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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen unter Verwendung derartiger Bipolarplatten gebildeten Brennstoffzellenstapel.
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Ein Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik ist aus einer Vielzahl von in einer Stapelrichtung gestapelt angeordneten Brennstoffzellen gebildet, die jeweils eine plattenförmige Formgestaltung besitzen und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken. Die einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels weisen hierbei jeweils in der Stapelrichtung gestapelt typischerweise auf:
- - eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes,
- - eine anodenseitige Gasdiffusionslage,
- - eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden,
- - eine kathodenseitige Gasdiffusionslage,
- - eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels.
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Durch die elektrochemische Reaktion wird im Betrieb des Brennstoffzellenstapels die chemische Reaktionsenergie des Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt.
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Für die Fertigung eines Brennstoffzellenstapels werden in der Regel sogenannte „Bipolarplatten“ verwendet, welche aus zwei (Bipolar-)Halbplatten vorgefertigt sind, die im späteren Betrieb des Brennstoffzellenstapels als eine anodenseitige Halbplatte einer Brennstoffzelle und als eine kathodenseitige Halbplatte einer im Stapel unmittelbar benachbarten Brennstoffzelle fungieren.
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Eine Bipolarplatte stellt somit eine Separatorplatte zwischen im Stapel einander benachbarten Brennstoffzellen dar und dient hierbei insbesondere zur elektrischen Verbindung von im Stapel einander benachbarten Brennstoffzellen und im Falle einer Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zusätzlich zur Schaffung eines definierten Strömungsraums zur Führung eines Kühlmittels im Inneren der Bipolarplatte (zwischen den Halbplatten), so dass damit die im Stapel beiderseits der Bipolarplatte ausgebildeten Brennstoffzellen gekühlt bzw. temperiert werden können.
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Eine Bipolarplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der Veröffentlichung
DE 10 2019 000 150 A1 bekannt und weist auf:
- - zwei miteinander verbundene Halbplatten,
- - einen an einem ersten Rand der Bipolarplatte befindlichen Zustrom-Durchbruch und einen an einem entgegengesetzten zweiten Rand der Bipolarplatte befindlichen Abstrom-Durchbruch,
- - einen zwischen den Halbplatten ausgebildeten Strömungsraum zur Verteilung eines Kühlmittels über die Fläche eines Strömungsfelds der Bipolarplatte, wenn das Kühlmittel über den Zustrom-Durchbruch in den Strömungsraum einströmt und über den Abstrom-Durchbruch aus dem Strömungsraum ausströmt, wobei das Strömungsfeld an dessen den ersten und zweiten Rändern der Bipolarplatte zugewandten Enden in einen mit dem jeweiligen Durchbruch verbundenen Verteilbereich mündet.
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Der Begriff „Strömungsfeld“ bezeichnet allgemein denjenigen, in der Ebene der Bipolarplatte betrachteten Bereich, in welchem im Betrieb der Brennstoffzellen die elektrochemische Reaktion des kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) mit dem kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) stattfindet.
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Der „Verteilbereich“ stellt somit einen Teilbereich des Strömungsraums dar, der zwischen einerseits einem zugeordneten Durchbruch (Zustrom-Durchbruch oder Abstrom-Durchbruch) und andererseits einem zugeordneten der beiden Enden des Strömungsfelds angeordnet ist.
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Strömungstechnisch betrachtet dienen die beiden Verteilbereiche der Bipolarplatte somit dazu, ausgehend vom Zustrom-Durchbruch den Kühlmittel-Zustrom auf die Breite des Strömungsfelds zu „verteilen“ bzw. ausgehend vom Strömungsfeld einen dortigen Kühlmittel-Abstrom auf die Breite des Abstrom-Durchbruchs zu „sammeln“, und zwar so, dass damit eine gewünschte, in der Regel möglichst gleichmäßige Durchströmung des Strömungsfelds mit Kühlmittel erzielt wird. Da die für die Verteilbereiche zur Verfügung stehende Fläche in der Praxis begrenzt ist, ist die Funktion derartiger Verteilbereiche oftmals nicht ganz zufriedenstellend.
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Die einzelnen bis hierher beschriebenen bekannten Merkmale von Brennstoffzellenstapeln und Bipolarplatten können auch bei der nachfolgend beschriebenen vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Weg aufzuzeigen, mit dem bei einer Bipolarplatte der eingangs genannten Art, insbesondere auch bei relativ wenig Fläche beanspruchendem Verteilbereich, eine besonders präzise und insbesondere gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Fläche des Strömungsfelds erzielt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Bipolarplatte nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilbereich einen in den jeweiligen Durchbruch mündenden Vorverteilungskanal aufweist, der sich entlang einer Richtung der ersten und zweiten Ränder der Bipolarplatte erstreckt und entlang seines Verlaufes mehrere verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld zugewandte Drossel-Aperturen (Öffnungen) aufweist. Die Richtung der vorerwähnten ersten und zweiten Ränder der Bipolarplatte wird nachfolgend auch als „Querrichtung“ der Bipolarplatte bezeichnet, und die in der Ebene der Bipolarplatte liegende Richtung orthogonal zur Querrichtung wird nachfolgend auch als „Längsrichtung“ der Bipolarplatte bezeichnet. Die Richtung orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte wird als „Vertikalrichtung“ bezeichnet.
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Der „Vorverteilungskanal“ kann als ein in Querrichtung langgestreckter Teilbereich des Strömungsraums und hier speziell ein langgestreckter Teilbereich des Verteilbereichs angesehen werden, der strömungstechnisch betrachtet zwischen einerseits einem zugeordneten Durchbruch (Zustrom-Durchbruch oder Abstrom-Durchbruch) und andererseits einem z. B. in herkömmlicher Weise formgestalteten restlichen Teil des betreffenden Verteilbereichs angeordnet ist.
