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Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehene, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Bipolarplatte, durch welche Wandungen von Kühlmittelkanälen sowie Medienkanälen gebildet sind.
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Eine gattungsgemäße Bipolarplatte ist beispielsweise aus der
DE 20 2020 103 228 U1 bekannt. Die bekannte Bipolarplatte ist aus zwei Separatorplatten zusammengesetzt, welche allgemein auch als Halbbleche bezeichnet werden. Zwischen den Halbblechen sind Kanäle für ein Kühlmedium gebildet. Die nach außen gewandten Oberflächen der beiden Halbbleche, das heißt die von außen sichtbaren Oberflächen der Bipolarplatte, weisen Kanalstrukturen zur Leitung der Reaktionsmedien des die Bipolarplatte umfassenden elektrochemischen Systems auf. Eine Mehrzahl an Kühlmittelkanälen sowie Kanälen für die Reaktionsmedien sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. An einzelnen Stellen der bekannten Bipolarplatte befinden sich Verbindungskanäle, welche die Überleitung von Kühlmittel von einem Kühlmittelkanal zu einem benachbarten Kühlmittelkanal ermöglichen. Die Verbindungskanäle sind zur Längsströmungsrichtung des Kühlmittels schräggestellt. Der durch einen Verbindungskanal bereitgestellte Strömungsquerschnitt geht zu Lasten eines außerhalb der Bipolarplatte gebildeten freien Querschnitts, durch welchen ein Betriebsmedium oder eine Mischung verschiedener Betriebsmedien strömt. Dieser Bereich, in welchem die Betriebsmedien strömen, wird allgemein als aktiver Bereich der Bipolarplatte bezeichnet. Zum Abdichten des aktiven Bereiches weist die Bipolarplatte nach der
DE 20 2020 103 228 U1 eine in sich geschlossene Perimetersicke auf, welche den aktiven Bereich sowie eine Ausgangsöffnung des aktiven Bereichs umläuft.
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Möglichkeiten zur Verteilung von Medien an Oberflächen einer Separatorplatte einer Brennstoffzelle sind auch in der
DE 10 2021 000 629 A1 beschrieben. In diesem Fall befinden sich in einem Strömungsfeld Strömungsleitelemente zur auffächernden Verteilung eines Mediums.
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Eine weitere metallische Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ist in der
WO 2019/174028 A1 offenbart. Durch diese Bipolarplatte ist ein Flussfeld mit wellenförmigen Strukturen ausgebildet.
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Ein in der
US 6,541,145 B2 beschriebenes Flussfelddesign für Brennstoffzellen weist ebenfalls sinusförmige Konturen auf. In der Draufsicht auf das Flussfeld nach der
US 6,541,145 B2 sind inselförmige Strukturen erkennbar.
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Ein weiteres Flussfelddesign einer Platte einer elektrochemischen Zelle ist in der
US 2019/0221864 A1 beschrieben. In diesem Fall sind poröse Strukturen eines Flussfelds vorhanden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich des Transports von Medien in einem Brennstoffzellensystem weiterentwickelte Bipolarplatte anzugeben, wobei eine sowohl strömungstechnisch als auch fertigungstechnisch günstige Gestaltung gegeben sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Bipolarplatte ist in an sich bekannter Grundkonzeption aus zwei aufeinanderliegenden, miteinander verbundenen, sich an einer Mittelebene kontaktierenden Halbblechen aufgebaut. Zwischen den Halbblechen sind parallel zueinander verlaufende, in Draufsicht auf die Halbbleche voneinander beabstandete Kühlmittelkanäle gebildet. Die Außenseiten der Halbbleche begrenzen Medienkanäle einzelner Brennstoffzellen. Nebeneinander angeordnete Kühlmittelkanäle sind durch Verbindungskanäle miteinander verbunden, wobei durch diese Verbindungskanäle zugleich der freie, zur Durchströmung mit Betriebsmedien zur Verfügung stehende Querschnitt der angrenzenden Medienkanäle abschnittsweise verengt ist. Diese verengten Abschnitte werden dementsprechend als Verengungsabschnitte der Medienkanäle bezeichnet. Zumindest eine Teilmenge der Verengungsabschnitte, insbesondere sämtliche Verengungsabschnitte, sind in Längsrichtung der Medienkanäle ausgedehnter als in Querrichtung der Medienkanäle.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass in einer Brennstoffzelle entstehendes Wasser zuverlässig abgeleitet werden sollte, um die gewünschten elektrochemischen Reaktionen nicht zu behindern. Zu diesem Zweck sind grundsätzlich Elemente, die Medienströmungen verwirbeln, geeignet. Gleichzeitig sollte der Strömungswiderstand innerhalb der Brennstoffzelle nicht zu hoch werden. Diesem Zielkonflikt wird durch die Gestaltung der Bipolarplatte nach dem Anspruch 1 effizient Rechnung getragen, wobei zugleich keinerlei Einschränkungen hinsichtlich einer gleichmäßigen Kühlung hinzunehmen sind.
