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Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehene Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
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Eine Bipolarplatte eines Brennstoffzellensystems ist zum Beispiel in der
US 10,230,117 B2 beschrieben. Durch diese Bipolarplatte ist ein offenes Anodengasströmungsfeld sowie ein offenes Kathodengasströmungsfeld gebildet, wobei zugleich ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld vorhanden ist. Als Betriebsmitteldurchgangsöffnungen existieren zwei Anodengashauptkanäle, zwei Kathodengashauptkanäle, sowie zwei Kühlmittelhauptkanäle. Sogenannte inaktive Versorgungsbereiche stellen die Verbindungen zwischen den insgesamt sechs Hauptkanälen und den verschiedenen Strömungsfeldern her und sind in Kanalform strukturiert, wobei sich die verschiedenen Fluidströme in Draufsicht auf die Bipolarplatte kreuzen.
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Eine weitere mögliche Gestaltung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle ist aus der
US 8,911,917 B2 bekannt. In diesem Fall strömt ein Kühlmittel im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung von Gasen, mit welchen die Brennstoffzelle betrieben wird. Öffnungen zum Einströmen und Ausströmen von Kühlmittel sind hierbei als Schlitze an den Längsseiten der Bipolarplatte ausgebildet, wogegen die Gase an den Schmalseiten der Bipolarplatte zu- und abgeführt werden.
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Eine in der
DE 35 26 614 A1 offenbarte Brennstoffbatterie umfasst insgesamt drei auch als Verteilungskreise bezeichnete Verteilungsnetze, nämlich jeweils ein Verteilungsnetz für einen Brennstoff, einen Sauerstoffträger, sowie einen Elektrolyten. Die Brennstoffbatterie weist mehrere gestapelte Kunststoffrahmen sowie eine Vielzahl an plattenförmigen Stromkollektoren auf, durch welche rillenförmige Strukturen zur Durchleitung von Medien gebildet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoffstellen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen der Gleichmäßigkeit von Fluidverteilungen und auftretenden Druckverlusten angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildeten Vorrichtungen, das heißt die Bipolarplatte sowie ein mehrere solcher Bipolarplatten umfassendes Brennstoffzellensystem.
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Die Bipolarplatte ist aus zwei aufeinander liegenden, rechteckigen geprägten und fest miteinander verbundenen Halbblechen gebildet und weist an einer Schmalseite der Halbbleche drei nebeneinander angeordnete Ports in einem Fluideinströmbereich auf, nämlich einen Wasserstoff-Port, einen Kühlmittel-Port und einen Luft-Port, wobei der Kühlmittel-Port zwischen dem Wasserstoff-Port und dem Luft-Port angeordnet ist.
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Hierbei ist im Sinne der vorliegenden Erfindung mitzulesen, dass der Wasserstoff-Port alternativ auch mit einem anderen Brenngas als Wasserstoff versorgt werden kann. Der Luft-Port kann alternativ auch mit reinem Sauerstoff anstelle von Luft versorgt werden.
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Durch eines der Halbbleche ist ein anodenseitiges Aktivfeld gebildet, während durch das andere Halbblech ein kathodenseitiges Aktivfeld gebildet ist. Das Kühlmittel wird vom Kühlmittel-Port zwischen die beiden Halbbleche geführt und durchströmt zwischen diesen die Bipolarplatte. Das Brenngas, hier insbesondere Wasserstoff, wird vom Wasserstoff-Port auf die Anodenseite geführt, während Luft oder Sauerstoff vom Luft-Port auf die Kathodenseite geführt wird. Demnach werden das Brenngas und die Luft bzw. der Sauerstoff durch die beiden Halbbleche voneinander getrennt geführt. Zwischen den Ports und der jeweiligen Aktivfläche sind Strukturen zur Verteilung der Fluide, das heißt Wasserstoff, Kühlmittel und Luft, gebildet. Diese Strukturen ergeben sich aus den beim Prägen der dünnen Metallbleche zur Ausbildung des Aktivfeldes und der Verteilerfelder unmittelbar auf der Rückseite des Halbbleches und entsprechen also der beim Prägen durchgedrückten Struktur, die sich in einem erhabenen Profil auf der dem Aktivfeld abgewandten Seite des Halbbleches abzeichnet. Die Strukturen zur Verteilung der Fluide liegen, ausgehend von den Ports in Richtung zum jeweiligen Aktivfeld, in Form von drei voneinander unterscheidbaren Abschnitten vor.
