DE102020203066A1 - Bipolarplatte mit optimiertem Massenstrom - Google Patents

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Abstract

Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2), umfassend einen aktiven Bereich (4) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Verteilkanälen (6) zur Verteilung eines Fluids an eine Elektrodenfläche (20), einen Zuführbereich (8) mit einer Mehrzahl von Zuführkanälen (10) zur Zuführung des Fluids an die Verteilkanäle (6), einen Abführbereich (12) mit einer Mehrzahl von Abführkanälen (14) zur Abführung des Fluids aus den Verteilkanälen (6), wobei die Verteilkanäle (6) die gleiche Länge (L) aufweisen, wobei die einzelnen Zuführkanäle (10) und Abführkanäle (14) zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge (L) aufweisen und wobei die Verteilkanäle (6) sich hinsichtlich ihres hydraulischen Durchmessers (DH) zumindest teilweise unterscheiden, um innerhalb des aktiven Bereichs (4) einen im Wesentlichen konstanten Massenstrom zu gewährleisten.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einer massenstromoptimierten Bipolarplatte sowie einem Verfahren zur Optimierung eines Massenstromes innerhalb einer Bipolarplatte.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen die Reaktionsgase, wie bspw. Wasserstoff und Sauerstoff, in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt werden. Die Reaktionsgase werden hierbei über eine Polymermembran getrennt, die für die nötige Isolation sorgt. Eine Brennstoffzelle weist hierbei einen typischen symmetrischen Aufbau auf, in dem auf die Polymermembran folgend beidseitig je eine Katalysatorschicht und eine Gasverteilerschicht angeordnet ist, an die sich jeweils wiederum eine Bipolarplatte anschließt. Die innerhalb der Brennstoffzelle angeordneten Bipolarplatten erfüllen dabei mehrere Funktionen. Sie dienen zur elektrischen Verschaltung der Zellen, zur Zuführung und Verteilung der Reaktionsgase sowie als Kühlmittel. Insbesondere im Hinblick auf eine effektive und homogene Verteilung der Reaktionsgase über einen aktiven Bereich der Bipolarplatte hinweg besteht zurzeit noch Optimierungsbedarf.
  • Für eine möglichst optimale Verteilung der Reaktionsgase über einen aktiven Bereich hinweg ist es üblich, dass eine Bipolarplatte einen Zuführbereich mit Zuführkanälen, einen Abführbereich mit Abführkanälen sowie einen aktiven Bereich mit Verteilkanälen zur Verteilung der Reaktionsgase an eine Elektrodenfläche aufweist. Da es im Rahmen der Verteilung der Reaktionsgase jedoch zu thermischen und/oder chemischen Reaktionen kommen kann, können sich die Massenströme entlang des aktiven Bereichs lokal teilweise massiv unterscheiden.
  • Zwar ist es bspw. aus der Druckschrift DE 10 2014 206 682 A1 bekannt, die Länge der Zuführkanäle und/oder Abführkanäle zu modifizieren, um einen Druckverlust innerhalb der Verteilkanäle zu minimieren, jedoch hat sich gezeigt, dass eine derartige Modifikation, insbesondere hinsichtlich einer Optimierung eines Massenstroms innerhalb eines aktiven Bereichs einer Bipolarplatte, nicht ausreichend ist. Eine inhomogene Verteilung der Reaktionsgase führt dabei zu einer ineffektiven Umsetzung und somit zu einer verminderten Leistungsfähigkeit entsprechender Systeme. Neben einer verminderten Leistungsfähigkeit führt eine inhomogene Verteilung von Reaktionsgasen zudem zu einem erhöhten Verschleiß und zu höheren Wartungskosten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die erfindungsgemäße massenstromoptimierte Bipolarplatte dient insbesondere einer homogenen Verteilung der Reaktionsgase an die betreffenden Elektrodenflächen einer Brennstoffzelle, was sowohl einen effizienten Betrieb, als auch einen niedrigen Verschleiß ermöglicht. Im Rahmen der Erfindung ist hierbei insbesondere erkannt worden, dass hinsichtlich einer homogenen Verteilung der Reaktionsgase auf einen Massenstrom abgestellt werden muss und eine reine Betrachtung einer Druckdifferenz nicht ausreichend ist, da letztere zu anfällig hinsichtlich der Änderung anderer Größen ist. Zudem ist erkannt worden, dass eine Variation der Länge bzw. des Durchmessers von Zuführkanälen und Abführkanälen zur Gewährleistung einer homogenen Verteilung der Reaktionsgase entlang eines aktiven Bereichs nicht ausreichend ist.
