei über die Strömungsführungsplatte der anderen Halbzelle das Oxidationsmittel, insbesondere Luft oder Sauerstoff, zugeführt wird. Die elektrochemische Reaktion wird bewirkt, indem Protonen durch die Elektrolyteinrichtung hindurchtreten und damit zwischen den Halbzellen wandern können, wobei der Elektronentransport über eine elektrische Verschaltung der Halbzellen, insbesondere über die Strömungsführungsplatten, die selbst elektrisch leitend sein können, oder über die dann bevorzugt entsprechend beschichtete Elektrolyteinrichtung erfolgt. Im Fall der Brennstoffzelle fällt das Produktmedium, nämlich Wasser, insbesondere in der kathodischen Halbzelle an, welcher die Strömungsführungsplatte zugeordnet ist, die das Oxidationsmittel führt. Über diese wird dann auch das Produktmedium abgeführt.
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Die Strömungsführung ist bevorzugt in die Strömungsführungsplatte eingetieft, insbesondere durch Umformen, insbesondere Prägen, oder durch spanende Bearbeitung, insbesondere Fräsen, eingebracht. Insbesondere ist die Strömungsführung bevorzugt als Nut ausgebildet.
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Der Medienzulauf und der Medienablauf sind bevorzugt als Durchbrechungen in der Strömungsführungsplatte ausgebildet, die im Folgenden auch als Funktionsdurchbrechungen bezeichnet werden. Diese Funktionsdurchbrechungen sind dann entsprechend strömungstechnisch mit der Strömungsführung verbunden.
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Es ist möglich, dass die Strömungsführungsplatte weitere Durchbrechungen aufweist. Insbesondere kann die Strömungsführungsplatte zusätzlich wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung aufweisen, durch die ein Medium durchleitbar ist, wobei die Durchtrittsdurchbrechung nicht mit einer Strömungsführung strömungstechnisch verbunden ist. Beispielsweise kann eine solche Durchtrittsdurchbrechung zur Durchleitung von Kühlmittel dienen, oder zur Durchleitung von einem Reaktionsmedium, welches nicht in eine Strömungsführung der Strömungsführungsplatte eingeleitet sondern beispielsweise zu einer anderen Strömungsführungsplatte weitergeleitet wird.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Strömungsführungsplatte wenigstens eine Montagedurchbrechung und/oder wenigstens eine Ausrichtdurchbrechung aufweisen, wobei die Montage- und/oder Ausrichtdurchbrechung dazu dienen kann, eine Mehrzahl von Strömungsführungsplatten relativ zueinander auszurichten und zu einem Plattenstapel zu montieren. Insbesondere ist es dann möglich, eine Mehrzahl von Strömungsführungsplatten hintereinander mit miteinander fluchtenden Ausrichtdurchbrechungen anzuordnen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt einander unmittelbar benachbart verlaufen. Dies bedeutet insbesondere, dass der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt nebeneinander her verlaufen, sodass insbesondere stets ein Bereich des zweiten Strömungsführungsabschnitts neben einem Bereich des ersten Strömungsführungsabschnitts angeordnet ist. Es ist allerdings möglich, dass der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt in Mündungsbereichen, wo der Medienzulauf in den ersten Strömungsführungsabschnitt mündet und wo der zweite Strömungsführungsabschnitt in den Medienablauf mündet, nicht unmittelbar benachbart verlaufen. Insbesondere verlaufen also der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt gegebenenfalls bis auf Mündungsbereiche einander unmittelbar benachbart, insbesondere nebeneinander her. Dies hat den Vorteil, dass stets Bereiche der Strömungsführung mit hohem Druck und hoher Konzentration solchen mit niedrigem Druck und niedriger Konzentration benachbart sind, sodass insbesondere über die Fläche des Strömungsführungsbereichs ein gleichbleibender Mittelwert von Druck und Konzentration, sowie bevorzugt auch der Medientemperatur, erreicht wird. Dies trägt in besonderer Weise zu einem effizienten Betrieb und einem hohen Wirkungsgrad der elektrochemischen Zelle bei.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Strömungsführungsabschnitt, ausgewählt aus dem ersten Strömungsführungsabschnitt und dem zweiten Strömungsführungsabschnitt, entlang seiner Erstreckung eine kumulierte Umlenkung von mehr als 180° aufweist. Bevorzugt weisen sowohl der erste Strömungsführungsabschnitt als auch der zweite Strömungsführungsabschnitt jeweils entlang ihrer Erstreckung eine kumulierte Umlenkung von mehr als 180° auf. Unter einer kumulierten Umlenkung wird insbesondere die Summe aus Umlenkungswinkeln verstanden, die der Medienstrom entlang der Strömungsführung in dem betrachteten Strömungsführungsabschnitt erfährt. Dabei werden Umlenkungen mit gleichem Umlenkungssinn, beispielsweise in Strömungsrichtung nach rechts, mit gleichem Vorzeichen und Umlenkungen mit entgegengesetztem Umlenkungssinn, beispielsweise in Strömungsrichtung nach links, mit gegensinnigem Vorzeichen betrachtet. Besonders bevorzugt weist der wenigstens eine Strömungsführungsabschnitt, ausgewählt aus dem ersten Strömungsführungsabschnitt und dem zweiten Strömungsführungsabschnitt, entlang seiner Erstreckung eine kumulierte Umlenkung von mindestens 360° auf. Bevorzugt weisen der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt gemeinsam entlang ihrer Erstreckung kumulierte Umlenkungen von mindestens 2 mal 360°, gegebenenfalls mit wechselndem Umlenkungssinn zwischen den kumulierten Umlenkungen, insbesondere zwischen dem ersten Strömungsführungsabschnitt und dem zweiten Strömungsführungsabschnitt, auf. Derart hohe kumulierte Umlenkungen erlauben in besonders geeigneter Weise einen verschachtelten Verlauf der Strömungsführung, was zu einer hohen Homogenität der Verteilung von Druck, Konzentration und bevorzugt auch Temperatur des Mediums über den Strömungsführungsbereich beiträgt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Strömungsführung spiralförmig ausgebildet ist. Insbesondere verlaufen dabei bevorzugt der erste Strömungsführungsabschnitt und der zweite Strömungsführungsabschnitt parallel zueinander, das heißt nebeneinander her, entlang einer gedachten Spiral-Linie oder entlang einer gedachten Spirale. Anders ausgedrückt ergibt sich bevorzugt eine Doppelspirale aus den beiden jeweils spiralförmig parallel zueinander verlaufenden Strömungsführungsabschnitten, die miteinander strömungstechnisch verbunden sind, nämlich dem ersten Strömungsführungsabschnitt und dem zweiten Strömungsführungsabschnitt. Die Spiralform der wenigstens einen Strömungsführung ermöglicht in besonders günstiger Weise eine homogene Verteilung insbesondere von Druck, Konzentration und/oder Temperatur eines Mediums über den Strömungsführungsbereich.
