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Die Erfindung betrifft einen Strömungsbereich einer Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Separatorplatte mit einem solchen Strömungsbereich.
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Separatorplatten für Brennstoffzellenstapel sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Häufig werden diese Separatorplatten als sogenannte Bipolarplatten ausgebildet, welche zusätzlich zu einer Funktion bezüglich der Verteilung der Medien auch die elektrische Kontaktierung mit übernehmen. Zum Verteilen der Medien auf den zwischen den Separatorplatten liegenden Membranelektrodenanordnungen dienen typischerweise Strömungsbereiche, welche für die Kathodenseiten und die Anodenseite auf den jeweiligen Oberflächen der Separatorplatten ausgebildet sind. Häufig ist es dabei so, dass diese Separatorplatten aus zwei Plattenhälften bestehen, welche flächig miteinander verbunden werden. In diesem Fall ist es so, dass typischerweise die Zufuhr der Medien zwischen den beiden Hälften und damit quasi im Inneren der Separatorplatte erfolgt. Das Kühlmedium strömt dann in ein im Inneren angeordnetes Strömungsfeld, die Edukte für die Anodenseite und die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömen über Durchbrüche in die jeweiligen Strömungsbereiche auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen der Separatorplatte. Diese Durchbrüche und damit letztlich die Strömungsfelder für die jeweiligen Medien sind dabei über Verbindungskanäle mit Medienöffnungen, sogenannten Ports, verbunden. Diese Verbindungskanäle liegen also beispielsweise bei einer aus zwei Hälften aufgebauten Separatorplatte im Inneren dieser Platte und enden zwischen den beiden Hälften in den Medienöffnungen. Ein beispielhafter Aufbau einer solchen Bipolarplatte ist in der
US 2007/0117001 A1 gezeigt. Bei einer einteilig ausgebildeten Separatorplatte können sie vergleichbar vorgesehen sein. Dann liegen sie gegenüber der Oberfläche einer weiteren Platte, so dass hierfür im Wesentlichen dasselbe gilt.
In der Praxis ist es nun problematisch, da sich, und dies betrifft vor allem die Medienöffnungen bzw. Ports zur Medienabfuhr, beim Abstellen des Brennstoffzellenstapels auskondensierte Feuchtigkeit im Bereich dieser Verbindungskanäle und insbesondere im Übergangsbereich zwischen den Verbindungskanälen und den Ports ansammeln kann. Durch Kapillarkräfte kann es dann zurück in die einzelnen Verbindungskanäle gesogen werden, wenn der Brennstoffzellenstapel im Stillstand ist. Kommt es dann zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, können die Verbindungskanäle durch Eis blockiert werden, was bei einem Widerstart des Brennstoffzellenstapels außerordentlich nachteilig wäre.
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Um diese Wasseransammlungen zu vermeiden schlägt die
US 8,501,364 B2 Fortsätze vor, welche dieses Wasser abführen. Die Fortsätze werden dabei in einzelne Verbindungskanäle eingelegt und ragen in einen durch die Medienöffnungen der aufeinander gestapelten Platten ausgebildeten Strömungskanal mit großem Querschnitt. Dort kann die Flüssigkeit dann entsprechend abgeführt werden. Der Aufbau ist dadurch außerordentlich aufwendig und durch die in den Strömungskanal ragenden Abschnitte vergleichsweise empfindlich. Da die Transportstrukturen letztlich wie Dochte wirken, kann auch ein Verbleiben von Feuchtigkeit in den Transportstrukturen nicht ausgeschlossen werden, was dann ebenfalls beim Einfrieren zu einer Blockade der mit den Transportstrukturen versehenen Kanäle führt. Alles in allem ist diese Lösung also nicht befriedigend.