  • Die erfindungsgemäße massenstromoptimierte Bipolarplatte umfasst hierbei einen aktiven Bereich mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Verteilkanälen zur Verteilung eines Fluids an eine Elektrodenfläche, einen Zuführbereich mit einer Mehrzahl von Zuführkanälen zur Zuführung des Fluids an die Verteilkanäle, einen Abführbereich mit einer Mehrzahl von Abführkanälen zur Abführung des Fluids aus den Verteilkanälen, wobei die Verteilkanäle die gleiche Länge aufweisen und wobei die einzelnen Zuführkanäle und Abführkanäle zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge aufweisen. Die massenstromoptimierte Bipolarplatte zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass die Verteilkanäle sich hinsichtlich ihres hydraulischen Durchmessers zumindest teilweise unterscheiden, um innerhalb des aktiven Bereichs einen im Wesentlichen konstanten Massenstrom zu gewährleisten.
  • Die erfindungsgemäße massenstromoptimierte Bipolarplatte kann vorzugsweise in einer Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Ebenso ist die Verwendung der Bipolarplatte als Gasverteilerplatte in Elektrolyseverfahren denkbar. Im Rahmen einer Verwendung der gegenständlichen Bipolarplatte in einem Brennstoffzellensystem kann die Platte vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen zum Einsatz kommen. Ebenso ist ein Einsatz in anderen brennstoffzellenangetriebenen Fortbewegungsmitteln oder auch stationären Systemen denkbar. Unter einem Fluid wird im Rahmen der Erfindung ein zumindest teilweise gasförmiges Medium verstanden, das im vorliegenden Fall vorzugsweise in Form von Wasserstoff oder Luft bzw. Sauerstoff gebildet sein kann. Unter einer Elektrodenfläche wird im Rahmen der Erfindung ferner die Fläche eines elektrischen Leiters (Anode oder Kathode) verstanden, der mit einem als Gegenelektrode (Anode oder Kathode) fungierenden anderen elektrischen Leiter in elektrischem Kontakt steht. Als Zuführbereich wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ein erster Bereich der Bipolarplatte bezeichnet, der vor einem aktiven Bereich angeordnet ist und insbesondere zur Zuführung des zu verteilenden Fluids in die Verteilkanäle des aktiven Bereichs dient. Die Zuführkanäle des Zuführbereichs können dabei vorzugsweise allesamt in einer den Zuführkanälen vorgeordneten Zuführkammer zusammengeführt sein. Als Abführbereich wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ferner ein dritter Bereich der Bipolarplatte bezeichnet, der nach einem aktiven Bereich angeordnet ist und insbesondere zur Abführung des zu verteilenden Fluids aus den Verteilkanälen des aktiven Bereichs dient. Die Abführkanäle des Abführbereichs können dabei vorzugsweise allesamt in einer den Abführkanälen nachgeordneten Abführkammer münden. Als aktiver Bereich wird erfindungsgemäß ferner der zwischen dem Zuführ- und dem Abführbereich angeordnete Bereich verstanden, der insbesondere der Verteilung der Fluide an die Elektrodenoberfläche dient. Es versteht sich, dass einzelnen Zu- und/oder Abführkanäle auch eine sehr ähnliche bzw. die gleiche Länge aufweisen können. Unter einem hydraulischen Durchmesser wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise der Quotient aus der vierfachen Querschnittsfläche (Aq) und dem benetzten Umfang (U) eines Zuführ-, Abführ-, oder Verteilkanals verstanden (DH = 4Aq/U) und ist ein Maß zur Berechnung eines Druckverlustes bzw. Durchsatzes in Kanälen, der herangezogen werden kann, wenn die Querschnittsform eines Kanals von einer Kreisform abweicht. Unter einem Massenstrom wird schließlich vorzugsweise die Masse eines Mediums, im vorliegenden Fall des Fluids, verstanden, die sich pro Zeitspanne durch einen gegebenen Querschnitt bewegt.