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Dass die wenigstens eine Strömungsführung spiralförmig ausgebildet ist, bedeutet insbesondere, dass sie die Form einer Spirale aufweist. Dabei kann es sich um eine gekrümmte Spirale, beispielsweise eine archimedische Spirale oder eine Spirale aus Kreisbögen, handeln. Eine gekrümmte Form der Spirale hat den Vorteil, dass keine Ecken auftreten, sodass unerwünscht hohe Gegendrücke im Bereich der Ecken und insbesondere ein hoher Druckverlust entlang der Strömungsführung vermieden wird. Insbesondere wird so der Druckverlust zwischen dem Medienzulauf und dem Medienablauf reduziert. Alternativ kann es sich um eine eckige Spirale, insbesondere um eine Spirale aus Strecken, handeln. Dies stellt eine besonders einfach herzustellende Geometrie dar. Besonders bevorzugt weist die wenigstens eine Strömungsführung die Form einer aus Strecken zusammengesetzten Spirale auf, wobei bevorzugt aufeinanderstoßende Strecken paarweise senkrecht aufeinander stehen.
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Insbesondere sind der Medienzulauf und der Medienablauf beide jeweils entweder - gemäß einer ersten Ausgestaltung - in der Peripherie, das heißt am Rand der Spirale, oder - gemäß einer zweiten Ausgestaltung - im Zentrum der Spirale angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Strömungsführungsbereich eine Mehrzahl von Strömungsführungen aufweist; die wenigstens eine Strömungsführung ist also in diesem Fall eine Mehrzahl von Strömungsführungen. Die Strömungsführungen des Strömungsführungsbereichs sind vorzugsweise ineinander geschachtelt angeordnet. Mit einer Mehrzahl von Strömungsführungen pro Strömungsführungsbereich und insbesondere mit einer Ineinanderschachtelung der verschiedenen Strömungsführungen kann eine ganz besonders gleichmäßige Verteilung insbesondere von Druck, Temperatur und/oder Konzentration des Mediums über den Strömungsführungsbereich erzielt werden.
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Besonders bevorzugt sind eine Mehrzahl von spiralförmigen Strömungsführungen ineinander geschachtelt, insbesondere indem jeweils eine äußere spiralförmige Strömungsführung eine innere spiralförmige Strömungsführung umgreift. Durch die Ineinanderschachtelung der verschiedenen Strömungsführungen sind dann insbesondere erste Strömungsführungsabschnitte und zweite Strömungsführungsabschnitte alternierend angeordnet, sodass sich über den gesamten Strömungsbereich effektiv Mittelwerte für insbesondere Temperatur, Druck und/oder Konzentration des Mediums einstellen.
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Bevorzugt ist zumindest zwei der Strömungsführungen ein gemeinsamer Medienzulauf zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest zwei der Strömungsführungen ein gemeinsamer Medienablauf zugeordnet. Es ist möglich, dass allen Strömungsführungen ein gemeinsamer Medienzulauf zugeordnet ist, wobei zugleich jeder Strömungsführung ein separater Medienablauf, oder zumindest zwei Strömungsführungen ein gemeinsamer Medienablauf zugeordnet sein kann. Es ist auch möglich, dass allen Strömungsführungen ein gemeinsamer Medienablauf zugeordnet ist, wobei jeder Strömungsführung separat ein Medienzulauf zugeordnet sein kann, oder wobei zumindest zwei Strömungsführungen ein gemeinsamer Medienzulauf zugeordnet sein kann. Es ist auch möglich, dass allen Strömungsführungen des Strömungsführungsbereichs sowohl ein gemeinsamer Medienzulauf als auch ein gemeinsamer Medienablauf zugeordnet sind. Auch ist es möglich, dass jeder Strömungsführung jeweils sowohl ein separater Medienzulauf als auch ein separater Medienablauf zugeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Querschnitt der wenigstens einen Strömungsführung sich in Strömungsrichtung von dem Medienzulauf zu dem Medienablauf verringert. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise insbesondere ein Druckverlust zwischen dem Medienzulauf und dem Medienablauf zumindest teilweise kompensiert oder zumindest verringert werden. Der Querschnitt der Strömungsführung ist dabei insbesondere der offene Durchtrittsquerschnitt für das in der Strömungsführung strömende Medium. Dieser Querschnitt kann auf verschiedene Weise verringert sein: Bevorzugt nimmt zumindest eine geometrische Dimension der Strömungsführung entlang von deren Verlauf von dem Medienzulauf zu dem Medienablauf ab. Insbesondere ist es möglich, dass eine Breite einer die Strömungsführung bildenden Nut von dem Medienzulauf zu dem Medienablauf hin abnimmt; alternativ oder zusätzlich kann eine Tiefe der Nut von dem Medienzulauf zu dem Medienablauf hin abnehmen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Strömungsführung genau eine Strömungsleitung aufweist. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung der Strömungsführung dar. Eine solche Strömungsleitung ist insbesondere eine Vertiefung in der Strömungsführungsplatte, insbesondere eine Nut. Alternativ ist es möglich, dass die wenigstens eine Strömungsführung eine Mehrzahl von Strömungsleitungen aufweist, wobei die Strömungsleitungen derselben Strömungsführung mit demselben Medienzulauf und mit demselben Medienablauf strömungstechnisch verbunden sind. Es ergibt sich demnach ausgehend von dem Medienzulauf eine Verzweigung innerhalb der Strömungsführung in die verschiedenen Strömungsleitungen, wobei diese in denselben Medienablauf münden. Vorzugsweise werden sie stromaufwärts des Medienablaufs zusammengeführt und miteinander zu einer in den Medienablauf mündenden Strömungsleitung vereinigt. Vorteilhaft ergibt sich eine