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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit mindestens einer Kombination eines Einlassports und einem eine Mehrzahl von Kanälen aufweisenden Flussfeld zur Verbindung des ersten Einlassports mit einem Auslassport für einen ersten Reaktanten, wobei randseitig von mindestens einem der Flussfelder mindestens ein Bypasskanal vorliegt, wobei der Strömungswiderstand in dem Bypasskanal, unter Verzicht auf ein in den Querschnitt des Bypasskanals ragendes blockierendes Element, durch die Gestaltung des Bypasskanals bestimmt ist.
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Eine Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung gebildet aus einer protonenleitenden Membran, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist. In einer Brennstoffzellenvorrichtung sind in der Regel mehrere Brennstoffzellen linear zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, um eine ausreichend große Leistungsabgabe zu ermöglichen.
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Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten Reaktantengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über einen Kanal in die Platte geleitet, die unter Nutzung des Kanals oder einer Mehrzahl von Kanälen eine Verteilung der Reaktanten in einen aktiven Bereich bewirken soll, um mittels eines Flussfeldes die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen. Aufgrund der auf der ganzen Fläche des aktiven Bereichs ablaufenden chemischen Reaktion werden die frischen Reaktantengase immer weiter aufgebraucht, so dass die Partialdrücke der Reaktantengase vom Einlass zum Auslass hin abnehmen, während der Anteil der Produktgase ansteigt.
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Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatte durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien technisch dicht getrennt geführt werden müssen. Deshalb werden in der Regel zwei metallische Umformteile zu einer Bipolarplatte verschweißt, wobei aufgrund des Bauraumbedarfs rund um das aktive Flussfeld ein Überlappbereich vorgehalten werden muss, in dem wegen der Fertigungs- und Montagetoleranzen Hohlräume entstehen, durch welche Reaktantengase am Flussfeld vorbei strömen können, was durch blockierende Elemente für die Leckströme verringert werden soll. Da aber auch das Kühlmedium durch die Bipolarplatte strömt, muss bei dem Einsatz der blockierenden Elemente ein Kompromiss zwischen dem Vermeiden der Leckströme für die Reaktionsgase und das Kühlmedium eingegangen werden.
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In der
DE 10 2017 118 143 A1 ist in einem Umgehungskanal einer ersten Bipolarplatte eine Prägung als blockierendes Element ausgebildet, die die Richtung der Reaktionsmittelströmung stört und Turbulenzen sowie Druckerhöhungen bewirkt, die das Reaktionsmittel aus dem Umgehungskanal in eine Gasdiffusionsschicht umlenken, die zwischen der ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte angeordnet ist. Die
WO 2003/041199 A2 beschreibt eine Bipolarplatte aus einer elektrisch leitfähigen Platte, auf deren einen Seite ein erstes Flussfeld und auf deren anderen Seite ein zweites Flussfeld ausgebildet ist, und zwar derart, dass die Gestalt des ersten Flussfeldes und des zweiten Flussfeldes so gewählt ist, dass diese nicht direkt übereinanderliegen. Die Kanäle der Flussfelder sind zur Vergrößerung der Kanallänge mäanderförmig gestaltet. In der
US 2018/0342744 A1 ist der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels offenbart, bei dem Brennstoffzellen in mehreren Lagen zusammengefasst und zwischen Endplatten angeordnet sind. Zwischen jeder Endplatte und der benachbarten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels ist eine Zwischenplatte angeordnet, in der Verteilstrukturen für das Einleiten und das Ausleiten der Reaktionsgase ausgebildet sind. In der Zwischenplatte ist ein Bypass-Kanal ausgebildet, der gewunden von dem Einlassport zu dem Auslassport verläuft, um kondensiertes Wasser zu sammeln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte bereit zu stellen, bei der die Strömung durch einen Reaktionsgas-Bypass vereinfacht eingestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte 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 eingangs genannte Bipolarplatte bietet den Vorteil, dass zum einen durch das gezielte Zulassen von einem Massenstrom im Randbereich des Flussfeldes eine bessere Gleichverteilung erzielt wird und darüber hinaus eine Verringerung der Hohlräume gegeben ist, die von dem Kühlmittel durchströmt werden könnten. Daraus folgt eine Verringerung der thermischen Masse des Kühlmittels, also eine verringerte absolute Wärmekapazität des Kühlmittels in dem Brennstoffzellenstapel, so dass verbesserte Froststarteigenschaften gegeben sind. Auch können durch den Verzicht auf blockierende Elemente Bauraumvorteile erzielt werden. Schließlich ist eine Optimierung der unerwünschten Leckströme von den Reaktionsgasen und dem Kühlmittel möglich. Der Bypasskanal selbst verläuft in einem Bereich der Platte, der außerhalb des aktiven Bereichs liegt, in welchem die elektrochemische Reaktion abläuft.