  • Im Rahmen einer besonders flexiblen Anpassung des Massenstroms innerhalb der Kanäle einer Bipolarplatte, insbesondere der Verteilkanäle im aktiven Bereich der Bipolarplatte kann gegenständlich vorgesehen sein, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle sich hinsichtlich ihres hydraulischen Durchmessers zumindest teilweise unterscheiden, um innerhalb des aktiven Bereichs einen im Wesentlichen konstanten Massenstrom zu gewährleisten.
  • Ebenso kann im Rahmen einer besonders flexiblen Anpassung des Massenstroms innerhalb der Verteilkanäle im aktiven Bereich der Bipolarplatte vorgesehen sein, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle und/oder die Verteilkanäle derart ausgestaltet und zueinander angeordnet sind, dass über eine Variation der Länge der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle sowie über eine Variation des hydraulischen Durchmessers der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle und/oder der Verteilkanäle ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle bei der Verteilung der Fluide über den aktiven Bereich gewährleistet ist.
  • Im Hinblick auf eine konstruktiv einfach und flexibel gestaltbare Variation der Länge der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ebenso vorgesehen sein, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle Verzweigungsstellen zur Variation ihrer Länge aufweisen, wobei die Verzweigungsstellen innerhalb oder außerhalb der Ebene der Verteilkanäle verlaufen. Die Verzweigungsstellen können somit bewusst in bestimmte Zu- und/oder Abführkanäle eingeführt werden, um vorzugsweise gezielt eine Massenstromverteilung innerhalb des aktiven Bereichs der Bipolarplatte zu beeinflussen, insbesondere zu steuern.
  • Im Rahmen einer exakt steuerbaren und konstruktiv einfach zu bewerkstelligenden Anpassung der Massenstromverteilung innerhalb des aktiven Bereichs der Bipolarplatte kann gegenständlich zudem vorgesehen sein, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle und/oder die Verteilkanäle eine variierende Querschnittsfläche zur Variation des hydraulischen Durchmessers aufweisen. Wie voranstehend bereits ausgeführt, ergibt sich der hydraulische Durchmesser (DH) eines Zuführ-, Abführ- oder Verteilkanals aus dem Quotienten der vierfachen Querschnittsfläche (Aq) und dem benetzten Umfang (U) (DH = 4Aq/U), sodass der hydraulische Durchmesser über eine variierende Querschnittsfläche variierbar ist.
  • Im Rahmen einer exakt steuerbaren und konstruktiv einfach zu bewerkstelligen Anpassung der Massenstromverteilung innerhalb des aktiven Bereichs der Bipolarplatte kann gegenständlich ebenso vorgesehen sein, dass die Zuführkanäle und/oder die Abführkanäle und/oder die Verteilkanäle einen variierbaren benetzbaren Umfang zur Variation des hydraulischen Durchmessers aufweisen. Der benetzbare Umfang kann hierbei bspw. über die äußere Kontur des betreffenden Zuführ-, Abführ- oder Verteilkanals variiert werden.