höhere Anzahl an feineren Teil-Strömungsführungen, wenn die Strömungsführung eine Mehrzahl von Strömungsleitungen aufweist. Hierdurch kann insbesondere ein Festelektrolyt, beispielsweise eine Membran, besser abgestützt werden. Außerdem wird vorteilhaft eine gleichmäßigere Ionenverteilung im Festelektrolyt erreicht, was Überspannungen und Wirkungsgradverluste reduziert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsführungsplatte eine Mehrzahl von Strömungsführungsbereichen aufweist. Insoweit ist der wenigstens eine Strömungsführungsbereich demnach eine Mehrzahl von Strömungsführungsbereichen. Dies hat gegenüber einem einzigen, großen Strömungsführungsbereich auf der Strömungsführungsplatte den Vorteil, dass nicht ein einziges Paar oder wenige Paare von Medienzuläufen und Medienabläufen eng nebeneinander in einem bestimmten Bereich der Strömungsführungsplatte angeordnet werden müssen, sondern dass vielmehr eine Mehrzahl von Medienzuläufen und Medienabläufen verteilt über die Strömungsführungsplatte vorgesehen sein können. Dies erleichtert einen Anschluss der Medienzuläufe und Medienabläufe an den Endplatten eines die Strömungsführungsplatte aufweisenden Plattenstapels. Die Strömungsführungsbereiche einer Strömungsführungsplatte sind auf dieser bevorzugt nebeneinander oder übereinander angeordnet, insbesondere entlang von kartesischen Koordinaten, welche auf der Strömungsführungsplatte ein kartesisches Koordinatensystem aufspannen. Die Koordinatenachsen sind dabei bevorzugt jeweils parallel zu Kanten der Strömungsführungsplatte orientiert. Auf die so definierten kartesischen Koordinaten wird im Folgenden noch Bezug genommen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Medienzulauf und der Medienablauf der wenigstens einen Strömungsführung nebeneinander angeordnet sind. Dies hat den Vorteil einer besonders platzsparenden Konfiguration. Insbesondere sind der Medienzulauf und der Medienablauf bevorzugt unmittelbar einander benachbart angeordnet. Bevorzugt sind der Medienzulauf und der Medienablauf auf einer gleichen, insbesondere auf einer selben Seite des Strömungsführungsbereichs angeordnet. Eine Seite des Strömungsführungsbereichs ist dabei insbesondere der Bereich um eine gedachte Begrenzungskante oder neben einer gedachten Begrenzungskante des Strömungsführungsbereichs, insbesondere in Draufsicht auf den Strömungsführungsbereich rechts, links, oben, unten oder in einer Ecke.
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Alternativ sind der Medienzulauf und der Medienablauf der wenigstens einen Strömungsführung bevorzugt auf verschiedenen Seiten des Strömungsführungsbereichs angeordnet. Dies führt auch zu einer räumlichen Beabstandung der jeweiligen Anschlüsse, die dadurch einfacher zu montieren sind. Insbesondere können der Medienzulauf und der Medienablauf einander entlang einer der kartesischen Koordinaten der Strömungsführungsplatte einander gegenüberliegend, oder einander diagonal über dem Strömungsführungsbereich gegenüberliegend angeordnet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsführungsplatte eine Mehrzahl von Strömungsführungsbereichen aufweist. In diesem Fall ist demnach der wenigstens eine Strömungsführungsbereich eine Mehrzahl von Strömungsführungsbereichen. Jedem Strömungsführungsbereich sind zumindest ein Medienzulauf und zumindest ein Medienablauf zugeordnet, wobei entlang zumindest einer kartesischen Richtung auf der Strömungsführungsplatte, vorzugsweise entlang beider kartesischer Richtungen, zwischen zwei Medienzuläufen der Medienzuläufe jeweils ein Medienablauf der Medienabläufe angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen zwei Medienabläufen der Medienabläufe jeweils ein Medienzulauf der Medienzuläufe angeordnet. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die Medienzuläufe und Medienabläufe entlang der jeweiligen kartesischen Richtung gesehen alternierend angeordnet sind. Die Medienabläufe einerseits und die Medienzuläufe andererseits liegen also nicht direkt nebeneinander, das heißt es sind bevorzugt an keiner Stelle zwei Medienabläufe unmittelbar einander benachbart angeordnet, und es sind bevorzugt ebenso keine zwei Medienzuläufe unmittelbar einander benachbart angeordnet. Vielmehr wechseln sich bevorzugt Medienzuläufe und Medienabläufe ab. Diese Konfiguration trägt zusätzlich dazu bei, eine möglichst gleichmäßige Verteilung insbesondere von Druck, Konzentration und/oder Temperatur über der Strömungsführungsplatte zu erreichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsführungsplatte zusätzlich zu dem wenigstens einen Medienzulauf und dem wenigstens einen Medienablauf für ein Medium wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung für dasselbe Medium aufweist. Die Strömungsführungsplatte weist also außer den Funktionsdurchbrechungen, nämlich Medienzulauf und Medienablauf, für das Medium, das insbesondere ausgewählt ist aus einem Reaktionsmedium und einem Kühlmedium, wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung auf, wobei eine solche Durchtrittsdurchbrechung keine strömungstechnische Verbindung zu einem Strömungsführungsbereich auf der Strömungsführungsplatte aufweist. Während also eine Funktionsdurchbrechung mit einem Strömungsführungsbereich strömungstechnisch verbunden ist, weist eine Durchtrittsdurchbrechung keine solche Verbindung auf und dient lediglich zum Durchleiten eines Mediums durch die Strömungsführungsplatte, insbesondere zu einer anderen Strömungsführungsplatte. Dies hat den Vorteil, dass nicht alle Strömungsführungsplatten eines Plattenstapels von