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Besonders ausgeprägt sind diese Vorteile, wenn auf beiden Seiten beider Flussfelder jeweils ein entsprechend gestalteter Bypasskanal vorliegt.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die Länge des Bypasskanals vergrößert ist durch wiederholte Richtungsänderungen zwischen dem Einlassport und dem Auslassport, da so in einfacher und einfach zu fertigender Weise ein Parameter zur Einstellung des Strömungswiderstand zur Verfügung steht durch eine Vergrößerung der Kontaktfläche von der Strömung durch den Bypass-Kanal mit der Kanalwandung.
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Wiederum im Sinne einer vereinfachten Fertigung und einer Maximierung der Länge des Bypass-Kanals ist vorgesehen, dass die Richtungsänderungen regelmäßig verteilt zwischen dem Einlassport und dem Auslassport erfolgen und geformt sind entsprechend einer Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein Sägezahnprofil, ein Rechteckprofil, ein Doppelserpentinenprofil, ein Zungenprofil umfasst. Den Profilen ist gemeinsam, dass Richtungsänderungen der Strömung in dem Bypass-Kanal erzwungen werden, wobei jede Richtungsänderung den Strömungswiderstand erhöht, insbesondere wenn die Richtungsänderung große Winkel zwischen den Zweigen den Bypass-Kanals einschließt. Insbesondere das Doppelserpentinen-Profil mit der Grundform eines großen Omega stellt viele scharfe Richtungsänderungen auf kleinem Raum bei einer starken Vergrößerung der Länge des Bypass-Kanals bereit.
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Neben der Länge des Bypass-Kanals steht ein weiterer Parameter zur Erhöhung des Strömungswiderstandes zur Verfügung, so dass der Querschnitt des Bypasskanals geformt ist entsprechend einer Querschnittsgestalt, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein V-Profil, ein Rechteck-Profil, ein Halbkreis-Profil, ein Trapez-Profil, ein Hammerkopf-Profil umfasst. Diese Profile stellen insbesondere nicht das Maximum für den Kanalinhalt im Verhältnis zu seiner Wandfläche zur Verfügung, so dass durch die vergrößerte Wandfläche bei gegebenen Strömungsvolumen wiederum der Strömungswiderstand steigt.
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Insbesondere aus Fertigungsgründen können die Kanten der Profile mit Radien abgerundet sein.
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Der Erhöhung des Strömungswiderstandes dient auch, dass die Oberfläche in dem Bypasskanal aufgerauht ist, wobei dies durch eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder durch eine Beschichtung erzielt werden kann.
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Wenn der Bypasskanal zwischen dem Einlassport und dem Auslassport mindestens eine Verzweigung aufweist, dann ist auch der Strömungswiderstand erhöht, nämlich durch eine Vergrößerung der Wandfläche im Verhältnis zu dem Strömungsvolumen. Die Verzweigung kann in zwei, drei oder mehr Äste erfolgen und sich auch wiederholen.
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Einer Verbesserung der Kontrolle der Strömung durch den Bypass-Kanal dient, wenn der Beginn des Bypasskanals durch einen Abzweig aus einem Randkanal des Flussfeldes gebildet ist.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass der Beginn des Bypasskanals in einem Verteilbereich des Einlassports, stromauf des Flussfeldes gebildet ist. Dies dient insbesondere einer Steigerung der Länge des Bypass-Kanals und der Einleitung des Leckstromes, bevor dieser Bereiche erreicht, in denen er unerwünscht oder nachteilig ist.
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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 bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, dessen Brennstoffzellen Bipolarplatten aufweisen,
- 2 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte,
- 3 eine Draufsicht auf eine schematischen Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatte mit dem schematisch dargestellten Konzentrationsabfall des Reaktantengases in einem Flussfeld und angedeuteten Bypass-Strömen,
- 4 einen Querschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatte in Kanalrichtung des Flussfeldes,
- 5 eine der 4 entsprechende Darstellung einer Bipolarplatte mit einem Reaktionsgas-Bypass und einem Kühlmittel-Bypass,
- 6 ein Prinzipbild für die Ableitung des Reaktionsgas-Bypass aus einem Randkanal des Flussfeldes,
- 7 ein Prinzipbild für die Ableitung des Reaktionsgas-Bypass aus einem Verteilbereich,
- 8 ein Prinzipbild für den Beginn des Reaktionsgas-Bypass benachbart zu einem Mediumport für das Reaktionsgas,
- 9 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas-Bypass neben dem Flussfeld,
- 10 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas-Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungsform,
- 11 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas-Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungsform,
- 12 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas-Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungsform,
- 13 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Reaktionsgas-Bypass neben dem Flussfeld nach einer weiteren Ausführungsform,
- 14 eine der 9 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform mit Varianten hinsichtlich einer Verzweigung des Reaktionsgas-Bypass,
- 15 eine Darstellung der Varianten hinsichtlich des Querschnittsprofils des Reaktionsgas-Bypass.
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In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist.