  • Um eine effektive Abführung von Wärme zu gewährleisten, ist es gegenständlich ebenfalls vorstellbar, dass ein Kühlsystem zur Abführung von Reaktionswärme vorgesehen ist, wobei das Kühlsystem vorzugsweise eine Mehrzahl von Kühlkanälen aufweist, wobei die Kühlkanäle insbesondere zwischen den Verteilkanälen und/oder zwischen den Zuführkanälen und/oder zwischen den Abführkanälen angeordnet sind.
  • Im Rahmen einer weiteren Möglichkeit der Unterstützung einer exakt steuerbaren und konstruktiv einfach zu bewerkstelligenden Anpassung der Massenstromverteilung innerhalb des aktiven Bereichs der Bipolarplatte kann gegenständlich zudem vorgesehen sein, dass das Kühlsystem derart ausgestaltet und innerhalb der Bipolarplatte angeordnet ist, dass über eine Variation der Kühlbedingungen innerhalb des Kühlsystems ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle bei der Verteilung der Fluide über den aktiven Bereich gewährleistet ist. Die Variation der Kühlbedingungen kann dabei vorzugsweise über eine Variation der Kühlmitteltemperatur oder des Kühlmitteldrucks vorgenommen werden. So können bspw. über eine Variation der Kühlmitteltemperatur oder des Kühlmitteldrucks bestimmte Bereiche der Bipolarplatte effektiver gekühlt werden, was dann zu einer Erhöhung des Massenstroms in den betreffenden Gebieten führen kann, sodass ein Massenstrom entsprechend angepasst werden kann.
  • Im Rahmen einer solchen Anpassung des Massenstroms innerhalb von bestimmten Bereichen der Bipolarplatte kann vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass eine Anordnung zur aktiven Anpassung eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle und/oder der Verteilkanäle vorgesehen ist, wobei die Anordnung vorzugsweise eine Ventilansteuerung umfasst. Über eine Ventilansteuerung kann somit eine einfache und exakt regulierbare, insbesondere zielgerichtete Anpassung vorgenommen werden. Hierzu kann ferner von Vorteil sein, wenn eine Detektionseinheit zur Erfassung eines Parameters zur Bestimmung eines aktuellen Massenstroms vorgesehen ist, wobei die Detektionseinheit vorzugsweise zumindest einen Sensor zur Erfassung eines solchen Parameters umfassen kann. Ebenso kann vorteilhafterweise eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung eines nötigen Anpassungszeitpunktes zur Anpassung eines Massenstroms auf Basis der von der Detektionseinheit erfassten Parameter und/oder eine Steuereinheit zur Ansteuerung einer Anpassung auf Basis des von der Verarbeitungseinheit bestimmten Anpassungszeitpunktes vorgesehen sein.
  • Alternativ zu einer aktiven Anpassung kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte derart ausgebildet ist, dass eine Anpassung eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle und/oder der Verteilkanäle automatisch erfolgt, wobei die Anpassung vorzugsweise über einen selbstregulierenden Regelkreis steuerbar ist. Ein solcher selbstregulierender Regelkreis kann bspw. derart ausgestaltet sein, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte zumindest teilweise in Form eines intelligenten Materials gebildet ist, das bspw. selbstständig, insbesondere temperaturgesteuert seinen Durchmesser derart ändert, dass eine automatische Anpassung eines Massenstroms innerhalb des aktiven Bereichs erzielbar ist.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Optimierung eines Massenstromes innerhalb einer Bipolarplatte, insbesondere einer voranstehend beschriebenen Bipolarplatte. Hierbei umfasst das Verfahren die Schritte eines Erfassens eines Parameters zur Bestimmung eines aktuellen Massenstroms mittels einer Detektionseinheit, eines Bestimmens eines nötigen Anpassungszeitpunktes zur Anpassung eines Massenstroms auf Basis der von der Detektionseinheit erfassten Parameter mittels einer Verarbeitungseinheit sowie eines Anpassens eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle und/oder der Abführkanäle und/oder der Verteilkanäle auf Basis des von der Verarbeitungseinheit bestimmten Anpassungszeitpunktes mittels einer Steuereinheit. Die Detektionseinheit, die Verarbeitungseinheit und die Steuereinheit können hierbei auch in Form eines selbstregulierenden Mechanismus gebildet sein, bei dem eine automatische Anpassung erfolgt.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Brennstoffzelle, umfassend eine Mehrzahl an voranstehend beschriebenen Bipolarplatten.