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Die verwendeten Metallbleche weisen eine Blechdicke von kleiner 1 mm, insbesondere im Bereich von 50 bis 200 µm, besonders bevorzugt von 100 µm, auf.
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Im Einzelnen sind dies ein erstes Verteilerfeld, welches als Sammler für das jeweilige Fluid ausgebildet ist, der sich in seiner Breite ausgehend vom Kühlmittel-Port in Richtung des Aktivfeldes über diesen mittleren der drei Ports hinaus bis zu den beiden äußeren Ports erweitert und erstreckt, wobei das erste Verteilerfeld durch ebene Bereiche der Halbbleche ausgebildet ist, für eine, eine Querströmungen zulassende, ungerichtete Strömung des jeweiligen Fluids Vorzugsweise verlaufen eine an den Kühlmittel-Port angrenzende Seite und eine die an das zweite Verteilerfeld grenzende Seite des ersten Verteilerfeldes parallel zueinander.
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Ein zweites Verteilerfeld ist vorhanden, welches in Kanalform umfassend lineare Kanäle strukturiert ist, wobei sich die linearen Kanäle ausgehend vom ersten Verteilerfeld in Richtung des Aktivfeldes mit unterschiedlichen Kanalbreiten erstrecken.
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Die linearen Kanäle weisen also keine identische Kanalbreiten auf. Insbesondere weisen die in der Draufsicht auf die Bipolarplatte die mittleren linearen Kanäle auf der Kühlmittelseite des zweiten Verteilerfeldes etwa 5 bis 40% der Breite der linearen Kanäle im Randbereich des zweiten Verteilerfeldes auf. Die Kanäle im Randbereich sind demnach breiter als im mittleren Bereich. Damit werden auch die dazu inversen Kanalbreiten auf der Gasseite der Bipolarplatte beeinflusst. Vorzugsweise weisen die linearen Kanäle für Brenngas und Luft in der Draufsicht auf die jeweilige Seite der Bipolarplatte im Randbereich des zweiten Verteilerfeldes 20 bis 50% der Kanalbreite der mittleren linearen Kanäle des zweiten Verteilerfeldes auf. Die Änderung der Kanalbreiten im zweiten Verteilerfeld von der Mitte zum Rand hin muss sich hierbei nicht linear ändern, vorzugsweise ändert sie sich in einer exponentiellen Art und Weise.
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Ein entsprechend dem ersten Verteilerfeld als weiterer Sammler ausgebildetes drittes Verteilerfeld ist vorhanden, welches an das zweite Verteilerfeld und an das Aktivfeld grenzt, wobei eine Breite des dritten Verteilerfeldes einer Breite des Aktivfeldes entspricht, und wobei das dritte Verteilerfeld durch weitere ebene Bereiche der Halbbleche ausgebildet ist, für eine, eine Querströmungen zulassende, ungerichtete Strömung des jeweiligen Fluids.
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Erfindungsgemäß wird unter einem „Sammler“ ein Fluidvolumen ohne strömungsleitende geometrische Merkmale verstanden. In diesem Volumen herrscht nicht zwangsläufig eine geradlinige Strömung vom Einström- zum Ausströmbereich, sondern es können Querströmungen auftreten, die eine, über die Breite der Ausströmgeometrie vergleichmäßigende Massenstromverteilung bewirken. Diese vergleichmäßigende Wirkung tritt insbesondere dann ein, wenn der Durchströmdruckverlust des Sammlers mindestens 5 mal kleiner ist als der des Aktivfeldes.