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Da der Vorverteilungskanal in den jeweiligen Durchbruch mündet, kann Kühlmittel ausgehend vom Zustrom-Durchbruch direkt in den zustromseitigen Vorverteilungskanal einströmen bzw. aus dem abstromseitigen Vorverteilungskanal direkt in den Abstrom-Durchbruch abströmen. Der Vorverteilungskanal kann z. B. über eine einzige Verbindungspassage oder Öffnung (mit relativ großem Querschnitt), oder aber über mehrere (z. B. 2 bis 30) strömungstechnisch und/oder geometrisch parallel zueinander angeordnete Verbindungspassagen in den betreffenden (zugeordneten) Durchbruch münden. Ein unmittelbar benachbart dieser Mündung befindlicher Abschnitt des Kanals wird nachfolgend auch als proximaler Abschnitt des Kanals bezeichnet.
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Da sich der zustromseitige Vorverteilungskanal entlang der Querrichtung der Bipolarplatte erstreckt, ergibt sich dessen vorteilhafte Funktion zur „Vorverteilung“ von zuströmendem Kühlmittel in dieser Querrichtung. Unmittelbar nach dem Eintritt des Kühlmittels in den Kanal, also in dessen proximalen Abschnitt, wird dieses Kühlmittel mehr oder weniger in Querrichtung „kanalisiert“, d.h. ein Großteil des vom Zustrom-Durchbruch in den zustromseitigen Vorverteilungskanal einströmenden Kühlmittels strömt ausgehend vom proximalen Abschnitt im Wesentlichen in Querrichtung, hin zu „distaleren“ Abschnitten des Kanals.
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Die Erstreckung der Vorverteilungskanäle in Querrichtung soll nicht ausschließen, dass diese Kanäle zumindest abschnittweise in einem Winkel zur Querrichtung verlaufen, solange derartige Winkel kleiner als 45° sind.
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Da entlang des Verlaufes des zustromseitigen Vorverteilungskanals mehrere, insbesondere z. B. mindestens 5, bevorzugt z. B. mindestens 10, verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld zugewandte Drossel-Aperturen vorgesehen sind, kann im Bereich jeder dieser Drossel-Aperturen jeweils ein Teil des im jeweiligen Bereich des Kanals strömenden Kühlmittels quer zum Verlauf des Kanals, also im Wesentlichen in Längsrichtung, in den besagten restlichen Teil des zustromseitigen Verteilbereichs eintreten.
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Zusammenfassend kann zustromseitig also mittels des Vorverteilungskanals eine Vorverteilung des Kühlmittels in Querrichtung erfolgen, wobei das vorverteilte Kühlmittel den Kanal durch die in Querrichtung verteilt angeordneten Drossel-Aperturen in Längsrichtung wieder verlässt, z. B. noch bevor das Kühlmittel in Längsrichtung der Bipolarplatte betrachtet besonders weit „vorangekommen“ ist.
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Besonders vorteilhaft kann eine gewünschte, in der Regel möglichst gleichmäßige Vorverteilung des zuströmenden Kühlmittels durch eine entsprechende Dimensionierung des Kanalquerschnitts sowie Wahl von Anzahl, Anordnung und Querschnitten der Drossel-Aperturen mit hoher Genauigkeit erzielt werden.
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In einer Ausführungsform befindet sich eine in Längsrichtung der Bipolarplatte betrachtet „gemittelte Position“ der Positionen der Drossel-Aperturen eines Vorverteilungskanals innerhalb derjenigen Hälfte der in Längsrichtung der Bipolarplatte betrachteten Erstreckung des betreffenden Verteilbereichs, die dem zugeordneten Durchbruch zugewandt ist.
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Analoges, gewissermaßen nur mit umgekehrter Kühlmittelströmung, gilt für den abstromseitigen Verteilbereich, der auch als „Sammelbereich“ bezeichnet werden könnte (da das in Querrichtung verteilt das Strömungsfeld verlassende Kühlmittel hier in Querrichtung konzentriert bzw. aufgesammelt wird), und den darin angeordneten abstromseitigen Vorverteilungskanal, der im Hinblick auf die umgekehrte Kühlmittelströmung auch als „Nachsammlungskanal“ bezeichnet werden könnte.
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Die erfindungsgemäß zustromseitig und abstromseitig vorgesehene Integration eines jeweiligen Kanals mit Drossel-Aperturen in den jeweiligen Verteilbereich der Bipolarplatte ermöglicht insbesondere z. B. eine überragend gleichmäßige Strömungsverteilung des Kühlmittels bei der Durchströmung des zwischen den beiden Halbplatten der Bipolarplatte für das Kühlmittel ausgebildeten Strömungsraums im Bereich des „Strömungsfelds“, also dem in der Ebene der Bipolarplatte betrachteten Bereich, in welchem im Betrieb der Brennstoffzellen die elektrochemische Reaktion zur Energiewandlung stattfindet.
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Auch abhängig von der konkreten Anordnung der Durchbrüche für das Kühlmittel an den ersten und zweiten Rändern der Bipolarplatte, z. B. mittig oder außermittig bzw. ganz an einem Ende des betreffenden Rands, können sich die jeweils zugeordneten Vorverteilungskanäle ausgehend vom jeweiligen Durchbruch jeweils entweder „einarmig“ nur in eine Richtung (Orientierung) oder „zweiarmig“ in beide Richtungen (Orientierungen) in Querrichtung der Bipolarplatte erstrecken. Je nachdem, welcher Fall vorliegt, verlaufen ausgehend vom proximalen Abschnitt des Kanals ein oder zwei in Querrichtung sich erstreckende „Arme“ des Kanals bis hin zu dem (einen) oder den (zwei) distalen Endabschnitten des Kanals.