  • Darüber hinaus wird vorliegend ein Kraftfahrzeug, umfassend eine voranstehend beschriebene Brennstoffzelle, insbesondere umfassend eine Mehrzahl an voranstehend beschriebenen Bipolarplatten beansprucht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Stacks, umfassend eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Brennstoffzellen,
    • 2 eine schematische Darstellung der Verteilstruktur einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Draufsicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 3 a,b,c eine schematische Darstellung eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Bipolarplatte entlang der Schnittlinie X-X gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (a), einem zweiten Ausführungsbeispiel (b) und einem dritten Ausführungsbeispiel (c),
    • 4 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung eines Massenstroms innerhalb der Bipolarplatte.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Stacks 1, umfassend eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Brennstoffzellen 1'. Die Brennstoffzellen 1' weisen hierbei jeweils eine (hier nicht erkennbare) regelmäßige Anordnung, umfassend eine Polymermembran, eine beidseitig an die Polymermembran angeordnete Katalysatorschicht, eine jeweils an die Katalysatorschicht angeordnete Gasdiffusionsschicht sowie jeweils an die Gasdiffusionsschicht angeordnete Bipolarplatte 2 auf.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der Verteilstruktur einer Bipolarplatte 2 in einer Draufsicht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Gemäß 2 umfasst die erfindungsgemäße massenstromoptimierte Bipolarplatte 2 einen aktiven Bereich 4 mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Verteilkanälen 6 zur Verteilung eines Fluids an eine Elektrodenfläche 20, einen Zuführbereich 8 mit einer Mehrzahl von Zuführkanälen 10 zur Zuführung des Fluids an die Verteilkanäle 6, einen Abführbereich 12 mit einer Mehrzahl von Abführkanälen 14 zur Abführung des Fluids aus den Verteilkanälen 6, wobei die Verteilkanäle 6 die gleiche Länge L aufweisen und wobei die einzelnen Zuführkanäle 10 und Abführkanäle 14 zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge L aufweisen. Die erfindungsgemäße massenstromoptimierte Bipolarplatte 2 zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass die Verteilkanäle 6 sich hinsichtlich ihres hydraulischen Durchmessers DH zumindest teilweise unterscheiden, um innerhalb des aktiven Bereichs 4 einen im Wesentlichen konstanten Massenstrom zu gewährleisten.
  • Hierbei können die Zuführkanäle 10 und/oder die Abführkanäle 14 und/oder die Verteilkanäle 6 insbesondere so zueinander ausgestaltet sein, dass über eine Variation der Länge L der Zuführkanäle 10 und/oder der Abführkanäle 14 sowie über eine Variation des hydraulischen Durchmessers DH der Zuführkanäle 10 und/oder der Abführkanäle 14 und/oder der Verteilkanäle 6 ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle 6 bei der Verteilung der Fluide über den aktiven Bereich 4 gewährleistbar ist.
  • Zur Variation ihrer Länge L können die Zuführkanäle 10 und/oder die Abführkanäle 14 vorliegend nicht erkennbare Verzweigungsstellen aufweisen, die entweder innerhalb oder auch außerhalb der Ebene der Verteilkanäle 6 verlaufen können.
  • Bevorzugt ist für alle Zuführkanäle 10 der Quotient aus Länge L und hydraulischem Durchmesser DH konstant, also gleich groß. Besonders bevorzugt entspricht dabei weiterhin der hydraulische Durchmesser DH aller Verteilkanäle 6 am Eingang des aktiven Bereichs 4 dem hydraulischen Durchmesser DH des jeweils zugehörigen Zuführkanals 10; das heißt entlang des Strömungswegs des Fluids gibt es keinen Sprung der hydraulischen Durchmesser DH am Übergang von den Zuführkanälen 10 zu den Verteilkanälen 6.