solchen Strömungsführungsplatten aus den gleichen Medienzuflüssen und Medienabläufen gespeist werden müssen. Dies könnte nämlich ansonsten insbesondere bei einem großen Plattenstapel dazu führen, dass die letzten Strömungsführungsplatten mit einem zu geringen Druck und/oder einer zu geringen Konzentration gespeist werden. Mittels der hier beschriebenen Ausgestaltung ist es möglich, das Medium einer bestimmten Strömungsführungsplatte über den wenigstens einen Medienzulauf zuzuführen, und zugleich das Medium einer anderen Strömungsführungsplatte über die Durchtrittsdurchbrechung zuzuführen, sodass separate Strömungskanäle für separate Strömungsführungsplatten gebildet werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung und der wenigstens eine Medienzulauf und/oder der wenigstens eine Medienablauf eine gleiche Querschnittsgröße und Querschnittsform aufweisen, wobei die Strömungsführungsplatte derart ausgebildet ist, dass - ausgehend von einer ersten Lage der Strömungsführungsplatte im Raum - nach einer Drehung der Strömungsführungsplatte um einen bestimmten Winkel, insbesondere um 90° oder um 180°, die Durchtrittsdurchbrechung in einer zweiten Lage der Strömungsführungsplatte im Raum an einem ersten Ort zu liegen kommt, an dem eine Funktionsdurchbrechung, ausgewählt aus dem Medienzulauf und dem Medienablauf, in der ersten Lage angeordnet ist, wobei die Funktionsdurchbrechung in der zweiten Lage an einem zweiten Ort zu liegen kommt, an dem die Durchtrittsdurchbrechung in der ersten Lage angeordnet ist. Dies ermöglicht ein abwechselndes Speisen von Strömungsführungsplatten aus verschiedenen Strömungskanälen dadurch, dass dieselbe Strömungsführungsplatte mehrfach verwendet, allerdings mit einer bestimmten Abfolge bezüglich ihrer Winkellage, insbesondere um 90° oder abwechselnd um 180°, gedreht eingebaut wird. In der ersten Lage einer Strömungsführungsplatte fluchtet dann beispielsweise deren Medienzulauf mit einem ersten Strömungskanal, wobei die Durchtrittsdurchbrechung mit einem zweiten Strömungskanal fluchtet, wobei in der zweiten, beispielsweise um 180° gewendeten Lage die Durchtrittsdurchbrechung einer anderen Strömungsführungsplatte mit dem ersten Strömungskanal fluchtet, und deren Medienzulauf mit dem zweiten Strömungskanal. Somit können für einen Plattenstapel Gleichteile verwendet werden, und gleichwohl können verschiedene Strömungsführungsplatten aus verschiedenen Strömungskanälen gespeist werden. Dass die Strömungsführungsplatte auf diese Weise ausgebildet ist, bedeutet insbesondere, dass die Durchtrittsdurchbrechung sowie der Medienzulauf und der Medienablauf in entsprechender Weise auf der Strömungsführungsplatte angeordnet sind, sodass sich die entsprechende Drehungseigenschaft oder Symmetrie ergibt. Die Drehung um den bestimmten Winkel ist bevorzugt vorgesehen um eine kartesische Achse, die entweder senkrecht auf der Strömungsführungsplatte steht, oder einer der kartesischen Richtungen der Strömungsführungsplatte entspricht. Insbesondere ist dies bevorzug eine kürzere Achse der Strömungsführungsplatte, insbesondere eine Hochrichtung der Strömungsführungsplatte. Je nach Bauart oder Geometrie der Strömungsführungsplatte kommen quasi beliebige Winkel, insbesondere aber bevorzugt ganzzahlige Teiler von 360° in Betracht, insbesondere 90° für beispielsweise quadratische Platten, oder auch 60° für hexagonale Platten, oder 45° für oktogonale Platten, usw. Auch kreisförmige Strömungsführungsplatten sind möglich, wobei insbesondere in diesem Fall sogar nicht-ganzzahlige Teiler von 360° möglich sind.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Plattenstapel einer elektrochemischen Zelle geschaffen wird, der eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Strömungsführungsplatten oder Strömungsführungsplatten nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Jede Strömungsführungsplatte der Mehrzahl von Strömungsführungsplatten weist als Durchbrechungen Funktionsdurchbrechungen in Form von wenigstens einem Medienzulauf und wenigstens einem Medienablauf auf, sowie wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung, die nicht strömungstechnisch mit einem Strömungsführungsbereich verbunden ist. Diese Durchbrechungen der Strömungsführungsplatten fluchten entlang einer Stapelrichtung des Plattenstapels miteinander, wobei die verschiedenen miteinander fluchtenden Durchbrechungen jeweils einen Strömungskanal für ein Medium entlang der Stapelrichtung bilden. Somit werden vorteilhaft verschiedene Strömungskanäle gebildet, wobei verschiedene Strömungsführungsplatten über ihren jeweiligen Medienzulauf aus verschiedenen Strömungskanälen versorgt werden können.
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Insbesondere fluchten die Durchbrechungen einander benachbarter Strömungsführungsplatten miteinander, insbesondere paarweise. Es ist möglich, dass sich entlang eines Strömungskanals Funktionsdurchbrechungen und Durchtrittsdurchbrechungen alternierend abwechseln. Es ist aber auch möglich, dass eine andere, insbesondere auch gruppenweise oder lockere Folge von Funktionsdurchbrechungen und Durchtrittsdurchbrechungen entlang eines Strömungskanals vorgesehen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich ein Strömungsquerschnitt von wenigstens einem Strömungskanal des Plattenstapels in Stapelrichtung verändert. Insbesondere ist es möglich, dass der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung eines Mediums durch den Strömungskanal gesehen abnimmt. Auf diese Weise kann ein Druckverlust entlang des Strömungskanals kompensiert werden.