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In einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die beiden miteinander verbundenen Halbplatten und somit auch die Bipolarplatte ein wenigstens annähernd rechteckiges Format, sei es etwa quadratisch oder langgestreckt. Darüber hinaus kann jedoch auch z. B. ein wenigstens annähernd polygonales Format mit mehr als vier Seiten vorgesehen sein.
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Im Falle eines langgestreckten, z. B. wenigstens annähernd rechteckigen Formats ist es zumeist günstig, wenn die einander entgegengesetzten ersten und zweiten Ränder der Bipolarplatte, die sich in der vorgenannten „Querrichtung“ erstrecken, die kürzeren Seiten dieses Formats darstellen, wohingegen die restlichen Seiten dieses Formats (z. B. einander entgegengesetzte dritte und vierte Seiten im Falle eines Rechtecks) sich in der vorgenannten „Längsrichtung“ erstrecken.
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Das Strömungsfeld der Bipolarplatte ist bevorzugt in einem Zentrum einer Fläche der Bipolarplatte ausgebildet und kann z. B. ein wenigstens annähernd rechteckiges Format besitzen, sei es etwa quadratisch oder langgestreckt. Im Falle eines langgestreckten Formats ist es zumeist günstig, wenn die entsprechende Längsrichtung des Strömungsfelds der Längsrichtung der Bipolarplatte entspricht.
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In einer Ausführungsform sind die Halbplatten jeweils aus einem Material von einheitlicher Dicke, insbesondere z. B. aus einem Metallmaterial, mit einer jeweiligen Korrugation ausgebildet, z. B. durch einen Umformprozess in einer Presse, so dass durch diese Korrugationen der Halbplatten die Form des Strömungsraums zwischen den Halbplatten definiert wird.
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Darüber hinaus kann der Strömungsraum hierbei zusätzlich auch definiert sein durch z. B. zwischen den Halbplatten eingelegte Dichtungen und/oder vor dem miteinander Verbinden der Halbplatten an wenigstens einer der Halbplatten aufdispensierte Dichtungen.
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In einer Ausführungsform beanspruchen die zur Zufuhr und Abfuhr des Kühlmittels vorgesehenen Durchbrüche der Bipolarplatte in der Querrichtung der Bipolarplatte betrachtet jeweils weniger als 50%, insbesondere weniger als 30% der in Querrichtung zur Verfügung stehenden Breite der Bipolarplatte.
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In der Querrichtung der Bipolarplatte betrachtet neben diesen Durchbrüchen können weitere Durchbrüche angeordnet sein, über welche der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) in die an der Außenseite der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Brennstoff-Kanalstruktur einströmt bzw. aus dieser abströmt, und das Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) in die an der Außenseite der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Oxidationsmittel-Kanalstruktur einströmt bzw. aus dieser abströmt.
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In einer Ausführungsform sind die Durchbrüche (zur Zufuhr und zur Abfuhr) für das Kühlmittel jeweils die mittleren Durchbrüche einer jeweiligen Reihe von drei in Querrichtung der Bipolarplatte nebeneinander angeordneten Durchbrüchen für Brennstoff, Kühlmittel und Oxidationsmittel, wobei in diesem Fall die Vorverteilungskanäle jeweils zwei Arme besitzen, die ausgehend vom jeweiligen proximalen Kanalabschnitt in einander entgegengesetzten Orientierungen der Querrichtung vom proximalen Kanalabschnitt weg verlaufen.
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In einer Ausführungsform weisen die Halbplatten in die jeweiligen Verteilbereiche hineinragende und paarweise aneinander anliegende Vorsprünge auf, durch welche z. B. in den jeweiligen Verteilbereichen orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte (also in Vertikalrichtung) sich erstreckende (z. B. runde) Säulen und/oder (z. B. plattenartige) Wandelemente ausgebildet sind.
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Derartige Säulen und/oder Wandelemente können vorteilhaft sowohl eine mechanische Abstützung der Halbplatten aneinander als auch eine besser definierte Strömungsführung für das Kühlmittel in den Verteilbereichen bewirken. Außerdem können an den Halbplatten im Bereich der Verteilbereiche noch weitere „Strukturelemente“ ausgebildet sein, mittels welchen (z. B. zusätzlich zu deren Wirkung im Strömungsraum) auf einer dem Strömungsraum entgegengesetzten Seite der betreffenden Halbplatte Vorsprünge zur mechanischen Abstützung einer Elektrolytmembran der betreffenden Brennstoffzelle des späteren Brennstoffzellenstapels ausgebildet werden.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform bildet zumindest ein Teil der Säulen und/oder plattenartigen Wandelemente eine Reihe, die entlang des Verlaufes des jeweiligen Vorverteilungskanals auf dessen dem Strömungsfeld zugewandten Seite verläuft, so dass entlang des Verlaufes der Reihe zwischen den Säulen bzw. Wandelementen verbleibende Zwischenräume die Drossel-Aperturen des jeweiligen Vorverteilungskanals realisieren.