  • Wie gemäß 2 erkennbar, weist die massenstromoptimierte Bipolarplatte 2 ferner ein Kühlsystem 22 zur Abführung von Reaktionswärme auf, das eine Mehrzahl von Kühlkanälen 24 umfasst, die nicht nur, wie vorliegend explizit dargestellt, innerhalb des aktiven Bereichs 4, sondern auch innerhalb des Zuführ- und Abführbereichs 8, 12 angeordnet sind.
  • Das Kühlsystem 22 ist hierbei vorliegend derart ausgestaltet und innerhalb der Bipolarplatte 2 angeordnet, dass über eine Variation der Kühlbedingungen innerhalb des Kühlsystems 22 ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle 6 bei der Verteilung der Fluide über den aktiven Bereich 4 gewährleistbar ist.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 2 entlang der Schnittlinie X-X gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (a), einem zweiten Ausführungsbeispiel (b) und einem dritten Ausführungsbeispiel (c).
  • Gemäß 3 ist erkennbar, wie anhand einer Variation einer variierenden Querschnittsfläche Aq bzw. eines variierenden benetzbaren Umfangs U der hydraulische Durchmesser DH geändert werden kann. Der hydraulische Durchmesser DH ist hierbei definiert als 4Aq/U.
  • Wie gemäß 3 erkennbar, kann der hydraulische Durchmesser DH hierbei über eine variierende Querschnittsfläche Aq, d.h. die geometrische Form, oder aber über eine veränderte Kontur angepasst werden, sodass über eine Anpassung dieser Parameter ein Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle 6 anpassbar ist, um einen homogenen Austausch der Fluide an eine Elektrodenfläche 20 zu gewährleisten. Neben einer Anpassung der Querschnittsfläche Aq bzw. des benetzten Umfangs U kann eine Anpassung des Massenstroms auch über Parameter des Kühlsystems 22 bzw. eine Anpassung der Kühlkanalgeometrie 24 erfolgen.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung eines Massenstroms innerhalb einer Bipolarplatte 2.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt hierbei ein Erfassen 30 eines Parameters zur Bestimmung eines aktuellen Massenstroms mittels einer Detektionseinheit, ein Bestimmen 32 eines nötigen Anpassungszeitpunktes zur Anpassung eines Massenstroms auf Basis der von der Detektionseinheit erfassten Parameter mittels einer Verarbeitungseinheit sowie ein Anpassen 34 eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle 10 und/oder der Abführkanäle 14 und/oder der Verteilkanäle 6 auf Basis des von der Verarbeitungseinheit bestimmten Anpassungszeitpunktes mittels einer Steuereinheit.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014206682 A1 [0004]

Claims (13)

  1. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2), umfassend: - einen aktiven Bereich (4) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Verteilkanälen (6) zur Verteilung eines Fluids an eine Elektrodenfläche (20), - einen Zuführbereich (8) mit einer Mehrzahl von Zuführkanälen (10) zur Zuführung des Fluids an die Verteilkanäle (6), - einen Abführbereich (12) mit einer Mehrzahl von Abführkanälen (14) zur Abführung des Fluids aus den Verteilkanälen (6), - wobei die Verteilkanäle (6) die gleiche Länge (L) aufweisen, - wobei die einzelnen Zuführkanäle (10) und Abführkanäle (14) zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge (L) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilkanäle (6) sich hinsichtlich ihres hydraulischen Durchmessers (DH) zumindest teilweise unterscheiden, um innerhalb des aktiven Bereichs (4) einen im Wesentlichen konstanten Massenstrom zu gewährleisten.