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Unter einer Stapelrichtung wird hier insbesondere diejenige Richtung verstanden, entlang der die Strömungsführungsplatten hintereinander angeordnet, das heißt gestapelt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass entlang zumindest eines Strömungskanals sowohl Funktionsdurchbrechungen als auch Durchtrittsdurchbrechungen angeordnet sind. Insbesondere wechseln sich entlang des Strömungskanals Durchtrittsdurchbrechungen und Funktionsdurchbrechungen entweder gruppenweise oder alternierend ab. Bevorzugt sind entlang aller Strömungskanäle des Plattenstapels sowohl Funktionsdurchbrechungen als auch Durchtrittsdurchbrechungen angeordnet.
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Die miteinander fluchtenden Funktionsdurchbrechungen und die Durchtrittsdurchbrechungen bilden jeweils zusammen den Strömungskanal aus.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, dass der Plattenstapel baugleiche Strömungsführungsplatten aufweist, wobei die baugleichen Strömungsführungsplatten mit auf vorbestimmte Weise wechselnder Winkellage - insbesondere um die Stapelrichtung - hintereinander, vorzugsweise abwechselnd um 180° um eine vorbestimmte Achse gedreht, in dem Plattenstapel angeordnet sind. Dies stellt eine besonders kostengünstig und einfach aufzubauende Konfiguration des Plattenstapels dar, wobei gleiche Teile verwendet werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft in Zusammenhang mit Platten, die - wie oben ausgeführt - derart ausgebildet sind, dass - ausgehend von einer ersten Lage der jeweiligen Strömungsführungsplatte im Raum - nach einer Drehung derselben um einen bestimmten Winkel, insbesondere um 90° oder um 180°, eine Durchtrittsdurchbrechung in einer zweiten Lage der Strömungsführungsplatte im Raum an einem ersten Ort zu liegen kommt, an dem in der ersten Lage eine Funktionsdurchbrechung, ausgewählt aus einem Medienzulauf und einem Medienablauf, angeordnet ist, wobei eine Funktionsdurchbrechung in der zweiten Lage an einem zweiten Ort zu liegen kommt, an dem die Durchtrittsdurchbrechung in der ersten Lage angeordnet ist. Zumindest ein Strömungskanal eines solchen Plattenstapels weist dann auch entlang seiner Erstreckung sowohl Funktionsdurchbrechungen als auch Durchtrittsdurchbrechungen, vorzugsweise alternierend, auf. Insbesondere ergibt sich entlang der Stapelrichtung eine bestimmte Periodizität in der Winkellage der Strömungsführungsplatten um die Stapelrichtung, abhängig von dem bestimmten Winkel, wobei zum Beispiel jede vierte Strömungsführungsplatte wieder in derselben Winkellage angeordnet ist, wenn der bestimmte Winkel 90° beträgt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 6 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 7 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 8 eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 9 eine schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiel einer Strömungsführungsplatte;
- 10 eine schematische Darstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 11 eine schematische Darstellung eines elften Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 12 eine Detaildarstellung einer Strömungsführung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte;
- 13 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Plattenstapels einer elektrochemischen Zelle, und
- 14 eine schematische Darstellung eines zwölften Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte 1 für eine elektrochemische Zelle 3, wobei die Strömungsführungsplatte 1 einen flächigen Strömungsführungsbereich 5 aufweist, der ein Zentrum 7 und eine Peripherie 9 aufweist. In dem Strömungsführungsbereich 5 ist wenigstens eine Strömungsführung 11 angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Strömungsführungsbereich 5 genau drei Strömungsführungen 11 auf, nämlich eine erste Strömungsführung 11.1, eine zweite Strömungsführung 11.2, und eine dritte Strömungsführung 11.3. Jede der Strömungsführungen 11 verbindet einen Medienzulauf 13 mit einem Medienablauf 15 strömungstechnisch. Ein erster Strömungsführungsabschnitt 17 einer jeden Strömungsführung 11 führt von dem in der Peripherie 9 angeordneten Medienzulauf 13 zum Zentrum 7 und geht in dem Zentrum 7 in einen zweiten Strömungsführungsabschnitt 19 über, wobei der zweite Strömungsführungsabschnitt 19 aus dem Zentrum 7 zurück zu dem ebenfalls in der Peripherie 9 angeordneten Medienablauf 15 führt. Dies ist der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur für die erste Strömung 11.1 explizit dargestellt und mit Bezugszeichen versehen, ergibt sich aber in identischer Weise auch für die zweite Strömungsführung 11.2 und die dritte Strömungsführung 11.3.
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Alternativ ist es gemäß einer anderen Ausgestaltung auch möglich, dass der erste Strömungsführungsabschnitt 17 von dem im Zentrum 7 angeordneten Medienzulauf 13 zu der Peripherie 9 führt und in der Peripherie 9 in den zweiten Strömungsführungsabschnitt 19 übergeht, der dann aus der Peripherie 9 zurück zu dem ebenfalls im Zentrum 7 angeordneten Medienablauf 15 führt.
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Der erste Strömungsführungsabschnitt 17 und der zweite Strömungsführungsabschnitt 19 verlaufen parallel zueinander. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass stets ein Strömungsführungsabschnitt 17, 19 für ein Medium mit hohem Druck, hoher Konzentration und/oder niedriger Temperatur neben einem anderen Strömungsführungsabschnitt 17, 19 mit niedrigem Druck, niedriger Konzentration, und/oder hoher Temperatur liegt, sodass über die gesamte Fläche des Strömungsführungsbereichs 5, vorzugsweise über die gesamte Fläche der Strömungsführungsplatte 1, ein gleichbleibender Mittelwert und damit eine hohe Homogenität der entsprechenden Parameter erreicht wird.
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Die Strömungsführungsplatte 1 ist vorzugsweise eine Bipolarplatte, eine Monopolarplatte, oder eine Teilplatte einer Bipolarplatte.
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Die elektrochemische Zelle 3 ist vorzugsweise eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle.
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Die Strömungsführungen 11 sind vorzugsweise in die Strömungsführungsplatte 1 eingetieft, besonders bevorzugt als Nut ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass sie in die Strömungsführungsplatte 1 eingeprägt oder zerspanend hergestellt, insbesondere gefräst sind.