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Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die vorgenannte Reihe zumindest abschnittweise nur aus plattenartigen Wandelementen gebildet ist und diese plattenartigen Wandelemente jeweils beispielsweise (und bevorzugt) parallel zum Verlauf des jeweiligen Vorverteilungskanals orientiert sind.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Drossel-Aperturen in einem (vom zugeordneten Durchbruch aus betrachtet) proximalen Abschnitt des Vorverteilungskanals einen kleineren Querschnitt (und somit größeren Strömungswiderstand) besitzen als die Drossel-Aperturen in einem vom zugeordneten Durchbruch aus betrachtet distalen Endabschnitt des Vorverteilungskanals (sei es der Endabschnitt eines „einarmigen“ Vorverteilungskanals, oder wenigstens einer der beiden Endabschnitte eines „zweiarmigen“ Vorverteilungskanals). Hierfür kann z. B. bei der vorgenannten Reihe von Säulen und/oder plattenartigen Wandelementen vorgesehen sein, dass deren lichte Abstände im proximalen Abschnitt kleiner sind als im distalen Endabschnitt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Drossel-Aperturen in einem proximalen Abschnitt des Vorverteilungskanals einen größeren gegenseitigen Abstand voneinander besitzen als die Drossel-Aperturen in einem distalen Endabschnitt des Vorverteilungskanals. Hierfür kann z. B. bei der vorgenannten Reihe von plattenartigen Wandelementen vorgesehen sein, dass deren in Verlaufsrichtung des Kanals betrachtete Längen im proximalen Abschnitt größer sind als im distalen Endabschnitt.
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In einer Ausführungsform ist das Strömungsfeld an wenigstens einer der Halbplatten durch geradlinig parallel zueinander in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt. Alternativ oder zusätzlich kann das Strömungsfeld an wenigstens einer der Halbplatten z. B. durch wellenförmig parallel zueinander in Längsrichtung verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt sein.
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In einer Ausführungsform ist eine an der Außenseite der späteren anodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung des Brennstoffes durch die betreffende Brennstoffzelle im Bereich des Strömungsfelds der Bipolarplatte aus einer Vielzahl (z. B. mindestens 20, insbesondere mindestens 40) von geradlinig parallel zueinander in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt.
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In einer Ausführungsform ist eine an der Außenseite der späteren kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte ausgebildete Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels durch die betreffende Brennstoffzelle im Bereich des Strömungsfelds der Bipolarplatte aus einer Vielzahl (z. B. mindestens 20, insbesondere mindestens 40) von wellenförmig parallel zueinander in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt.
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In einer Ausführungsform beanspruchen die Vorverteilungskanäle in Querrichtung der Bipolarplatte betrachtet jeweils mehr als 60%, insbesondere mehr als 80% der in Querrichtung betrachteten Breite der Bipolarplatte.
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Insbesondere kann hierbei z. B. vorgesehen sein, dass die Vorverteilungskanäle jeweils die im Wesentlichen gesamte Breite der Bipolarplatte oder zumindest die im Wesentlichen gesamte Breite des zugeordneten Endes des Flussfelds beanspruchen, so dass die „Vorverteilung“ des Kühlmittels über die gesamte Breite des Flussfelds erfolgt.
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Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die Vorverteilung nicht über die nahezu gesamte Breite der Bipolarplatte bzw. des Flussfelds erfolgt, also z. B. ein Anteil dieser Breite, z. B. weniger als 20% oder z. B. weniger als 10% der Breite der Bipolarplatte, „ohne Vorverteilung“ des Kühlmittels vorgesehen ist. In diesem Fall kann an den betreffenden Stellen durch die jeweiligen restlichen Teile des betreffenden Verteilbereichs das Kühlmittel noch verteilt werden, bevor es in das Strömungsfeld eintritt. Analoges (mit umgekehrter Kühlmittelströmung) gilt für den abstromseitigen Bereich der Bipolarplatte.
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In einer Ausführungsform besitzen die Vorverteilungskanäle eine in der Ebene der Bipolarplatte und quer zu ihrer Verlaufsrichtung betrachtete Breite und eine orthogonal zu dieser Ebene betrachtete Höhe, wobei über einen Großteil ihres Verlaufes deren Breite größer ist als deren Höhe.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass über einen Großteil des Verlaufes des Vorverteilungskanals diese Breite um wenigstens einen Faktor 1,5, insbesondere wenigstens einen Faktor 2, größer ist als die Höhe.
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Diese Ausführung trägt z. B. vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass einerseits der Vorverteilungskanal zur Erfüllung seiner Funktion einen relativ kleinen Strömungswiderstand (und somit relativ großen Querschnitt) besitzen sollte, andererseits jedoch eine maximale Höhe an jeder Stelle des Strömungsraums zwischen den beiden Halbplatten einer Bipolarplatte in der Praxis mehr oder weniger stark begrenzt ist, da ein generelles Ziel bei der Gestaltung von Brennstoffzellenstapeln in der Regel (auch) darin besteht, den Stapel möglichst kompakt auszubilden (d.h. die einzelnen Brennstoffzellen relativ dünn auszubilden).
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In einer Ausführungsform beanspruchen in der Ebene der Bipolarplatte betrachtet die Vorverteilungskanäle jeweils eine Fläche, die mindestens 5%, insbesondere mindestens 10%, und/oder maximal 40%, insbesondere maximal 30%, der Fläche des jeweiligen Verteilbereichs beträgt.
