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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenplatte zur Zuführung eines Reaktanten an einen aktiven Bereich einer Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzellenplatte ist beispielsweise in der
DE 10 2016 121 954 A1 beschrieben und dient dazu, das Betriebsmedium, mithin also den Reaktanten der Brennstoffzellenreaktion, gleichmäßig über die elektrochemisch aktive Fläche zu verteilen.
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In der
DE 10 2012 007 375 A1 ist ein in eine Versorgungsleitung einer Brennstoffzelle eingebrachtes bewegliches Element beschrieben, das durch seine Bewegung einen durchströmbaren Querschnitt für den Gasstrom mehr oder weniger stark verengt, wobei das bewegliche Element sich dabei selbsttätig durch eine über die Strömung verursachte veränderliche Kraft und eine Gegenkraft hierzu pulsierend bewegt. Auch in der
US 4 556 172 A und in der
US 4 326 452 A ist jeweils ein Element gezeigt, welches selbsttätig die Richtung einer Gasströmung in einem Leitungsabschnitt ausrichtet und gegebenenfalls aufteilt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenplatte bereitzustellen, die eine optimierte Gasverteilung mit zugleich geringen Druckverlusten bei unterschiedlichen Lastpunkten des Brennstoffzellensystems bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenplatte ist insbesondere mit einem offen ausgestalteten Strömungsfeld an einer ersten Plattenfläche gebildet, welches aus einer Mehrzahl von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten, voneinander beabstandeten Strömungsführungselementen gebildet ist. Mindestens einem Strömungsführungselement ist ein in Abhängigkeit einer Lastanforderung an die Brennstoffzelle selbsttätig anpassbares Umlenkelement zur Umlenkung der Strömungsrichtung des Reaktantenstroms zugeordnet.
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Die Brennstoffzellenplatte verfolgt also den Ansatz einer offenen Verteilstruktur, wobei die Strömungsführungselemente beispielsweise in Form von im Querschnitt kreisrund oder im Querschnitt mehreckig gebildeten Noppen oder Stützen ausgebildet sind. Durch diese offenen, aber gleichzeitig gerichteten Verteilstrukturen wird eine gleichmäßige Verteilung des Reaktanten zum aktiven Bereich der Brennstoffzelle ermöglicht und gleichzeitig Bauraum und Gewicht im Vergleich zu den bekannten gerichteten Verteilstrukturen eingespart. Die Umlenkelemente können als Blechstreifen, sich verjüngend, als Leitschaufel oder als Leitflügel gebildet sein. Durch die Verstellbarkeit des mindestens einen Umlenkelements wird eine der Betriebssituation des Brennstoffzellensystems angepasste Strömungsverteilung über das Strömungsfeld der Brennstoffzellenplatte erreicht.
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Zur Ausrichtung und zur weitergehenden Gleichverteilung des Reaktantenstroms ist es von Vorteil, wenn das Umlenkelement derart ausgebildet und verstellbar ist, dass ein vom Umlenkelement ausgeübter Strömungswiderstand mit ansteigendem Reaktantenmassenstrom ebenfalls ansteigt. Mit anderen Worten ist dabei das Umlenkelement derart ausgebildet und verstellbar ist, dass eine vom Umlenkelement angeströmte projizierte Frontfläche proportional zum einwirkenden Reaktantenmassenstrom ist. In diesem Zusammenhang ist ferner von Vorteil, wenn das Umlenkelement in Abhängigkeit des dem Strömungsfeld zugeführten Reaktantenmassenstroms selbsttätig verstellbar ist.
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Für einen Aufbau mit geringer Komplexität ist ferner von Vorteil, wenn das Umlenkelement an dem Strömungsführungselement elastisch biegbar festgelegt ist.
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Es ist alternativ oder ergänzend sinnvoll, wenn das Umlenkelement an dem Strömungsführungselement drehbar gelagert ist. Auf diese Weise kann es betriebssicher zwischen seinen Schaltzuständen verstellt werden.
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Um die Brennstoffzellenplatte einfacher montieren zu können, ist es sinnvoll, wenn das Umlenkelement mehrteilig gestaltet ist. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, wenn das Umlenkelement aus einem eine Rückstellfeder bildenden ersten Teil und einem ein Leitelement bildenden zweiten Teil besteht.
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Eine betriebssichere Festlegung des Umlenkelements am Strömungsführungselement lässt sich dabei dadurch realisieren, dass der erste Teil des Umlenkelements und der zweite Teil des Umlenkelements das zugehörige Strömungsführungselement klammern.
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Es ist die Möglichkeit gegeben, dass mehr als zwei benachbarte Strömungsführungselemente vorhanden sind, welchen ein verstellbares Umlenkelement zugewiesen ist. Somit kann durch eine geeignete Konfiguration aller Umlenkelemente über das Strömungsfeld eine Art „Kette“ zur Ausrichtung bzw. Verteilung des Reaktantenstroms erzeugt werden. In diesem Zusammenhang ist es daher sinnvoll, wenn mehreren zueinander benachbarten Strömungsführungselementen jeweils ein Umlenkelement zugeordnet ist, und wenn die Umlenkelemente in ihrer ausgelenkten Form eine geschlossene Kette aus Umlenkelementen in dem Strömungsfeld bilden.
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Es ist sinnvoll, wenn eine an einer ersten Plattenkante ausgebildete Anordnung aus einer Mehrzahl an zueinander regelmäßig verteilten Einlässen vorhanden ist, und wenn sich die Anordnung nur teilweise entlang der ersten Plattenkante erstreckt. Auf diese Weise kann eine an den gegebenen Bauraum angepasste Brennstoffzellenplatte gebildet werden.