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In geometrisch einfacher Gestaltung sind die Verbindungskanäle beispielsweise orthogonal zu den Kühlmittelkanälen sowie zu den Medienkanälen für die Betriebmedien der Brennstoffzelle ausgerichtet. In den Medienkanälen wird unter anderem das beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende, in typischer Verfahrensführung teilweise rezirkulierte Wasser geleitet.
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Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen ist durch einen Verengungsabschnitt eines Medienkanals eine in Längsrichtung des Medienkanals ansteigende Rampe beschrieben. In analoger Weise kann am stromabwärtigen Ende des Verengungsabschnitts eine abfallende Rampe ausgebildet sein, wobei die beiden Rampen nicht notwendigerweise betragsmäßig die gleiche Steigung aufweisen. Die Rampen können konkave und/oder konvexe Abschnitte umfassen. Zwischen den Rampen und ebenen Abschnitten des Medienkanals, in welchem die Rampen liegen, können knickfreie Übergänge ausgebildet sein.
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Optional sind die Verengungsabschnitte in deren Querrichtung, das heißt orthogonal zur Längsrichtung der Medienkanäle, asymmetrisch ausgebildet. Beispielsweise ist die Asymmetrie eines Verbindungsabschnitts durch eine Flanke gegeben, welche in einer Ebene liegt, die in Relation zur Mittelebene der Bipolarplatte um eine parallel zu den Medienkanälen ausgerichtete Achse verkippt ist.
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Um mit Verwirbelungen einhergehende Druckverluste nicht zu stark ansteigen zu lassen, kann der in Längsrichtung der Medienkanäle gemessene Abstand zwischen zwei Verengungsabschnitten größer als die in derselben Richtung gemessene Erstreckung eines jeden Verengungsabschnitts sein.
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Diese geometrische Bedingung ist gemäß einer ersten Variante umsetzbar, indem die Verengungsabschnitte eines ersten Medienkanals - in dessen Längsrichtung betrachtet -jeweils zwischen den Verengungsabschnitten der beiden benachbarten Medienkanäle positioniert sind.
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Gemäß einer alternativen Variante existieren mehrere Paare an Medienkanälen, innerhalb welcher die Verengungsabschnitte - in Längsrichtung der Medienkanäle betrachtet - auf gleicher Höhe angeordnet sind, wobei zwischen zwei solchen Paaren an Medienkanälen mehrere Medienkanäle angeordnet sind, welche frei von Verengungsabschnitten sind. In diesem Fall sind Flanken der Verengungsabschnitte insbesondere derart in der beschriebenen Weise jeweils um eine in Längsrichtung eines Kanals ausgerichtete Achse verkippt, dass auf die Flanke treffendes Betriebsmedium teilweise in Richtung zu den Kanälen, in welchen sich keine Verengungsabschnitte befinden, umgelenkt wird.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellenstapel einschließlich einer Bipolarplatte, durch welche, teils zusammen mit anderen Komponenten des Brennstoffzellenstapels, verschiedene Kanäle gebildet sind,
- 2 die Anordnung nach 1 in einer weiteren Schnittdarstellung,
- 3 Gestaltungsmöglichkeiten einer Bipolarplatte in einer Darstellung, das heißt einem Längsschnitt, analog 2,
- 4 ein Detail eines weiteren Brennstoffzellenstapels in einer Darstellung, das heißt einem Querschnitt, analog 1,
- 5 und 6 verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten von Bipolarplatten in schematischer Draufsicht auf die jeweiligen Platten.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen 2, wobei jede Brennstoffzelle 2 eine erste Halbzelle 3 und eine zweite Halbzelle 4 aufweist. Eine Halbzelle 3 einer ersten Brennstoffzelle 2 ist von einer Halbzelle 4 einer anderen Brennstoffzelle 2 durch eine Membran-Elektroden-Anordnung 5 getrennt. Innerhalb einer jeden Brennstoffzelle 2 trennt eine Bipolarplatte 6 die beiden Halbzellen 3, 4 der jeweiligen Brennstoffzelle 2.