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Diese Ausführung trägt z. B. vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass für eine besonders präzise Kühlmittelverteilung im Strömungsfeld zumeist sowohl der erfindungsgemäß vorgesehene Vorverteilungskanal mitsamt den entlang seines Verlaufes verteilt angeordneten Drossel-Aperturen als auch ein restlicher Teil eines (aus dem Stand der Technik bekannten) herkömmlichen Verteilbereichs benötigt wird, um das an den „diskreten“ Stellen (der Drossel-Aperturen) vorverteilt aus dem Vorverteilungskanal in Richtung zum Strömungsfeld hin austretende Kühlmittel noch „feinzuverteilen“, bevor es das Strömungsfeld erreicht. Analoges (mit umgekehrter Kühlmittelströmung) gilt für den abstromseitigen Bereich der Bipolarplatte.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der mehrere Bipolarplatten der hier beschriebenen Art aufweist. In an sich bekannter Weise können die Bipolarplatten hierbei als „Separatorplatten“ zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen des Stapels eingesetzt werden (wie z. B. eingangs beschrieben).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
- 1 eine schematische Draufsicht einer Bipolarplatte gemäß eines Ausführungsbeispiels,
- 2 eine Draufsicht einer ersten von zwei Halbplatten zur Fertigung einer Bipolarplatte gemäß eines Ausführungsbeispiels,
- 3 eine Draufsicht der Halbplatte von 2 von der anderen Seite aus betrachtet,
- 4 eine Draufsicht einer zugehörigen zweiten der zwei Halbplatten,
- 5 eine Draufsicht der Halbplatte von 4 von der anderen Seite aus betrachtet,
- 6 ein Detail von 2,
- 7 ein Detail von 4, und
- 8 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht einer aus den Halbplatten der 2 bis 7 gefertigten Bipolarplatte.
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1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Bipolarplatte 10 für einen Brennstoffzellenstapel.
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Ein entsprechender Brennstoffzellenstapel enthält unter anderem eine Vielzahl von derartigen Bipolarplatten 10, die in dem Stapel in einer Stapelrichtung „z“ gestapelt angeordnet werden, und die jeweils eine plattenförmige Formgestaltung besitzen und sich somit orthogonal zur Stapelrichtung z betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung „x“ und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung „y“ erstrecken.
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Die Bipolarplatte 10 weist zwei durch einen jeweiligen Umform- und Stanzprozess vorgefertigte und sodann stellenweise durch eine Verschweißung (z. B. Laserverschweißung) miteinander verbundene metallische Halbplatten 12, 14 auf.
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Zwischen den Halbplatten 12, 14 ist ein Strömungsraum 16 ausgebildet, der dazu dient, ein über einen an einem ersten Rand 18 der Bipolarplatte 10 befindlichen Zustrom-Durchbruch 20 in den Strömungsraum 16 einströmendes und über einen an einem entgegengesetzten zweiten Rand 22 der Bipolarplatte 10 befindlichen Abstrom-Durchbruch 24 aus dem Strömungsraum 16 ausströmendes Kühlmittel über die Fläche eines Strömungsfelds 30 der Bipolarplatte 10 zu verteilen.
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Bei der Darstellung von 1 sind die eingezeichneten ersten und zweiten Querrichtungen x, y so gewählt, dass die ersten und zweiten Ränder 18, 22 in der Richtung x verlaufen und diese beiden (einander entgegengesetzten) Ränder 18, 22 somit in der Richtung y voneinander beabstandet sind.
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Nachfolgend wird der Einfachheit halber die Richtung des Verlaufes der Ränder 18, 22, also die Richtung x, als „Querrichtung“ x und die dazu orthogonale Richtung y in der Ebene der Bipolarplatte 10 als „Längsrichtung“ y der Bipolarplatte 10 bezeichnet. Die Richtung z orthogonal zur Ebene der Bipolarplatte 10 entspricht der späteren Stapelrichtung (des Brennstoffzellenstapels) und wird nachfolgend als „Vertikalrichtung“ z bezeichnet.
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Die Ausbildung des Strömungsraums 16 beruht in diesem Beispiel darauf, dass die beiden Halbplatten 12, 14 bei deren Vorfertigung jeweils aus einer Metallfolie von einheitlicher Dicke durch den vorerwähnten Umformprozess in einer Presse mit einer jeweiligen Korrugation versehen wurden. Nach der Verschweißung der Halbplatten 12, 14 ergibt sich eine durch diese Korrugationen definierte dreidimensionale Form des Strömungsraums 16 im Inneren der Bipolarplatte 10.
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Durch den vor oder nach dem Umformen der Halbplatten 12, 14 durchgeführten Stanzprozess wurden die Durchbrüche 20, 24 sowie weitere, in 1 der Einfachheit der Darstellung halber nicht eingezeichnete Durchbrüche für einen Brennstoff (hier z. B. Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (hier z. B. Luft) ausgebildet.
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Das Strömungsfeld 30 mündet an dessen den ersten und zweiten Rändern 18, 22 der Bipolarplatte 10 zugewandten Enden 32, 34 in einen Verteilbereich 36, 38, der wiederum mit dem jeweiligen Durchbruch 20, 24 verbunden ist. Jeder Verteilbereich 36, 38 stellt somit einen Teilbereich des Strömungsraums 16 dar, der zwischen einerseits dem zugeordneten Durchbruch (Zustrom-Durchbruch 20 oder Abstrom-Durchbruch 24) und andererseits dem Strömungsfeld 30 angeordnet ist.
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Eine Besonderheit der Bipolarplatte 10 besteht darin, dass der Verteilbereich 36, 38 einen in den jeweiligen Durchbruch 20, 24 mündenden Vorverteilungskanal 40, 42 aufweist, der sich entlang der Querrichtung x der Bipolarplatte 10 erstreckt und entlang seines Verlaufes mehrere verteilt angeordnete und dem Strömungsfeld 30 zugewandte Drossel-Aperturen 44, 46 aufweist.
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Jeder der Vorverteilungskanäle 40, 42 besitzt hierbei ausgehend von einem proximalen Abschnitt des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42, der dem jeweiligen Durchbruch 20, 24 unmittelbar benachbart ist, zwei „Arme“, die sich in 1 in Querrichtung x nach links und rechts bis hin zu jeweiligen distalen Endabschnitten des Kanals erstrecken. Der proximale Abschnitt verläuft in diesem Beispiel exakt in Querrichtung x, wohingegen die beiden Arme des Kanals jeweils mit einer Neigung zur Querrichtung x verlaufen.