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Die aus allen drei nebeneinander angeordneten Ports gebildete Ein- oder Ausström-Anordnung für die verschiedenen Fluide ist insgesamt in Draufsicht auf die Bipolarplatte vorzugsweise breiter als das erste Verteilerfeld. Die Ein- und/oder Ausström-Anordnung für die Fluide befindet sich an der oder jeweisl an einer Schmalseite der rechteckigen Bipolarplatte. Die Hauptströmungsrichtung der Fluide entspricht hierbei der Längsrichtung der Bipolarplatte.
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Der Wasserstoff-Port und der Luft-Port sind bevorzugt jeweils in Form einer rechtwinkelig-trapezförmigen Öffnung ausgebildet und der Kühlmittel-Port ist bevorzugt in Form einer rechteckigen Öffnung ausgebildet.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei der Durchströmung von Brennstoffzellen mit Fluiden eine möglichst ideale Gleichförmigkeit der Fluidverteilung einerseits und ein geringer Druckverlust in den Fluiden andererseits einen Zielkonflikt darstellt. Kanalgeführte Verteiler für Fluide sind prinzipiell für einen Betrieb mit geringem Druckverlust geeignet, da für jeden Einzelkanal praktisch die gesamte Zellhöhe der Brennstoffzelle zur Verfügung steht. Die Leitung von Fluiden durch einzelne Kanäle kann jedoch zu einer ungleichen Verteilung des Fluids führen. Ein anderer denkbarer Ansatz, Fluid zu verteilen, besteht darin, eine größere, nicht strukturierte, ebene Fläche als Verteilungsfeld zu nutzen. In diesem Fall müssen mehrere derartige Verteilerfelder innerhalb der gegebenen geringen Zellhöhe übereinander gestapelt werden, was zum einen hinsichtlich der mechanischen Stabilität eine Herausforderung darstellen kann und zum anderen hohe Druckverluste mit sich bringt.
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Der beschriebene Zielkonflikt wird erfindungsgemäß dadurch gelöst oder zumindest entschärft, dass verschiedene Typen von Verteilerfeldern alternierend hintereinander geschaltet werden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass damit nicht nur eine gleichmäßige Fluidverteilung erzielbar ist, sondern auch eine Integration der gesamten Strukturen zur Fluidverteilung in die Bipolarplatte mit akzeptablem Platzbedarf realisierbar ist.
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Ausgehend von einer Vielzahl an Bipolarplatten, welche in einen Brennstoffzellenstapel derart eingebaut sind, dass jede Bipolarplatte eine Anodenseite einer Brennstoffzelle von einer Kathodenseite einer weiteren Brennstoffzelle trennt, ist ein Brennstoffzellensystem allgemein betreibbar, indem drei teils gasförmig, teils flüssig vorliegende Fluide, nämlich Wasserstoff, Kühlmittel und Luft, von drei nebeneinander angeordneten Ports zu einem Aktivfeld der Bipolarplatte geleitet werden.
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Die Leitung der verschiedenen Fluide zum Aktivfeld geschieht, indem die Fluide zunächst das erste Verteilerfeld durchströmen, anschließend durch das zweite Verteilerfeld strömen, welches im Gegensatz zum ersten Verteilerfeld in Kanalform strukturiert ist, und vom zweiten Verteilerfeld aus in das dritte, an das Aktivfeld grenzende, als Sammler ausgebildete Verteilerfeld gelangen, dessen Breite der Breite des Aktivfeldes entspricht. In den Sammlern sind die Räume, in welchen sich die verschiedenen Fluide befinden, entsprechend der Lage der Bipolarplatten übereinander gestapelt, so dass die Schichten, in welchen sich die Fluide befinden, zueinander und zu den Bipolarplatten parallele Ebenen definieren. Damit können innerhalb des ersten sowie des dritten Verteilerfeldes übereinander geschichtete Sammelräume für die verschiedenen Fluide gebildet sein, welche sich über die gesamte Breite des jeweiligen Verteilerfeldes erstrecken. Insbesondere nimmt dabei senkrecht zur Ebene der Bipolarplatte innerhalb eines vorhandenen Bauraums von zwei Halbzellen der Sammelraum für Kühlmittel bis 40 % der Höhe des Bauraums, der Sammelraum für Wasserstoff 15 bis 35 % der Höhe des Bauraums und der Sammelraum für Luft 40 bis 60% der Höhe des Bauraums ein. Die Höhe des Bauraumes erstreckt sich dabei zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten, die die Bipolarplatte in der Einbausituation in einem Brennstoffzellenstapel auf ihrer Kathodenseite und Anodenseite bedecken.