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Strömungsbereich einer Separatorplatte anzugeben, um die geschilderten Probleme hinsichtlich der Wasseransammlung und des potentiellen Einfrierens einfach und effizient zu lösen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Strömungsbereich mit den Merkmalen im Anspruch 1 sowie eine Separatorplatte mit den Merkmalen im Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Strömungsbereich sieht zwischen einer Medienöffnung und den eigentlichen Strömungsfeldern, wie die Aufbauten im Stand der Technik, Verbindungskanäle vor. Erfindungsgemäß ist es so, dass zumindest in dem Bereich der Medienöffnungen zur Abfuhr von anodenseitigen Abgasen die Leitrippen zwischen den Verbindungskanälen so ausgestaltet sind, dass sie bis zum Rand der Medienöffnung durchlaufen. Anstatt, wie es typischerweise aus Fertigungsgründen realisiert wird, die Leitrippen mit einem gewissen Abstand zum Rand der Medienöffnung in der Separatorplatte oder typischerweise in einer Hälfte der Separatorplatte zu starten, sieht es der erfindungsgemäße Strömungsbereich vor, dass die Leitrippen bis zum Rand durchlaufen. Durch diese besondere Ausgestaltung der Leitrippen, welche den Rand der Medienöffnung berühren, wird ein Aufbau erreicht, bei welchem Toträume zwischen den einzelnen Leitrippen und dem Rand der Medienöffnung, welche so beim Stand der Technik häufig vorlagen, gänzlich vermieden werden können. Die Gefahr einer Ansammlung von Wasser in diesen kritischen Bereichen zwischen dem Ende der jeweiligen Leitrippe und dem Rand der Medienöffnung werden dadurch vermieden. In diesem Bereich, in dem Wassertröpfchen im Strömungsschatten der Leitrippen liegen und auch bei einem Durchspülen des Strömungsbereichs mit Luft oder einem anderen trockenen Spülmedium nicht gänzlich ausgespült werden können, lassen sich dadurch Wasseransammlungen vermeiden. Hierdurch kann das Wasser auch nicht über die Kapillareffekte zurück in die Kanäle gezogen werden und diese damit auch nicht blockieren, falls es zu einem Einfrieren des Aufbaus kommt.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsbereichs kann es ferner vorgesehen sein, dass die Breite der Verbindungskanäle größer oder gleich der halben Breite der Leitrippen, jeweils quer zur Strömungsrichtung gemessen, beträgt. Dieser Aufbau, bei welchem gegenüber den meisten im allgemeinen Stand der Technik üblichen Aufbauten die Zahl der Verbindungskanäle erhöht und die Breite der Leitrippen verringert wird, trägt ebenfalls dazu bei, ein Einfrieren zu verhindern. Durch die geringere Breite der Leitrippen wird die Gefahr einer Wasseransammlung in einem bezüglich der Durchströmung beim Durchspülen des Aufbaus entstehenden Totraum verringert. Außerdem wird durch diese Art der Ausgestaltung die Anzahl der Kanäle gegenüber den herkömmlichen Aufbauten erhöht, so dass auch für den Fall, dass einzelne Kanäle durch Eisbildung blockiert sind, weitere Verbindungskanäle frei bleiben und so die grundsätzliche Funktionalität des Aufbaus gewährleistet wird. Hierdurch wird also durch das Design innerhalb des Strömungsbereichs der jeweiligen Separatorplatte eine Gefrierstartfähigkeit des mit diesen Separatorplatten aufgebauten Brennstoffzellenstapels erhöht. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung kann es ferner vorsehen, dass das der Materialöffnung zugewandte Ende der Leitrippen sich im Übergangsbereich zu der Materialöffnung verjüngt. Eine solche Verjüngung, welche beispielsweise als abgerundete oder halbkreisförmige Kontur quer zur flächigen Ausdehnung der Platte realisiert sein kann, verhindert ebenfalls die Ausbildung von toten Strömungsbereichen, um so die Gefahr einer Ansammlung von Wasser noch weiter zu reduzieren.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung spielt vor allem beim anodenseitigen Abgas eine entscheidende Rolle, da hier die Volumenströme relativ klein sind und dadurch die Gefahr einer Ansammlung und eines Zurückbleibens von Wassertröpfchen, welche sich dann durch Kapillarkräfte wieder in die Verbindungskanäle bewegen können, wenn das System abgeschaltet ist, besonders hoch ist. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungsbereichs kann diese bevorzugte Ausgestaltung jedoch auch für den Bereich des kathodenseitigen Abgases mit vorgesehen werden. Prinzipiell ließe sich eine entsprechende Ausgestaltung auch eingangsseitig realisieren, wobei hier bei den zugeführten Edukten die Gefahr des Auskondensierens von Flüssigkeit mit der Gefahr des späteren Einfrierens im Bereich der Verbindungskanäle deutlich geringer ist, so dass prinzipiell eine Ausgestaltung im Bereich der Medienöffnungen zur Abfuhr von Abgasen ausreicht.