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Die Bipolarplatte 6 ist aus zwei aufeinander liegenden Halbblechen 7, 8 aufgebaut, welche sich an einer Mittelebene ME berühren. Bei den Halbblechen 7, 8 handelt es sich um profilierte, optional beschichtete Stahlbleche. Zwischen den Halbblechen 7, 8 sind zahlreiche Kühlmittelkanäle 9 gebildet, welche parallel zueinander ausgerichtet sind. Zugleich sind auf den Außenseiten der Halbbleche 7, 8 Medienkanäle 10 ausgebildet, welche - in Draufsicht auf die Bipolarplatte 6 - jeweils zwischen zwei Kühlmittelkanälen 9 angeordnet sind. Die Breite eines Kühlmittelkanals 9 ist mit B9, die Breite eines Medienkanals 10 mit B10 angegeben. In den Medienkanälen 10 wird insbesondere Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt. Die Prägetiefe eines jeden Halbblechs 7, 8 ist mit PT angegeben und entspricht der vollen Kanalhöhe des Medienkanals 10. Die mit H6 angegebene Maximalstärke der Bipolarplatte 6 entspricht dem Doppelten der Prägetiefe PT plus der zweifachen Materialstärke der Halbbleche 7, 8. Der Abstand zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen 5 ist durch die Bipolarplatte 6 praktisch vollständig ausgefüllt. Die Strömungsrichtung der in den Medienkanälen 10 fließenden Medien ist mit SR angegeben und entspricht im Wesentlichen der Strömungsrichtung des Kühlmittels.
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Zumindest in einzelnen Medienkanälen 10 befinden sich Verengungsabschnitte 13. In den Verengungsabschnitten 13 ist, anders als in denjenigen Abschnitten der Medienkanäle 10, in welchen die volle Kanalhöhe PT gegeben ist, das erste Halbblech 7 vom zweiten Halbblech 8 beabstandet. Durch diesen Abstand zwischen den Halbblechen 7, 8 sind Verbindungskanäle 12 gebildet, welche zwei benachbarte Kühlmittelkanäle 9 miteinander verbinden und allgemein auch als Kanalerweiterung bezeichnet werden. In den Ausführungsbeispielen sind die Verbindungskanäle 12, welche in Draufsicht auf die Bipolarplatte 6 stets unter einem Verengungsabschnitt 13 eines der Medienkanäle 10 liegen, orthogonal zu den Kanälen 9, 10 ausgerichtet. Die in Strömungsrichtung SR, das heißt in Längsrichtung der Kanäle 9, 10, zu messende Erstreckung der Verengungsabschnitte 13 ist als deren Breite B13 angegeben. Die in der selben Richtung zu messende Distanz zwischen zwei Verengungsabschnitten 13 ist mit D13 angegeben und stets größer als die Breite B13.