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Im Unterschied hierzu bedeutet die lineare Kanalstruktur, welche im zweiten Verteilerfeld gegeben ist, dass in diesem Fall Kanäle nebeneinander angeordnet sind, so dass sich eine streifenförmige Strukturierung in Draufsicht auf die Bipolarplatte ergibt.
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Hierbei kann die Fluidführung mit Vorteil derart gestaltet sein, dass die beiden gasförmigen Fluide, das heißt Luft und Wasserstoff, ausgehend vom jeweiligen Port, in Draufsicht auf eine der beiden das Aktivfeld aufweisenden Seiten der Bipolarplatte, zunächst innerhalb des ersten Verteilerfeldes ohne Strömungsleitung innerhalb dieses Verteilerfeldes kreuzförmig (voneinander räumlich getrennt auf der jeweiligen Seite der Bipolarplatte) aufeinander zu strömen, um anschließend durch das zweite Verteilerfeld aufgefächert zu werden, während das Kühlmittel zwischen den Halbblechen sowohl im ersten als auch im zweiten Verteiler einen kontinuierlich breiter werdenden Raum einnimmt.
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Wird im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems von Luft gesprochen, so gilt die entsprechende Aussage auch für einen Betrieb mit einem sonstigen Sauerstoff enthaltenden Gas oder mit reinem Sauerstoff. Ebenso ist ein Austausch von Wasserstoff gegen einen anderen Brennstoff, beispielsweise Methan, möglich. Analoges gilt für das Kühlmittel, auch wenn hierfür insbesondere Kühlwasser verwendet wird.
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Erfindngsgemäß ist - in der Draufsicht auf eine der beiden das Aktivfeld aufweisenden Seiten der Bipolarplatte - der Kühlmittel-Port zwischen dem Wasserstoff-Port und dem Luft-Port angeordnet, womit eine besonders gleichmäßige Durchströmung der Bipolarplatte mit Kühlmittel erzielbar ist. Hierbei weist der Kühlmittel-Port eine rechteckige Grundform auf, wogegen der Wasserstoff-Port und der Luft-Port unsymmetrisch geformt sein können und bevorzugt nicht gleich groß sind. Insbesondere nimmt der Wasserstoff-Port eine kleinere Fläche ein als der Luft-Port.
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Das erste, in Draufsicht auf die Bipolarplatte unstrukturierte erste Verteilerfeld weist eine sich von dem mittleren Port in Richtung zum Aktivfeld aufweitende Form auf. Mit dieser Ausgestaltung sind einheitliche, kurze Distanzen zwischen den Ports und dem ersten Verteilerfeld realisierbar, wenn der Wasserstoff-Port und der Luft-Port jeweils in Form einer rechtwinkelig-trapezförmigen Öffnung ausgebildet sind.
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Das zweite Verteilerfeld umfasst vorzugsweise mindestens acht und insbesondere höchstens 64 parallel geschaltete lineare Kühlmittelkanäle, wobei zwischen zwei Kühlmittelkanälen jeweils zwei durch die Halbbleche voneinander getrennte Kanäle für die gasförmigen Fluide gebildet sind und die damit gegebene, in Draufsicht auf die Halbbleche erkennbare lineare Kanalstruktur des zweiten Verteilerfeldes weniger fein gegliedert ist als die Kanalstruktur des Aktivfeldes. Das heißt, dass die durchschnittliche Kanalbreite im zweiten Verteilerfeld größer als eine Kanalbreite im Aktivfeld ist. Durch die im Vergleich zur Strukturierung des Aktivfeldes relativ grobe Aufteilung des zweiten Verteilerfeldes in voneinander getrennte Kanäle ist zum einen ein widerstandsarmer Durchfluss durch das zweite Verteilerfeld möglich und zum anderen in Zusammenwirkung mit dem dritten Verteilerfeld eine ausreichende Durchmischung eines jeden Fluids gegeben.