  2. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (10) und/oder die Abführkanäle (14) sich hinsichtlich ihres hydraulischen Durchmessers (DH) zumindest teilweise unterscheiden, um innerhalb des aktiven Bereichs (4) einen im Wesentlichen konstanten Massenstrom zu gewährleisten.
  3. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Zuführkanäle (10) der Quotient aus Länge (L) und hydraulischem Durchmesser (DH) gleich groß ist.
  4. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser (DH) der Verteilkanäle (6) am Eingang des aktiven Bereichs (4) dem hydraulischen Durchmesser (DH) des jeweils zugehörigen Zuführkanals (10) entspricht.
  5. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (10) und/oder die Abführkanäle (14) und/oder die Verteilkanäle (6) derart ausgestaltet und zueinander angeordnet sind, dass über eine Variation der Länge (L) der Zuführkanäle (10) und/oder der Abführkanäle (14) sowie über eine Variation des hydraulischen Durchmessers (DH) der Zuführkanäle (10) und/oder der Abführkanäle (14) und/oder der Verteilkanäle (6) ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle (6) bei der Verteilung der Fluide über den aktiven Bereich (4) gewährleistbar ist.
  6. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (10) und/oder die Abführkanäle (14) Verzweigungsstellen zur Variation ihrer Länge (L) aufweisen, wobei die Verzweigungsstellen innerhalb oder außerhalb der Ebene der Verteilkanäle (6) verlaufen.
  7. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (10) und/oder die Abführkanäle (14) und/oder die Verteilkanäle (6) eine variierende Querschnittsfläche (Aq) zur Variation des hydraulischen Durchmessers (DH) aufweisen.
  8. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (10) und/oder die Abführkanäle (14) und/oder die Verteilkanäle (6) einen variierbaren benetzbaren Umfang (U) zur Variation des hydraulischen Durchmessers (DH) aufweisen.
  9. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlsystem (22) zur Abführung von Reaktionswärme vorgesehen ist, wobei das Kühlsystem (22) vorzugsweise eine Mehrzahl von Kühlkanälen (24) aufweist, wobei die Kühlkanäle (24) insbesondere zwischen den Verteilkanälen (6) und/oder zwischen den Zuführkanälen (10) und/oder zwischen den Abführkanälen (14) angeordnet sind.
  10. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (22) derart ausgestaltet und innerhalb der Bipolarplatte (2) angeordnet ist, dass über eine Variation der Kühlbedingungen innerhalb des Kühlsystems (22) ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom innerhalb der Verteilkanäle (6) bei der Verteilung der Fluide über den aktiven Bereich (4) gewährleistbar ist.
  11. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (26) zur aktiven Anpassung eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle (10) und/oder der Abführkanäle (14) und/oder der Verteilkanäle (6) vorgesehen ist, wobei die Anordnung (26) vorzugsweise eine Ventilansteuerung (28) umfasst.
  12. Massenstromoptimierte Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (2) derart ausgebildet ist, dass eine Anpassung (34) eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle (10) und/oder der Abführkanäle (14) und/oder der Verteilkanäle (6) automatisch erfolgt, wobei die Anpassung (34) vorzugsweise über einen selbstregulierenden Regelkreis steuerbar ist.
  13. Verfahren zur Optimierung eines Massenstromes innerhalb einer Bipolarplatte (2), insbesondere einer Bipolarplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Erfassen (30) eines Parameters zur Bestimmung eines aktuellen Massenstroms mittels einer Detektionseinheit, - Bestimmen (32) eines nötigen Anpassungszeitpunktes zur Anpassung eines Massenstroms auf Basis der von der Detektionseinheit erfassten Parameter mittels einer Verarbeitungseinheit, - Anpassen (34) eines Massenstromes innerhalb der Zuführkanäle (10) und/oder der Abführkanäle (14) und/oder der Verteilkanäle (6) auf Basis des von der Verarbeitungseinheit bestimmten Anpassungszeitpunktes mittels einer Steuereinheit.
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