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Im dargestellten Beispiel beanspruchen die Durchbrüche 20, 24 in Querrichtung x betrachtet jeweils etwa 30% der in Querrichtung x im Bereich der Durchbrüche 20, 24 zur Verfügung stehenden Gesamtbreite der Bipolarplatte 10.
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Die Halbplatten 12, 14 weisen in die jeweiligen Verteilbereiche 36, 38 (in Vertikalrichtung z) hineinragende und paarweise aneinander anliegende Vorsprünge auf, durch welche in den jeweiligen Verteilbereichen 36, 38 in Vertikalrichtung z sich erstreckende Säulen 50 von z. B. rundem oder ringförmigem Querschnitt in der x-y-Ebene und plattenartige Wandelemente 52 mit oval-länglichem Querschnitt in der x-y-Ebene ausgebildet sind. Außerdem sind in 1 Strukturelemente 53 eingezeichnet, welche eine Doppelfunktion besitzen, nämlich einerseits in den jeweiligen Verteilbereichen 36, 38 Säulen von ringförmigem Querschnitt ausbilden können und andererseits auf einer dem Strömungsraum 16 entgegengesetzten Seite der betreffenden Halbplatte 12, 14 Vorsprünge zur mechanischen Abstützung einer Elektrolytmembran der betreffenden Brennstoffzelle im späteren Brennstoffzellenstapel ausbilden.
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Die in 1 eingezeichneten plattenartigen Wandelemente 52 bilden eine Reihe, die entlang des Verlaufes des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42 auf dessen dem Strömungsfeld 30 zugewandten Seite verläuft, so dass entlang des Verlaufes der Reihe zwischen den Wandelementen 52 verbleibende Zwischenräume die Drossel-Aperturen 44, 46 des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42 realisieren. Wie in 1 dargestellt, sind diese plattenartigen Wandelemente 52 besonders vorteilhaft jeweils parallel zum Verlauf des jeweiligen Vorverteilungskanals 40, 42 orientiert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drossel-Aperturen (z. B. deren Mittelpunkte) in einem proximalen Abschnitt des Vorverteilungskanals einen größeren gegenseitigen Abstand voneinander besitzen als die Drossel-Aperturen in einem distalen Endabschnitt des Vorverteilungskanals. Hierbei bzw. hierfür kann z. B. bei der vorgenannten Reihe von plattenartigen Wandelementen vorgesehen sein, dass deren in Verlaufsrichtung des Kanals betrachtete Längen im proximalen Abschnitt größer sind als im distalen Endabschnitt (Letzteres ist z. B. im Beispiel von 1 der Fall).
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Die Kühlung bzw. Temperierung der Bipolarplatte 10 in deren Betrieb in einem Brennstoffzellenstapel funktioniert wie folgt:
- Über den Zustrom-Durchbruch 20 wird der Bipolarplatte 10 kontinuierlich ein Kühlmittel zugeführt, das in den mit dem Durchbruch 20 fluidtechnisch in Verbindung stehenden zustromseitigen Vorverteilungskanal 40 eintritt. Aufgrund eines relativ großen Querschnitts (und somit relativ geringem Strömungswiderstand) des Vorverteilungskanals 40 strömt ein Großteil des in den Kanal 40 einströmenden Kühlmittels sodann zunächst im Inneren des sich in Querrichtung x erstreckenden Kanals 40, in 1 also von der Eintrittsstelle ausgehend im Wesentlichen nach links und rechts. Jedoch erreicht nur ein Teil dieses Kühlmittels ein jeweiliges Ende der beiden in 1 nach links und rechts verlaufenden „Arme“ des Kanals 40, da entlang des Kanals 40 die in 1 z. B. zwanzig dem Strömungsfeld 30 zugewandten Drossel-Aperturen 44 ausgebildet sind, durch welche hindurch jeweils ein Teil des im jeweiligen Bereich im Kanal 40 strömenden Kühlmittels orthogonal zum dortigen Verlauf des Kanals 40 in einen restlichen Teil des zustromseitigen Verteilbereichs 36 eintritt. In diesem Teil des Verteilbereichs 36 strömt das Kühlmittel in 1 nach unten weiter bis hin zum zustromseitigen Ende 32 (Einlassende) des Strömungsfelds 30, wobei die dort angeordneten Säulen 50 und Strukturelemente 53 vorteilhaft zu einer weiteren Vergleichmäßigung der in Querrichtung x betrachteten Verteilung der Strömungsrate des im Wesentlichen in Längsrichtung y (in 1 nach unten) strömenden Kühlmittels beitragen. Es ergibt sich damit vorteilhaft eine Verteilung des zuströmenden Kühlmittels, durch welche im dargestellten Beispiel Kühlmittel mit im Wesentlich identischer Strömungsrate in die Vielzahl von im Bereich des Endes 32 befindlichen „Kanalstruktureingängen“ eintritt, und dementsprechend auch mit im Wesentlich identischer Strömungsrate aus der Vielzahl von im Bereich des Endes 34 (Auslassende) befindlichen „Kanalstrukturausgängen“ wieder austritt. Für die weitere Strömung des Kühlmittels durch den abstromseitigen Verteilbereich 38, weiter durch die abstromseitigen Drossel-Aperturen 46 in den abstromseitigen Vorverteilungskanal 42 und weiter in den Abstrom-Durchbruch 24 gilt (unter Berücksichtigung der dort gewissermaßen umgekehrt vom Kühlmittel durchströmten Bereiche) analoges.