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Alternativ oder ergänzend ist eine an einer zweiten Plattenkante ausgebildete Anordnung aus einer Mehrzahl an zueinander regelmäßig verteilten Auslässen vorhanden, wobei sich die Anordnung im Wesentlichen vollständig entlang der zweiten Plattenkante erstreckt. Hierdurch wird eine verbesserte Verteilung des Reaktantenstroms erzielt. Die zweite Plattenkante liegt vorzugsweise der ersten Plattenkante gegenüber. Vorzugsweise bilden die erste Plattenkante und die zweiten Plattenkante die längeren Seiten einer rechteckigen Brennstoffzellenplatte.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenplatte mit einer ersten Schaltstellung der Umlenkelemente,
- 2 eine schematische Darstellung der Brennstoffzellenplatte aus 1 mit einer zweiten Schaltstellung der Umlenkelemente,
- 3 eine Detailansicht einer möglichen Ausgestaltung des Umlenkelements, und
- 4 eine weitere Detailansicht einer möglichen Ausgestaltung des Umlenkelements.
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1 zeigt eine Brennstoffzellenplatte 1 zur Zuführung eines Reaktanten zu einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle mit einer Anordnung 10 aus einer Mehrzahl von Einlässen 2 und einer Anordnung 11 aus einer Mehrzahl von Auslässen 3 sowie mit einem dazwischenliegenden Strömungsfeld 4, das an einer Plattenfläche 5 der Brennstoffzellenplatte 1 ausgeformt ist. Bei der hier gezeigten Anordnung 10 sind die Einlässe 2 regelmäßig zueinander verteilt, wobei sich die Anordnung 10 nur teilweise entlang einer ersten Plattenkante 8 erstreckt. Bei der hier gezeigten Anordnung 11 sind die Auslässen 3 regelmäßig zueinander verteilt, wobei sich die Anordnung 11 im Wesentlichen vollständig entlang der zweiten Plattenkante 9 erstreckt, welche der ersten Plattenkante 8 gegenüberliegt.
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Die Brennstoffzellenplatte 1 umfasst außerdem eine Mehrzahl von Strömungsführungen, die das offene ausgestaltete Strömungsfeld 4 bilden. Ein solches offen ausgestaltetes Strömungsfeld 4 zeichnet sich vorliegend durch regelmäßig angeordnete, voneinander beabstandete Strömungsführungselemente 6 aus, die insbesondere gleichmäßig über die Plattenfläche 5 verteilt sind.
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Zur betriebspunktabhängigen Vergleichmäßigung der Verteilung des Reaktantenstroms sind mehreren Strömungsführungselementen 6 Umlenkelemente 7 in Form von Leitschaufeln oder Leitelementen zugeordnet.
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Diese Umlenkelemente 7 sind derart ausgebildet, dass sie - betriebspunkt- oder massenstromabhängig - selbsttätig unterschiedliche Schaltzustände oder Konfigurationen einnehmen. Mit anderen Worten sind die Umlenkelemente in Abhängigkeit einer Lastanforderung an die Brennstoffzelle selbsttätig anpassbar und zwar derart, dass eine vom Umlenkelement 7 angeströmte projizierte Frontfläche im Wesentlichen proportional zum einwirkenden Reaktantenmassenstrom veränderlich ist. Je größer der Reaktantenmassenstrom ist, desto größer wird auch die angeströmte projizierte Fläche des Umlenkelements 7. Auf diese Weise lässt sich auch eine Kette 14 aus mehreren Umlenkelementen 7 bilden, um auch nicht aktiv angeströmte Kanäle der Brennstoffzellenplatte 1 mit einem Reaktantenteilstrom zu versorgen, wie in 2 zu erkennen ist.
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Wie sich anhand von 3 entnehmen lässt, kann das Umlenkelement 7 einteilig gebildet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Umlenkelement 7 an dem Strömungsführungselement 6 elastisch biegbar festgelegt. In dieser Konfiguration kann das Umlenkelement 7 aus einem Federblech bestehen, das sich bei steigendem Massenstrom selbsttätig auslenkt.
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Diese Umlenkelemente 7 können aber alternativ oder ergänzend auch drehbar an dem Strömungsführungselement 6 gelagert sein. Dies ist beispielhaft anhand von 4 zu erkennen. Das Umlenkelement 7 ist hierbei mehrteilig gestaltet aus einem eine Rückstellfeder umfassenden ersten Teil 12 und einem ein Leitelement bildenden zweiten Teil 13. Die gezeigte Variante umfasst den ersten Teil 12 des Umlenkelements 7, welcher das Strömungsführungselement 6 zusammen mit seinem zweiten Teil 13 klammerartig umgibt. Mit anderen Worten klammern also der erste Teil 12 und der zweite Teil 13 das zugehörige Strömungsführungselement 6.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenplatte 1 zeichnet sich durch eine verbesserte Gleichverteilung der Reaktantenströmung sowie durch einen geringen Druckverlust über ihr Strömungsfeld 4 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenplatte
- 2
- Einlass
- 3
- Auslass
- 4
- Strömungsfeld
- 5
- Plattenfläche
- 6
- Strömungsführungselement
- 7
- Umlenkelement
- 8
- erste Plattenkante
- 9
- zweite Plattenkante
- 10
- Anordnung (Einlässe)
- 11
- Anordnung (Auslässe)
- 12
- erstes Teil (Umlenkelement)
- 13
- zweites Teil (Umlenkelement)
- 14
- Kette
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016121954 A1 [0001]
- DE 102012007375 A1 [0002]
- US 4556172 A [0002]
- US 4326452 A [0002]