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Das zweite Verteilerfeld weist eine sich vom ersten Verteilerfeld in Richtung zum dritten Verteilerfeld aufweitende Trapezform auf. Die Kanalbreite der linearen Kanäle im zweiten Verteilerfeld nimmt vorzugsweise von innen nach außen, also in Richtung zu den Längsseiten der Bipolarplatte und damit zu den Rändern des fächerförmigen, strukturierten Verteilerfeldes, zu. Weiterhin kann die Kanalbreite eines einzelnen linearen Kanals im zweiten Verteilerfeld ausgehend vom ersten Verteilerfelld stetig zunehmen, was der sich aufweitenden Trapezform des zweiten Verteilerfeldes geschuldet ist.
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Beim Verlassen des zweiten Verteilerfeldes in Richtung zum Aktivfeld der Bipolarplatte sind sämtliche Gas- und Flüssigkeitsströme auf eine Breite ausgedehnt, welche zumindest annähernd der Breite des Aktivfeldes entspricht. Das dritte Verteilerfeld kann in Draufsicht auf die Halbbleche eine schmale, in Querrichtung der Bipolarplatte ausgerichtete Rechteckform beschreiben, wobei es in Strömungsrichtung der Fluide gemessen schmaler als das erste Verteilerfeld, insbesondere maximal halb so breit wie das erste Verteilerfeld, sein kann. Die Vergleichmäßigung der Flüssigkeits- und Gasströme ist zum größten Teil bereits bei Austritt der Fluide aus dem zweiten Verteilerfeld erfolgt. Innerhalb des dritten Verteilerfeldes findet eine finale, feine Verteilung der Fluide statt.
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Das zweite Verteilerfeld stellt, in Strömungsrichtung der Fluide gemessen, gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen das in Strömungsrichtung der Fluide gemessen breiteste der drei hintereinander geschalteten Verteilerfelder dar, wobei die Summe aus der Breite des ersten Verteilerfeldes und der Breite des dritten Verteilerfeldes von der Breite des zweiten Verteilerfeldes beispielsweise um nicht mehr als 25% nach oben oder unten abweicht.
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Die beschriebenen geometrischen Relationen gelten nicht nur für die Strukturen, durch welche die verschiedenen Fluide in Richtung Aktivfeld strömen, sondern in entsprechender Weise auch für die durch die Bipolarplatte gebildeten Strukturen, welche Fluide vom Aktivfeld und damit aus der Brennstoffzelle ableiten.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils vereinfacht:
- 1 ausschnittsweise eine Bipolarplatte in Draufsicht,
- 2 ein Detail der Bipolarplatte in einer Schnittdarstellung A-A,
- 3 ein weiteres Detail der Bipolarplatte in einer Schnittdarstellung B-B,
- 4 ein weiteres Detail der Bipolarplatte in einer Schnittdarstellung C-C, und
- 5 ein weiteres Detail der Bipolarplatte in einer Schnittdarstellung D-D.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte ist zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Brennstoffzellensystem vorgesehen. Hierbei kann es sich um ein stationäres oder um ein mobiles System, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, handeln. Eine Vielzahl an Brennstoffzellen ist zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt. Hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus und der Funktion eines solchen Brennstoffzellenstapel wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen.
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Die Bipolarplatte 1 ist aus zwei rechteckigen Halbblechen 2, 3 (vergleiche 2 bis 5) aufgebaut, die fest miteinander verbunden sind. Durch jede Bipolarplatte 1 des Brennstoffzellenstapels ist eine Halbzelle 4 einer Brennstoffzelle von einer Halbzelle 5 einer weiteren Brennstoffzelle getrennt. Zwischen den beiden Halbblechen 2, 3 ein und derselben Bipolarplatte 1 fließt Kühlmittel, welches durch einen Kühlmittel-Port 6 einströmt und durch einen weiteren nicht dargestellten Kühlmittel-Port am anderen Ende der Bipolarplatte 1 ausströmt.