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Das Strömungsfeld 30 der dargestellten Bipolarplatte 10 ist in einem Zentrum der Fläche der Bipolarplatte 10 ausgebildet und besitzt ein rechteckiges Format, dessen längere Seiten in Längsrichtung y der Bipolarplatte 10 verlaufen.
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Dieses in 1 nicht detailliert dargestellte Strömungsfeld 30 wird an beiden Halbplatten 12, 14 jeweils durch eine in Längsrichtung y verlaufende Strömungsfeldkanalstruktur begrenzt, deren Formgestaltung im dargestellten Beispiel dem „Inversen“ der an den (dem Strömungsbereich 16 abgewandten) Außenseiten der jeweiligen Halbplatten 12 bzw. 14 ausgebildeten Strömungsfeldkanalstruktur für den Brennstoff (Halbplatte 12) bzw. das Oxidationsmittel (Halbplatte 14) entspricht. Im Beispiel ist das Strömungsfeld 30 seitens der Halbplatte 12 durch geradlinig parallel zueinander in Längsrichtung y der Bipolarplatte 10 verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt und seitens der Halbplatte 14 durch wellenförmig parallel zueinander in Längsrichtung y verlaufende Strömungsfeldkanäle begrenzt.
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Im dargestellten Beispiel beanspruchen die Vorverteilungskanäle 40, 42 in Querrichtung x betrachtet jeweils nur etwa 65% der in Querrichtung x zur Verfügung stehenden Breite der Bipolarplatte 10. Über diesen Anteil der Breite der Bipolarplatte 10 erfolgt also die „Vorverteilung“ des Kühlmittels. Eine „Nachverteilung“ des Kühlmittels über die gesamte Breite in Querrichtung x bis hin zu dem entsprechenden Ende 32, 34 des Strömungsfelds 30 erfolgt in diesem Fall durch den nicht vom Vorverteilungskanal 40, 42 besetzten restlichen Teil des entsprechenden Verteilbereichs 36, 38. Abweichend von dem in 1 dargestellten Beispiel ist es im Rahmen der Erfindung jedoch zumeist bevorzugt, wenn die Vorverteilungskanäle 40, 42 jeweils die nahezu gesamte Breite der Bipolarplatte oder zumindest die nahezu gesamte Breite des Flussfelds beanspruchen. Insbesondere kann die Erstreckungsbreite der Vorverteilungskanäle 40, 42 hierbei z. B. mehr als 80%, insbesondere z. B. mindestens 90%, der Breite der Bipolarplatte 10 betragen.
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Außerdem ist im dargestellten Beispiel vorgesehen, dass in der x-y-Ebene der Bipolarplatte 10 betrachtet die Vorverteilungskanäle 40, 42 jeweils eine Fläche beanspruchen, die etwa 10% der Fläche des jeweiligen Verteilbereichs 36, 38 beträgt.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen von Halbplatten bzw. einer daraus gebildeten Bipolarplatte werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Die 2 bis 5 zeigen Draufsichten von zwei Halbplatten 12, 14 zur Fertigung einer Bipolarplatte 10 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Die in den 2 und 3 dargestellte erste Halbplatte 12 ist als die anodenseitige Halbplatte einer damit gefertigten Bipolarplatte 10 (vgl. 8) vorgesehen, und die in den 4 und 5 dargestellte zweite Halbplatte 14 ist als die kathodenseitige Halbplatte der Bipolarplatte 10 vorgesehen.
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Die 3 und 5 zeigen die „Außenseiten“ der Halbplatten 12, 14, an denen eine Brennstoff-Kanalstruktur (3, Halbplatte 12) zur Führung des Brennstoffes bzw. eine Oxidationsmittel-Kanalstruktur (5, Halbplatte 14) zur Führung des Oxidationsmittels ausgebildet ist.
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Die 2 und 4 zeigen die „Innenseiten“ der Halbplatten 12, 14, an denen die Führung des Kühlmittels durch das Innere der aus den Halbplatten 12, 14 gebildeten Bipolarplatte 10 vorgesehen ist.
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Aus den 6 und 7, die in vergrößertem Maßstab Details aus 2 bzw. 4 zeigen, sowie 8, die eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht eines Details der Bipolarplatte 10 zeigt, ist die erfindungsgemäße Gestaltung dieser Bipolarplatte 10 besser ersichtlich.
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Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise der aus den Halbplatten 12, 14 (2 bis 7) gefertigten Bipolarplatte 10 (8) wird auf die Erläuterungen des Beispiels von 1 verwiesen.
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Im Beispiel der Bipolarplatte 10 von 8 beanspruchen die Vorverteilungskanäle 40, 42 vorteilhaft jeweils die im Wesentlichen gesamte Breite des entsprechenden Endes 32, 34 des Flussfelds 30.