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Die Strömungsführungen 11 dienen insbesondere zur Durchleitung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere eines Reaktionsmediums oder eines Kühlmediums.
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Insbesondere verlaufen der erste Strömungsführungsabschnitt 17 und der zweite Strömungsführungsabschnitt 19 jeweils einander unmittelbar benachbart, insbesondere nebeneinander her.
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Insbesondere weisen der erste Strömungsführungsabschnitt 17 und/oder der zweite Strömungsführungsabschnitt 19 entlang seiner/ihrer Erstreckung eine kumulierte Umlenkung für den Medienstrom von mehr als 180° auf, vorzugsweise mindestens einmal 360°. Beispielsweise wird hier der Medienstrom entlang des ersten Strömungsführungsabschnitts 17 fünfmal um jeweils 90° umgelenkt, was einer kumulierten Umlenkung von 450° entspricht. Fasst man einen zentralen Überleitungsbereich 21 der Strömungsführung 11 als Übergangsbereich oder strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten Strömungsführungsabschnitt 17 und dem zweiten Strömungsführungsabschnitt 19 auf, weist hier auch der zweite Strömungsführungsabschnitt 19 fünf Umlenkungen um jeweils 90° auf. Es ist aber auch möglich, den Überleitungsbereich 21 gedanklich entweder dem ersten Strömungsführungsabschnitt 17 oder dem zweiten Strömungsführungsabschnitt 19 zuzuordnen, wobei sich dann die Anzahl der Umlenkungen um jeweils 90° für den betroffenen Strömungsführungsabschnitt 17, 19 ändert.
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Bei dem hier dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel ist den Strömungsführungen 11.1, 11.2, 11.3 ein gemeinsamer Medienzulauf 13 zugeordnet, wobei zugleich jeder der Strömungsführungen 11.1, 11.2, 11.3 ein separater Medienablauf 15.1, 15.2, 15.3 zugeordnet ist.
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Die Strömungsführungen 11 sind hier spiralförmig ausgebildet. Insbesondere weisen sie bei dem hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die Form einer aus Strecken zusammengesetzten, eckigen Spirale auf. Der Medienzulauf 13 und die Medienabläufe 15 sind hier gemeinsam am Rand der Spirale angeordnet.
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Die verschiedenen Strömungsführungen 11.1, 11.2, 11.3 sind hier ineinander geschachtelt angeordnet, wobei jeweils eine äußere, spiralförmige Strömungsführung 11 eine innere, spiralförmige Strömungsführung 11 umgreift.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Querschnitt der Strömungsführungen 11 sich in Strömungsrichtung von dem Medienzulauf 13 zu dem jeweiligen Medienablauf 15 verringert. Insbesondere kann/können sich eine Breite und/oder Tiefe einer die Strömungsführung 11 bildenden Nut in Strömungsrichtung von dem Medienzulauf 13 zu dem Medienablauf 15 verringern. Diese Verringerung kann insbesondere linear oder zumindest bereichsweise linear vorgesehen sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte 1.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass hier jeder der Strömungsführungen 11.1, 11.2, 11.3 sowohl ein separater Medienzulauf 13.1, 13.2, 13.3 als auch ein separater Medienablauf 15.1, 15.2, 15.3 zugeordnet sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Dabei ist hier allen Strömungsführungen 11.1, 11.2, 11.3 ein gemeinsamer Medienzulauf 13 zugeordnet, wobei der ersten Strömungsführung 11.1, und der zweiten Strömungsführung 11.2 ein gemeinsamer Medienablauf 15.1 zugeordnet ist. Separat davon ist der dritten Strömungsführung 11.3 ein eigener Medienablauf 15.2 zugeordnet.
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Selbstverständlich sind die hier dargestellten Zuordnungen von Medienzuläufen 13 und Medienabläufen 15 zu den Strömungsführungen 11 beispielhaft. Es sind selbstverständlich andere Zuordnungen möglich.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Dabei weist hier die Strömungsführung 11 die Form einer kontinuierlich gekrümmten Spirale, beispielsweise einer archimedischen Spirale, auf. Außer dem Medienzulauf 13 und dem Medienablauf 15 als Funktionsdurchbrechungen weist die Strömungsführungsplatte 1 hier zusätzlich auch Durchtrittsdurchbrechungen 23 auf, die nicht strömungstechnisch mit dem Strömungsführungsbereich 5 verbunden sind und insoweit insbesondere zur Durchleitung von Medium an eine andere Strömungsführungsplatte 1 innerhalb eines Plattenstapels aus Strömungsführungsplatten 1 dienen.
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Bei dem in 4 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel sind der Medienzulauf 13 und der Medienablauf 15 auf verschiedenen Seiten des Strömungsführungsbereichs - hier einerseits links oben und andererseits rechts oben - angeordnet.