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Prinzipiell lässt sich diese Ausgestaltung bei jeder Art von Separatorplatte realisieren. Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Separatorplatte mit einem derartigen Strömungsbereich jedoch als sogenannte Graphitplatte ausgebildet. Die Separatorplatte oder bei einem zweiteiligen Aufbau ihre Hälften, bestehen dabei aus einem kohlenstoffhaltigen Material, welches in einer Kunststoffmatrix ausgehärtet wird, um die Separatorplatte bzw. ihre Hälften auszubilden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung ist die Separatorplatte dabei als Bipolarplatte ausgebildet, welche aus zwei Plattenhälften zusammengesetzt ist. Die Verbindungskanäle können dabei vorzugsweise zwischen den Plattenhälften und damit quasi im Inneren angeordnet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Separatorplatte ergeben sich auch anhand des Ausführungsbeispiels, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
- 1 Draufsicht auf eine beispielhafte Separatorplatte in Form einer Bipolarplatte;
- 2 Ansicht eines vergrößerten Ausschnitts der Bipolarplatte in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik;
- 3 Schnittdarstellung gemäß der Linie III-III in 2;
- 4 eine Darstellung analog zur Darstellung in 2 in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung; und
- 5 eine schematische Schnittdarstellung gemäß der Linie V-V in 4.
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In der Darstellung der
1 ist eine Draufsicht auf eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Bipolarplatte als typisches Beispiel für eine Separatorplatte zu erkennen. Die in der Darstellung der
1 gezeigte Ansicht ist dabei die Ansicht mit Blick auf die Anodenseite. Über Medienöffnungen an den beiden Enden der rechteckigen Bipolarplatte 1 werden Medien quer zur Stapelrichtung in den hier nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel zu- und abgeführt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird über eine mit 2 bezeichnete Medienzufuhröffnung Sauerstoff zugeführt und über eine mit 5 bezeichnete Medienöffnung der Sauerstoff wieder abgeführt. Über eine mit 3 bezeichnete Medienöffnung erfolgt die Zufuhr von Wasserstoff, welcher über die mit 6 bezeichnete Medienöffnung wieder abströmt. Zur Zufuhr von Kühlmedium ist eine Medienöffnung 7 vorgesehen, zu seiner Abfuhr eine Abfuhröffnung 8. Die zugeführten Medien strömen dann, wie es prinzipiell aus dem eingangs genannten Stand der Technik in Form der
US 2007/0117001 A1 bekannt ist, zwischen zwei Hälften 1.1 und 1.2, welche in der Darstellung der
3 und
5 zu erkennen sind, in die Bipolarplatte 1 hinein. Dazu dienen in der Darstellung der
1 für die Anodenseite angedeutete Verbindungskanäle 9, welche die jeweilige Medienöffnung 3, 6 mit Durchbrüchen 10 verbinden. Die Verbindungskanäle 9 werden typischerweise als via bezeichnet, die Durchbrüche 10 auch als „back feed slots“. Von dort gelangt das Medium über einen mit Noppen 11 ausgestalteten Verteilbereich 12 sowie ein mit parallelen Kanälen gestaltetes Strömungsfeld 13 von der eingangsseitigen Medienöffnung 3 zu der ausgangsseitigen Medienöffnung 6 für das Anodenabgas.
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In der Darstellung der 2 ist nun der in der 1 mit II, IV bezeichnete Ausschnitt mit Blick auf die Verbindungskanäle 9 in einer Ausführungsvariante gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Blick ist nun nicht mehr auf die obere Hälfte 1.1 der Bipolarplatte 1 gerichtet, wie in der Darstellung der 2, sondern auf deren untere Hälfte 1.2, in welcher die Verbindungskanäle 9, von welchen hier nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, angeordnet sind. Zwischen den Verbindungskanälen 9 befinden sich Leitrippen 14, von welchen ebenfalls nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Verbindungskanäle 9 verbinden nun den hier nicht mehr erkennbaren Durchbruch 10 zwischen dem anodenseitigen Strömungsfeld aus den Verteilbereichen 12 und dem eigentlichen Strömungsfeld 13 mit der Medienöffnung 6 zur Abfuhr des Anodenabgases. In der Darstellung ist zu erkennen, dass die Leitrippen 14 typischerweise relativ breit ausgestaltet sind und dass diese bereits ein kurzes Wegstück x vor einem die Medienöffnung 6 umgebenden Rand 15 enden. In der Praxis kann dieser Aufbau nun dazu führen, dass Wasser sich zwischen dem Ende der Leitrippen 14, welches der Medienöffnung 6 zugewandt ist und diesen Rand sammelt. Rein beispielhaft ist hier ein mit 16 bezeichneter Wassertropfen eingezeichnet. Dieser befindet sich außerdem im Windschatten von durch die Verbindungskanäle 9 strömendem Medium, so dass dieser auch bei einem Durchspülen des Strömungsbereichs der Bipolarplatte 1 nicht vollständig ausgeblasen wird.