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Im Beispiel von 8 ist darüber hinaus z. B. die vorteilhafte Besonderheit verdeutlicht, wonach über einen Großteil des Verlaufes der Vorverteilungskanäle 40, 42 deren Breite größer ist als deren Höhe. In der in 8 ersichtlichen Schnittebene ist die Breite des Vorverteilungskanals 40 etwa um einen Faktor 3 größer als dessen Höhe an dieser Stelle. Außerdem besitzt im dargestellten Beispiel diese genannte Höhe einen Wert, der an keiner anderen Stelle der Fläche der Bipolarplatte 10 überschritten wird. Mit anderen Worten entspricht dieser Wert also einer „Maximalhöhe“ des zwischen den Halbplatten 12, 14 ausgebildeten Strömungsraums 16. Beide Maßnahmen sind im Rahmen der Erfindung insofern vorteilhaft, als diese dazu beitragen, den Strömungswiderstand der (z. B. im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander ausgebildeten) Vorverteilungskanäle (40, 42) zu minimieren. Im Beispiel von 8 ist des Weiteren eine im Rahmen der Erfindung oftmals vorteilhafte Maßnahme zu erkennen, die darin besteht, die entlang des Verlaufes des Vorverteilungskanals verteilt angeordneten Drossel-Aperturen in einem Randbereich des Vorverteilungskanals auszubilden, in welchem die Höhe des Kanals im Vergleich zur Höhe im zentralen Bereich des Kanals deutlich (z. B. um einen Faktor im Bereich von 1,5 bis 4) verringert ist (Im Beispiel von 8 beträgt dieser Faktor etwa 3). Ein solcher höhenreduzierter Randbereich des Vorverteilungskanals kann über einen Großteil der Länge des Kanals und insbesondere auch über dessen zumindest annähernd gesamte Länge ausgebildet sein.
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Im Beispiel von 8 ist des Weiteren eine im Rahmen der Erfindung oftmals vorteilhafte Maßnahme zu erkennen, die darin besteht, im Verlauf der Vorverteilungskanäle an wenigstens einer Stelle eine Querschnittsverengung vorzusehen. In 8 sind zwei solche Querschnittsverengungen 60 zu erkennen. Damit kann unabhängig von der Anordnung und Dimensionierung der Drossel-Aperturen 44 eine weiter verbesserte Optimierung der Strömung des Kühlmittels in den Vorverteilungskanälen im Sinne einer gewünschten „Vorverteilung“ des Kühlmittels in Querrichtung x bewerkstelligt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Querschnitt an der Stelle einer solchen Querschnittsverengung (vgl. Querschnittsverengungen 60 in 8) um mindestens einen Faktor 2 gegenüber jedem der beiden Querschnitte verringert, die der betreffende Vorverteilungskanal unmittelbar benachbart der Querschnittsverengung besitzt, und/oder ist die Querschnittsverengung durch eine entsprechende Verkleinerung der Breite des betreffenden Vorverteilungskanals an der Stelle der Verengung realisiert. Im dargestellten Beispiel von 8 besitzt der Kanal 40 trotz der daran ausgebildeten Querschnittsverengungen 60 über die gesamte Länge seines Verlaufes eine einheitliche Höhe.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung und den beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Bipolarplatte (10) zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, mittels welcher insbesondere auch bei relativ wenig Fläche beanspruchendem Verteilbereich (36, 38) eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Fläche des Strömungsfelds (30) und somit insbesondere eine besonders gleichmäßige Kühlung oder Temperierung des Brennstoffzellenstapels über dessen Volumen erzielt werden kann.
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In an sich bekannter Weise kann mit dem so gebildeten Brennstoffzellenstapel durch eine elektrochemische Reaktion die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt werden, wobei im Betrieb der über die (elektrisch leitfähigen) Halbplatten in elektrischer Reihenschaltung angeordneten Brennstoffzellen die Reaktanten der elektrochemischen Reaktion, also Brennstoff und Oxidationsmittel, auf in Stapelrichtung betrachtet unterschiedlichen Seiten einer Membran-Elektroden-Einheit innerhalb jeder Brennstoffzelle zugeführt werden. Zu diesem Zweck sind die Bipolar-Halbplatten jeder Brennstoffzelle auf ihren der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Seiten jeweils mit einer Kanalstruktur auszubilden, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf den jeweiligen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit über diese Kanalstrukturen in eine dort angrenzende jeweilige Gasdiffusionslage einzubringen und somit über die jeweilige Gasdiffusionslage an die jeweilige Elektrodenschicht auf der entsprechenden Seite der Elektrolytmembran heranzuführen. Die Elektrodenschichten können z. B. aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet und z. B. mit einem geeigneten Katalysator beschichtet bzw. durchsetzt sein. Die brennstoffseitige Elektrodenschicht bildet hierbei eine Anode und die oxidationsmittelseitige Elektrodenschicht eine Kathode der Membran-Elektroden-Einheit. Das Produkt der in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bipolarplatte
- 12
- erste Halbplatte (anodenseitig)
- 14
- zweite Halbplatte (kathodenseitig)
- x
- Querrichtung
- y
- Längsrichtung
- z
- Vertikalrichtung
- 16
- Strömungsfeld
- 18
- erster Rand
- 20
- Zustrom-Durchbruch (für Kühlmittel)
- 20'
- Zustrom-Durchbruch (für Brennstoff)
- 20"
- Zustrom-Durchbruch (für Oxidationsmittel)
- 22
- zweiter Rand
- 24
- Abstrom-Durchbruch (für Kühlmittel)
- 24'
- Abstrom-Durchbruch (für Brennstoff)
- 24"
- Abstrom-Durchbruch (für Oxidationsmittel)
- 30
- Strömungsfeld
- 32
- erstes Ende (des Strömungsfelds)
- 34
- zweites Ende (des Strömungsfelds)
- 36
- Verteilbereich (zustromseitig)
- 38
- Verteilbereich (abstromseitig)
- 40
- Vorverteilungskanal (zustromseitig)
- 42
- Vorverteilungskanal (abstromseitig)
- 44
- Drossel-Aperturen (zustromseitig)
- 46
- Drossel-Aperturen (abstromseitig)
- 50
- Säulen
- 52
- Wandelemente
- 53
- Strukturelemente
- 60
- Querschnittsverengungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2357698 B1 [0004]
- EP 2445045 B1 [0004]
- EP 2584635 B1 [0004]
- EP 2946431 B1 [0004]
- EP 3316377 A1 [0004]
- DE 102019000150 A1 [0007]