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Die Ausgestaltung der Strömungsführung 11 als kontinuierlich gekrümmte Spirale vermeidet einen unerwünscht hohen Gegendruck entlang der Strömungsführung 11. Allerdings können auf diese Weise Ecken des Strömungsführungsbereichs 5 nicht durch die Strömungsführung 11 genutzt werden. Daher werden bevorzugt die Funktionsdurchbrechungen und/oder Durchtrittsdurchbrechungen 23 in den Ecken angeordnet.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Hier sind der Medienzulauf 13 und der Medienablauf 15 nebeneinander, insbesondere auf derselben Seite des Strömungsführungsbereichs 5 - hier rechts oben - angeordnet. Insbesondere wenn in den anderen Ecken des Strömungsführungsbereichs 5 jeweils zwei Durchtrittsdurchbrechungen 23 angeordnet sind, kann dieselbe Strömungsführungsplatte 1 zum Aufbau eines Plattenstapels verwendet werden, indem sie mit auf vorbestimmte Weise wechselnder Winkellage, das heißt hier jeweils in 90°-Schritten um eine auf der Bildebene von 5 senkrecht stehende Achse gedreht, hintereinander zu dem Plattenstapel angeordnet wird, wobei dann bevorzugt durch die miteinander fluchtenden Funktionsdurchbrechungen und Durchtrittsdurchbrechungen 23 jeweils ausgebildete Strömungskanäle mit verschiedenen Medien beaufschlagt werden, sodass auch die Strömungsführungen 11 der verschiedenen Strömungsführungsplatten 1 je nach deren Anordnung innerhalb des Plattenstapels mit verschiedenen Medien beaufschlagt werden.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Dabei sind hier zusätzliche Durchtrittsdurchbrechungen 23 außerhalb des Strömungsführungsbereichs 5 dargestellt, die insbesondere zur Durchleitung eines Kühlmediums dienen. Diese können in bevorzugter Ausgestaltung länglich und insbesondere rechteckförmig ausgebildet sein.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Dabei sind die zusätzlichen Durchtrittsdurchbrechungen 23 hier unterbrochen ausgebildet, sodass Platz für Montagedurchbrechungen 25, insbesondere für Verschraubungen, entsteht. Insbesondere mithilfe eines solchen Aufbaus kann die Fläche der Strömungsführungsplatte 1 ebenso gut ausgenutzt werden wie bei einer linearen oder rechteckigen Ausgestaltung der Strömungsführung 11.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Strömungsführungsplatte 1 eine Mehrzahl von - insbesondere nebeneinander und/oder übereinander angeordneten - Strömungsführungsbereichen 5 auf. Selbstverständlich ist die Anzahl der Strömungsführungsbereiche nicht auf die dargestellten vier Strömungsführungsbereiche 5 beschränkt. Es können vielmehr beliebig viele Strömungsführungsbereiche 5 auf der Strömungsführungsplatte 1 angeordnet werden. Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Strömungsführungsbereichen 5 auf der Strömungsführungsplatte 1 können insbesondere die Medienzuläufe 13 und die Medienabläufe 15 an Endplatten eines Plattenstapels weiter voneinander separiert und damit einfacher angeschlossen werden.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1. Dabei weist die Strömungsführungsplatte 1 hier eine Mehrzahl von Strömungsführungsbereichen 5 auf, wobei jedem Strömungsführungsbereich 5 zumindest ein Medienzulauf 13 und zumindest ein Medienablauf 15 zugeordnet sind, wobei entlang zumindest einer kartesischen Richtung x, y, hier insbesondere entlang zweier kartesischer Richtungen x, y, auf der Strömungsführungsplatte 1 zwischen jeweils zwei Medienzuläufen 13 ein Medienablauf 15 sowie zwischen jeweils zwei Medienabläufen 15 ein Medienzulauf 13 angeordnet ist. Die Medienzuläufe 13 und Medienabläufe 15 sind also entlang der beiden kartesischen Richtungen x, y jeweils alternierend angeordnet. Die beiden kartesischen Richtungen x, y stehen dabei senkrecht aufeinander und erstrecken sich in der Bildebene von 9 einerseits horizontal und andererseits vertikal. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine gleichmäßigere Verteilung insbesondere von Konzentration und Temperatur des Mediums erreicht werden kann, da nie zwei Zuflusskanäle und/oder Abflusskanäle nebeneinander liegen.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels der Strömungsführungsplatte 1, wobei bei a) eine erste Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels - quasi als Unterausführungsbeispiel - und bei b) eine zweite Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels - quasi als zweites Unterausführungsbeispiel - dargestellt ist. Die Strömungsführungsplatte 1 weist hier zusätzlich zu dem wenigstens einen Medienzulauf 13 und dem wenigstens einen Medienablauf 15 für dasselbe Medium außerdem wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung 23 auf, wobei die beiden Unterausführungsbeispiele gemäß a) einerseits und b) andererseits sich in der Zuordnung der Durchbrechungen als Funktionsdurchbrechungen, mithin Medienzuläufe 13 und Medienabläufe 15, und Durchtrittsdurchbrechungen 23 unterscheiden. Bevorzugt wird ein Plattenstapel aus diesen Strömungsführungsplatten 1 gebildet, indem Strömungsführungsplatten 1 gemäß den Ausgestaltungen nach a) und b) alternierend in dem Plattenstapel vorgesehen werden. So kann jede zweite Strömungsführungsplatte 1 jeweils aus denselben Strömungskanälen gespeist werden. Dadurch können insbesondere Druck und/oder Konzentration gesteigert werden, mit denen die letzten Strömungsführungsplatten 1 des Plattenstapels gespeist werden.
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11 zeigt eine schematische Darstellung eines elften Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte 1, die bei a) in einer ersten Lage, auch als erste Drehlage bezeichnet, und bei b) in einer um 180° um eine auf der Bildebene von 11 senkrecht stehende Achse gedrehten zweiten Lage, auch als zweite Drehlage bezeichnet, dargestellt ist. Auch hier weist die Strömungsführungsplatte 1 zusätzlich zu den Medienzuläufen 13 und den Medienabläufen 15 für dasselbe Medium Durchtrittsdurchbrechungen 23 auf. Dabei sind die Durchtrittsdurchbrechungen 23 und die Funktionsdurchbrechungen, die jeweils eine gleiche Querschnittsgröße und Querschnittsform aufweisen, derart auf der Strömungsführungsplatte 1 angeordnet, dass ausgehend von der ersten, bei a) dargestellten Drehlage der Strömungsführungsplatte 1 im Raum nach einer Drehung um 180° um die auf der Bildebene von 11 senkrecht stehende Achse die Durchtrittsdurchbrechungen 23 in der zweiten, bei b) dargestellten Drehlage an demjenigen Ort zu liegen kommen, an dem in der ersten Lage Funktionsdurchbrechungen angeordnet sind, wobei zugleich die Funktionsdurchbrechungen in der zweiten Lage an demjenigen Ort zu liegen kommen, an dem in der ersten Drehlage die Durchtrittsdurchbrechungen angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass in einem Plattenstapel aus den identisch ausgebildeten Strömungsführungsplatten 1 gemäß 11, bei dem jedoch die Strömungsführungsplatten 1 mit auf vorbestimmte Weise wechselnder Winkellage angeordnet, das heißt hier alternierend um 180° gedreht sind, jede zweite Strömungsführungsplatte 1 aus denselben Zuführungen gespeist werden kann, wobei aber - anders als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 - Gleichteile, also identische Strömungsführungsplatten 1, verwendet werden können, die nur alternierend gedreht oder gewendet angeordnet werden müssen.