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Was die räumliche Gestaltung der Verengungsabschnitte 13 betrifft, existieren zahlreiche Variationsmöglichkeiten, die beispielhaft aus den 1 bis 4 hervorgehen. In der Variante nach den 1 und 2 trifft das strömende Medium, das heißt typischerweise eine Mischung von Wasser und einem gasförmigen Reaktionsmedium, innerhalb des Verengungsabschnitts 13 zunächst auf eine ansteigende Rampe 14, welche den freien Strömungsquerschnitt verjüngt. Der Begriff „ansteigende Rampe“ bezieht sich hierbei auf die Strömungsverhältnisse und impliziert keine Aussage über die Ausrichtung der Brennstoffzelle 2 im Raum und die tatsächliche Durchströmungsrichtung. Entsprechendes gilt für die mit 15 bezeichnete Maximalerhebung innerhalb des Verengungsabschnitts 13, das heißt diejenige Erhebung des Halbblechs 7, 8, welche den freien Strömungsquerschnitt für das Betriebsmedium maximal einschränkt. An der Maximalerhebung 15 ist eine minimale Höhe H13 des Verengungsabschnitts 13 gegeben. Anschließend weitet sich der freie Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung SR wieder auf, wobei in dem in 1 und 2 skizzierten Fall auch in diesem Bereich Rampen 14 ausgebildet sind.
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Die 3 veranschaulicht verschiedene mögliche Formen von Verengungsabschnitten 13, wobei diese in der dargestellten Weise oder auch in anderer Weise in Strömungsrichtung SR hintereinander geschaltet sein können. Im Längsschnitt der Bipolarplatte 6, wie in 3 erkennbar, können konkave Abschnitte 17 von Rampen 14 sowie konvexe Abschnitte 18 von Rampen 14 ausgebildet sein. In dem in 3 mittig positionierten Verengungsabschnitt 13 ist durch einen Verengungsabschnitt 13 ein Plateau 16 ausgebildet, was eine in dem entsprechenden Bereich konstante Höhe H 13 bedeutet.
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Das Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 dadurch, dass die Kanalerweiterung 12 längs ihrer Erstreckung, das heißt quer zu den Kanälen 9, 10, einen variierenden Querschnitt aufweist. Hierbei nimmt der Querschnitt der Kanalerweiterung 12 von einem ersten Kühlmittelkanal 9, in 4 ganz links, zu einem benachbarten Kühlmittelkanal 9, in 4 in der Mitte, ab. Die Strömungsrichtung SR ist in der Anordnung nach 4, ebenso wie in der Anordnung nach 1, senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet, soweit das Kühlmittel beziehungsweise die sonstigen Stoffe durch die zueinander parallelen Kanäle 9, 10 strömen. Bedingt durch die Form der Kanalerweiterung 12 hat im Fall von 4 auch der Verengungsabschnitt 13 eine asymmetrische Form. Hierbei ist eine Flanke 19 des Verengungsabschnitts 13 um einen Winkel α schräg gestellt, wobei der Winkel α zwischen einer Flächennormalen der Mittelebene ME und der Flanke 19 zu messen ist. Der Winkel α beträgt in dem in 4 skizzierten Fall 40° bis 55°. In Strömungsrichtung SR vor und nach der Maximalerhebung 15, welche durch die Flanke 19 gebildet ist, befinden sich Übergangsbereiche, die an Abschnitte des Halbblechs 7, 8 anschließen, welche die Mittelebene ME tangieren.
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Strömungsbeeinflussende Effekte der verschiedenen Verengungsabschnitte 13 sind in den 5 und 6 veranschaulicht. Hierbei bezieht sich die Gestaltung nach 5 auf die Form der Verengungsabschnitte 13 gemäß 1 und 2. In diesem Fall wird das in Strömungsrichtung SR fließende Medium durch jeden Verengungsabschnitt 13 in Turbulenzen versetzt, wobei dieser Effekt auch abseits des jeweiligen Medienkanals 10, das heißt links und rechts des Medienkanals 10, bezogen auf die Anordnung nach 5, zu beobachten ist. Bereiche, in denen sich die Verengungsabschnitte 13 signifikant auf die Strömung auswirken, sind in 5 in einigen Fällen durch Kreise kenntlich gemacht. Wie aus 5 hervorgeht, erstrecken sich diese Kreise, ausgehend von einem Verengungsabschnitt 13, der in einem bestimmten Medienkanal 10 liegt, symmetrisch bis in die benachbarten Medienkanäle 10 hinein.