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In der Schnittdarstellung der 3 ist dies nochmals in einer seitlichen Ansicht zu erkennen. Verbleibt dieser Wassertropfen 16 in diesem Bereich, kann er durch Kapillareffekte nach dem Abschalten in die Verbindungskanäle 9 wandern und kann, falls die Temperaturen später auf Werte unterhalb des Gefrierpunkts absinken, die Verbindungskanäle 9 durch Eisbildung blockieren. Dies stellt einen erheblichen Nachteil bezüglich der Gefrierstartfähigkeit des Brennstoffzellenstapels dar.
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Abhilfe kann hier nun der in den 4 und 5 analog zur Darstellung in den 2 und 3 gezeigte Aufbau schaffen. Der Totraum, welcher durch das Wegstück x verursacht war, wird hier eliminiert, so dass die Leitrippen 14, von welchen in der Darstellung in der 4 auch nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, bis zum Rand 15 um die Medienöffnung 6 laufen. Dadurch gibt es keine Bereiche zwischen den Enden der Leitrippen 14 und dem Rand 15, in welchen sich Wassertropfen 16 ansammeln könnten. Dies stellt einen erheblichen Vorteil bezüglich der Gefrierstartfähigkeit eines mit solchen Separatorplatten ausgestatteten Brennstoffzellenstapel dar. Ergänzend ist es außerdem vorgesehen, dass die Breite der Leitrippen 14 im Vergleich zu dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik reduziert wird. Auch dies reduziert letztlich den Raum am Ende der jeweiligen Leitrippe zwischen zwei der Verbindungskanäle 9, so dass sich hier keine oder lediglich sehr kleine Wassertropfen ansammeln können. Ein weiterer Vorteil dieser Verringerung der Breite der Leitrippen 14 besteht darin, dass so auf der gleichen Fläche mehr Verbindungskanäle 9 realisiert werden können. Sollten nun dennoch einige der Verbindungskanäle 9 mit Eis blockiert sein, so ist durch die größere Anzahl der Verbindungskanäle 9 die Chance höher, dass einzelne Verbindungskanäle 9 noch eisfrei sind und so eine grundlegende Funktionalität des Brennstoffzellenstapels in jeder der Einzelzellen aufrechterhalten werden kann.
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Ein weiterer entscheidender Aspekt ist ein Verjüngen der Geometrie der Leitrippen an ihren der Medienöffnung 6 zugewandten Seite. Dies erfolgt hier durch ein abgerundetes Auslaufen der einzelnen Leitrippen, welche quasi in der Geometrie eines Halbkreises enden. Auch andere sich verjüngende Aufbauten wären prinzipiell denkbar. Auch diese helfen mit, dass bei einem eventuellen Durchspülen zur Vorbereitung des Brennstoffzellenstapels auf den nächsten Start, welche beim Abstellen des Brennstoffzellenstapels erfolgt, die Spülgase leichter in den Bereich der Enden der Leitrippen 14 gelangen können und so die Gefahr einer Ansammlung von Wassertröpfchen 16 noch weiter reduziert wird.
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Insbesondere die Fortführung der Leitrippen 14 bis zum Rand 15, aber zumindest unterstützend auch die anderen Maßnahmen sorgen dann dafür, dass eine gute Gefrierstartfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels möglich wird, wenn dieser mit Bipolarplatte 1 mit einem in der beschriebenen und in den 4 und 5 gezeigten Art ausgestalteten Strömungsbereich realisiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0117001 A1 [0002, 0014]
- US 8501364 B2 [0003]