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Weiter sind durch die Bipolarplatte 1 ein Wasserstoff-Port 7 und ein Luft Port 8 gebildet. Die drei Ports 7, 6, 8 sind an einer Schmalseite der Bipolarplatte 1 nebeneinander angeordnet. Der Kühlmittel-Port 6 hat, wie aus 1 hervorgeht, einen rechteckigen Querschnitt. Dagegen sind die Ports 7, 8, die von Gasen zu durchströmen sind, zwar ebenfalls viereckig, jedoch mit einem keilförmig angeschrägten Querschnitt beziehungsweise in Form eines rechteckigen Trapezes ausgebildet. Jedes der rechteckigen Trapeze zeigt mit seiner schrägen Kante zum ersten Verteilerfeld 10.
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Zwischen sämtlichen Ports 6, 7, 8 und einem ersten Verteilerfeld 10 befinden sich Übergangsbereiche 9, die jeweils eine Streifenform einheitlicher Breite haben, wobei in den Übergangsbereichen 9 Dichtungen 21 derart angeordnet sind, dass eine Durchströmung ausschließlich mit dem jeweils vorgesehenen Fluid möglich ist. Die Dichtung 21 umgibt weiterhin jeden der Ports 6, 7, 8. Die Übergangsbereiche 9 zwischen den Ports 7, 8 und dem ersten Verteilerfeld 10 sind gegenüber dem Übergangsbereich 9 zwischen dem Kühlmittel-Port 6 und dem ersten Verteilerfeld 10 jeweils um einen Winkel von 45° ± 15° schräg gestellt. Insgesamt grenzen die Übergangsbereiche 9 damit an drei Seiten des ersten Verteilerfeldes 10, welches eine modifizierte Trapezform beschreibt. Die Modifikation gegenüber einem geometrisch perfekten Trapez ist darauf zurückzuführen, dass der Luft-Port 8 deutlich größer als der Wasserstoff-Port 7 ist. Im vorliegenden Fall hat das erste Verteilerfeld 10 eine fünfeckige Form, wobei es sich von den Ports 6, 7, 8 in Richtung zu einem an das erste Verteilerfeld 10 unmittelbar anschließenden zweiten Verteilerfeld 11 V-förmig aufweitet.
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2 zeigt den Schnitt A-A durch die Bipolarplatte 1 gemäß 1 im Berich des Kühlmittel-Ports 6. Dabei ist zu erkennen, dass im Bereich des ersten Verteilerfeldes 10 die Metallbleche 2, 3 eben und parallel zueinander verlaufen. Durch gestrichelte Linien sind Grenzen der Halbzellen 4, 5 angedeutet.
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Auch das zweite Verteilerfeld 11 in 1 zeigt eine V-förmige Aufweitung ausgehend vom ersten Verteilerfeld 10 in Richtung des dritten Verteilerfeldes 12, welche jedoch weniger ausgeprägt als beim ersten Verteilerfeld 10 ist.
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An das zweite Verteilerfeld 11 schließt unmittelbar das dritte Verteilerfeld 12 an, welche im Unterschied zu den Verteilerfeldern 10, 11 die Form eines schmalen Rechtecks hat.
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Das dritte Verteilerfeld 12 grenzt an das mit 13 bezeichnete, strukturierte Aktivfeld der Bipolarplatte 1. Durch die beiden Halbbleche 2, 3 sind jeweils ein anodenseitiges und ein kathodenseitiges Aktivfeld 13 gegeben. Jedes Aktivfeld weist eine mit 14 bezeichnete Kanalstruktur auf.