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Im deutlichen Unterschied zur Anordnung nach 5 ist in der Anordnung nach 6 eine signifikante Asymmetrie der Wirkung der Verengungsabschnitte 13 gegeben. Die Verengungsabschnitte 13 weisen in diesem Fall die in 4 dargestellte Form auf. Die in der Anordnung nach 6 am weitesten links positionierten Verengungsabschnitte 13 weisen jeweils eine nach links gekippte Flanke 19 auf. Hierdurch wird, wie in 6 analog zu 5 durch Kreise angedeutet ist, eine Vielzahl an Strömungsbereichen mit ausgeprägter Turbulenz erzeugt. Diese Strömungsbereiche liegen schwerpunktmäßig links des Medienkanals 10, in welchem die Verengungsabschnitte 13 der genannten Form angeordnet sind. In dem rechts daneben angeordneten Medienkanal 10 befinden sich dagegen Verengungsabschnitte 13, in welchen die Flanken 19 nach rechts gekippt sind, wie in 4 dargestellt. Hierdurch werden Turbulenzen hauptsächlich im Bereich rechts des betreffenden Medienkanals 10 erzeugt. Insgesamt ist damit ein Paar an Reihen von Verengungsabschnitten 13 gebildet, welches symmetrisch zu einer Spiegelebene ausgebildet ist, die mittig durch den zwischen den beiden Medienkanälen 10 verlaufenden Kühlmittelkanal 9 gelegt ist und die Mittelebene ME orthogonal schneidet.
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Ein weiteres Paar an Medienkanälen 10, in welchen sich Verengungsabschnitte 13 befinden, die spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, befindet sich im rechten Bereich der in 6 gezeigten Anordnung. Zwischen den beiden beschriebenen Paaren an jeweils mehrere Verengungsabschnitte 13 aufweisenden Medienkanälen 10 befinden sich, wie aus 6 hervorgeht, drei weitere Medienkanäle 10, wobei diese frei von Verengungsabschnitten 13 sind und von den strömungsleitenden Effekten der mit den Verengungsabschnitten 13 versehenen Medienkanäle 10 mit profitieren. Insgesamt ist damit sowohl ein nicht zu hoher Strömungswiderstand als auch eine gute Durchmischung der an den Oberflächen der Bipolarplatte 6 strömenden Stoffe gegeben, womit insbesondere ein hoch effizienter Austrag von Wasser aus der Brennstoffzelle 2 bewirkt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Halbzelle
- 4
- Halbzelle
- 5
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 6
- Bipolarplatte
- 7
- Halbblech
- 8
- Halbblech
- 9
- Kühlmittelkanal
- 10
- Medienkanal
- 11
- Verbindungsbereich der Halbbleche
- 12
- Kanalerweiterung des Kühlmittelkanals, Verbindungskanal
- 13
- Verengungsabschnitt des Medienkanals
- 14
- Rampe im Medienkanal
- 15
- Maximalerhebung im Medienkanal
- 16
- Plateau des Verengungsabschnitts
- 17
- konkaver Abschnitt einer Rampe
- 18
- konvexer Abschnitt einer Rampe
- 19
- Flanke im Verengungsabschnitt
- α
- Winkel
- B9
- Breite des Kühlmittelkanals
- B10
- Breite des Medienkanals
- B13
- Breite eines Verengungsabschnitts in Strömungsrichtung
- D13
- Abstand zwischen zwei Verengungsabschnitten
- H6
- Maximalstärke der Bipolarplatte
- H13
- minimale Höhe des Verengungsabschnitts
- ME
- Mittelebene
- PT
- Prägetiefe eines Halbblechs, volle Kanalhöhe des Medienkanals
- SR
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202020103228 U1 [0002]
- DE 102021000629 A1 [0003]
- WO 2019174028 A1 [0004]
- US 6541145 B2 [0005]
- US 20190221864 A1 [0006]