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In Ergänzung können für eine möglichst gleichmäßige Medienversorgung entlang des Plattenstapels die Medienzuläufe 13 und Medienabläufe 15 nicht nur von einer Seite erfolgen, sondern von beiden Seiten.
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Auch muss die Abfolge der Strömungsführungsplatten 1 gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel nach 10 oder gemäß dem elften Ausführungsbeispiel gemäß 11 nicht notwendig alternierend erfolgen, vielmehr können die Strömungsführungsplatten 1 auch gruppenweise abwechselnd angeordnet sein. Auch dabei sind die Strömungsführungsplatten 1 mit vorbestimmt wechselnder Winkellage hintereinander angeordnet.
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12 zeigt eine schematische Detaildarstellung einer Strömungsführung 11 für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strömungsführungsplatte 1. Dabei weist die Strömungsführung 11 hier eine Mehrzahl von Strömungsleitungen 27, hier genau drei Strömungsleitungen 27, auf, die jeweils mit demselben Medienzulauf 13 und mit demselben Medienablauf 15 strömungstechnisch verbunden sind. Insbesondere verzweigt sich die Strömungsführung 11 stromabwärts des Medienzulaufs 13 in die drei Strömungsleitungen 27, wobei diese sich stromaufwärts des Medienablaufs 15 wieder vereinigen. Durch die entsprechend höhere Anzahl an feineren Strömungsleitungen 27 wird der Festelektrolyt einer elektrochemischen Zelle 3 besser abgestützt. Zudem wird eine gleichmäßigere Ionenverteilung im Festelektrolyt erreicht, was Überspannungen und somit Wirkungsgradverluste reduziert. Diese Ausgestaltung ist ohne weiteres auch anwendbar auf die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 11.
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Selbstverständlich ist es alternativ aber möglich, dass die Strömungsführung 11 genau eine Strömungsleitung 27 aufweist.
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Die Strömungsleitungen 27 sind bevorzugt als Vertiefungen, insbesondere als Nuten in der Strömungsführungsplatte 1 ausgebildet.
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13 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Plattenstapels 29 einer elektrochemischen Zelle 3, der eine Mehrzahl von Strömungsführungsplatten 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Jede Strömungsführungsplatte 1 weist dabei wenigstens einen Medienzulauf 13 und wenigstens einen Medienablauf 15 als Funktionsdurchbrechungen auf, sowie wenigstens eine Durchtrittsdurchbrechung 23, die nicht strömungstechnisch mit einem Strömungsführungsbereich 5 verbunden ist. Die Funktionsdurchbrechungen sowie die Durchtrittsdurchbrechungen 23 werden dabei gemeinsam auch als Durchbrechungen bezeichnet. Diese Durchbrechungen der Strömungsführungsplatten 1 fluchten entlang einer Stapelrichtung des Plattenstapels 29 miteinander, wobei die miteinander fluchtenden Durchbrechungen jeweils einen Strömungskanal 31 für ein Medium entlang der Stapelrichtung bilden. Die Stapelrichtung erstreckt sich in 13 entlang eines Pfeils P.
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Vorzugsweise sind entlang zumindest eines Strömungskanals 31 sowohl Funktionsdurchbrechungen als auch Durchtrittsdurchbrechungen 23 angeordnet.
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Vorzugsweise weist der Plattenstapel 29 baugleiche Strömungsführungsplatten 1 auf, wobei die baugleichen Strömungsführungsplatten 1 bevorzugt mit auf vorbestimmte Weise wechselnder Winkellage hintereinander, beispielsweise abwechselnd um 180° gedreht, in dem Plattenstapel 29 angeordnet sind. Insbesondere kann ein solcher Plattenstapel 29 aus einer Mehrzahl von Strömungsführungsplatten gemäß dem elften Ausführungsbeispiel nach 11 oder gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel nach 14, aber auch gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel nach 5 gebildet sein.
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14 zeigt noch eine schematische Darstellung eines zwölften Ausführungsbeispiels einer Strömungsführungsplatte 1, die bei a) in einer ersten Lage beziehungsweise Drehlage, bei b) in einer um 90° im Uhrzeigersinn um eine auf der Bildebene von 14 senkrecht stehende Achse gedrehten zweiten Drehlage, bei c) in einer um weitere 90°, relativ zu a) also um 180°, gedrehten dritten Drehlage, und bei d) in einer um weitere 90°, relativ zu a) also um 270°, gedrehten vierten Drehlage dargestellt ist. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind in 14 nur wenige Elemente zur Verdeutlichung exemplarisch mit Bezugszeichen versehen. Auch hier weist die Strömungsführungsplatte 1 zusätzlich zu den Medienzuläufen 13 und den Medienabläufen 15 für dasselbe Medium Durchtrittsdurchbrechungen 23 auf. Dabei sind die Durchtrittsdurchbrechungen 23 und die Funktionsdurchbrechungen, die jeweils eine gleiche Querschnittsgröße und Querschnittsform aufweisen, derart auf der Strömungsführungsplatte 1 angeordnet, dass ausgehend von der ersten, bei a) dargestellten Lage der Strömungsführungsplatte 1 im Raum nach einer Drehung um 90° um die auf der Bildebene von 14 senkrecht stehende Achse Durchtrittsdurchbrechungen 23 in der zweiten, bei b) dargestellten Lage an einem Ort zu liegen kommen, an dem in der ersten Lage Funktionsdurchbrechungen angeordnet sind, wobei zugleich die Funktionsdurchbrechungen in der zweiten Lage an einem Ort zu liegen kommen, an dem in der ersten Lage Durchtrittsdurchbrechungen 23 angeordnet sind, usw. Somit kann hier jede vierte Strömungsführungsplatte 1 aus denselben Zuführungen gespeist werden, wobei Gleichteile, also identische Strömungsführungsplatten 1, verwendet werden können, die nur in bestimmter Abfolge um einen bestimmten Winkel, hier 90°, gedreht oder gewendet angeordnet werden müssen.