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Der Brennstoffzellenstapel 2 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Dem Brennstoffzellestapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist die Brennstoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 in einem Wasserstofftank 5 bereitgehaltener Wasserstoff zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 10 übergeben, in denen Kanäle 11 ausgebildet und zu einem Flussfeld 12 zusammengefasst sind für die Verteilung der Gase an die Membran. Zusätzlich sind die Bipolarplatten 10 vorgesehen für die Durchleitung eines Kühlmediumkanales 19, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatten 10 sind in den 2 bis 4 gezeigt, wobei 2 für ein Medium die Einleitung durch einen Einlassport 13 zeigt mit der Übergabe an das Flussfeld 12 und die Ausleitung durch einen ersten Auslassport 14. Für den zweiten Reaktanten steht in vergleichbarer Weise die Rückseite der Bipolarplatte 10 zur Verfügung. Die Einlassports 13 können zusammen mit einem Mediumport 15 für das Kühlmittel in einem Einlassheader 16 zusammengefasst sein. Analog steht ein Auslassheader 17 zur Verfügung.
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Am Flussfeld 12 vorbei strömt ein Bypass-Strom, der auch durch Bypassblockierende Strukturen nicht vollständig unterbunden werden kann, deren Fertigung zusätzlichen Aufwand darstellt. Zur Vermeidung derartiger Bypassblockierender Strukturen ist bei einer aus der 5 ersichtlichen Bipolarplatte 10 die Gestaltung so getroffen, dass randseitig von mindestens einem der Flussfelder 12 mindestens ein Bypasskanal 18 vorliegt, wobei der Strömungswiderstand in dem Bypasskanal 18, unter Verzicht auf ein in den Querschnitt des Bypasskanals 18 ragendes blockierendes Element, durch die Gestaltung des Bypasskanals 18 bestimmt ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt auf beiden Seiten beider Flussfelder 12 jeweils ein entsprechend gestalteter Bypasskanal 18 vor.
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Dabei ist die Länge des Bypasskanals 18 vergrößert durch wiederholte Richtungsänderungen 20 zwischen dem Einlassport 13 und dem Auslassport 14, wobei die Richtungsänderungen 20 regelmäßig verteilt zwischen dem Einlassport 13 und dem Auslassport 14 erfolgen. In den 9 bis 13 sind unterschiedliche Richtungsänderungen 20 des Bypass-Kanals 18 gezeigt, die geformt sind entsprechend einer Form, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein Sägezahnprofil 21, ein Rechteckprofil 22, ein Doppelserpentinenprofil 23, ein Zungenprofil 24 umfasst. Der Winkel der Richtungsänderung 20 kann dabei gleichfalls variieren, so dass das Sägezahnprofil 21 beispielsweise symmetrisch als Zick-Zacklinie vorliegen kann. Das Zungenprofil aus 9 verbessert zudem die Froststarteigenschaften eines Brennstoffzellenstapels 2, da das Volumen für eine Kühlmitteldurchströmung zwischen einem Randkanal 25 des Flussfeldes 12 und dem Bypass-Kanal 18 reduziert ist und so die thermische Masse des Kühlmittels im Brennstoffzellenstapel 2 gering ist.
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In den Alternativen der 15 ist (von oben nach unten) der Querschnitt des Bypasskanals 18 geformt entsprechend einer Querschnittsgestalt mit einem V-Profil, einem Rechteck-Profil, einem Halbkreis-Profil, einem Trapez-Profil, einem Hammerkopf-Profil, wobei für eine vereinfachte Fertigung durch Umformprozesse die Kanten der Profile mit Radien abgerundet sind.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Oberfläche in dem Bypasskanal 18 aufgerauht ist.
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14 zeigt Alternativen, bei denen der Bypasskanal 18 zwischen dem Einlassport 13 und dem Auslassport 14 Verzweigungen 26 aufweist, nämlich eine Verzweigung 26 in zwei Äste (links), in drei Äste (mittig) oder eine wiederholte Verzweigung 26 in zwei Äste (rechts).
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Die 6 zeigt eine Variante, bei der der Beginn des Bypasskanals durch einen Abzweig 27 aus einem Randkanal 25 des Flussfeldes 12 gebildet ist, während die 7 und 8 darauf verweisen, dass der Beginn des Bypasskanals 18 in einem Verteilbereich 28 des Einlassports 13, stromauf des Flussfeldes 12 gebildet ist mit unterschiedlichen Annäherungen an den Einlassport 13.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Kathodenfrischgasleitung
- 4
- Verdichter
- 5
- Wasserstofftank
- 6
- Kathodenabgasleitung
- 7
- Anodenrezirkulationsleitung
- 8
- Anodenfrischgasleitung
- 9
- Anodenabgasleitung
- 10
- Bipolarplatte
- 11
- Kanäle
- 12
- Flussfeld
- 13
- Einlassport
- 14
- Auslassport
- 15
- Mediumport
- 16
- Einlassheader
- 17
- Auslassheader
- 18
- Bypass-Kanal
- 19
- Kühlmediumkanal
- 20
- Richtungsänderung
- 21
- Sägezahnprofil
- 22
- Rechteckprofil
- 23
- Doppelserpentinenprofil
- 24
- Zungenprofil
- 25
- Randkanal
- 26
- Verzweigung
- 27
- Abzweig
- 28
- Verteilbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017118143 A1 [0005]
- WO 2003/041199 A2 [0005]
- US 2018/0342744 A1 [0005]