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Die 4 zeigt schematisch einen Schnitt C-C durch die Kanalstruktur des zweiten Verteilerfeldes 11. Eine ähnliche, streifenartig strukturierte Form ist auch im Aktivfeld 13 gegeben. In 4 bezeichnet 15 einen Kühlmittelkanal, 16 einen Luftkanal und 17 einen Wasserstoffkanal. Durch gestrichelte Linien sind Grenzen der Halbzellen 4, 5 angedeutet. Wie aus 4 hervorgeht, entspricht die in Normalrichtung der Ebenen, in welchen die Halbbleche 2, 3 liegen, zu messende Höhe des Kühlmittelkanals 15 annähernd der Höhe zweier Halbzellen 4, 5, das heißt einer Brennstoffzelle. Die Kühlmittelkanäle 15 weisen einen hexagonalen Querschnitt auf, durch welchen auch die Querschnitte der Kanäle 16, 17, welche zwischen benachbarten Kühlmittelkanälen liegen, bestimmt sind. Anders als in der schematisierten 4 dargestellt, können die Halbbleche 2, 3 im Bereich der Kanäle 16, 17 unmittelbar aufeinander liegen, so dass die einzelnen Kühlmittelkanäle 15 in deren Querrichtung voneinander getrennt sind.
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Die in das zweite Verteilerfeld 11 einströmenden Fluidströme sind durch das erste Verteilerfeld 10, welches im Unterschied zum zweiten, kanalartig strukturierten Verteilerfeld 11 als Sammler ausgebildet ist, bereits teilweise vergleichmäßigt. Der Aufbau des Sammlers 10 geht aus 3 hervor, welche einen Schnitt B-B durch die Bipolarplatte 1 zeigt. Danach ist im Bereich des Sammlers beziehungsweise ersten Verteilerfelds 10 eine geschichtete Strömung der verschiedenen Flüssigkeiten und Gase übereinander gegeben. Zwischen den Halbblechen 2, 3 ist ein Kühlmittelsammler 19 gebildet, der sich sandwichartig zwischen einem Luftsammler 18 und einem Wasserstoffsammler 20 befindet. Die Sammelräume 18, 19, 20, wie der Luftsammler 18, der Kühlmittelsammler 19 und der Wasserstoffsammler 20 zur sprachlichen Unterscheidung von den Sammlern des ersten Verteilerfels 10 und des dritten Verteilerfelds 12 zusammenfassend genannt werden, erstrecken sich über die gesamte Breite des ersten Verteilerfeldes 10, das heißt des ersten Sammlers.
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Der Aufbau des dritten Verteilerfeldes 12, das heißt des zweiten Sammlers, ist im Schnitt D-D gemäß 5 gezeigt und entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Sammlers beziehungsweise ersten Verteilerfeldes 10. Im zweiten Sammler werden die verschiedenen Medien, welche das zweite Verteilerfeld 11 verlassen haben, fein verteilt, wobei die Höhe der einzelnen Sammelräume 18a, 19a, 20a, also des Kühlmittelsammlers 19a, des Luftsammlers 18a und des Wasserstoffsammlers 20a, innerhalb des zweiten Sammlers je nach gewünschten Druck- und Strömungsverhältnissen ausgelegt werden. Insgesamt schaffen die Verteilerfelder 10, 11, 12, welche alternierend nicht strukturiert und kanalartig strukturiert sind, gute Voraussetzungen für eine gleichmäßige Generierung elektrischer Leistung sowie thermische Belastung innerhalb des Aktivfeldes 13. Zudem sind durch die Aufteilung der strömungsleitenden Strukturen in einzelne strömungstechnisch hintereinander geschaltete, unterschiedlich gestaltete Abschnitte 10, 11, 12, das heißt Verteilerfelder, unter Vermeidung großflächiger ebener Bereiche dreidimensionale Formen der Halbbleche 2, 3 gegeben, welche eine Übertragung nennenswerter Kräfte, auch bei mobilen Anwendungen, innerhalb der Bipolarplatte 1 sowie des gesamten Brennstoffzellenstapels bei sparsamem Materialeinsatz und raumsparendem Aufbau ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Halbblech
- 3
- Halbblech
- 4
- Halbzelle
- 5
- Halbzelle
- 6
- Kühlmittel-Port
- 7
- Wasserstoff-Port
- 8
- Luft-Port
- 9
- Übergangsbereich
- 10
- erstes Verteilerfeld, Sammler
- 11
- zweites Verteilerfeld
- 12
- drittes Verteilerfeld, Sammler
- 13
- Aktivfeld
- 14
- Kanalstruktur
- 15
- Kühlmittelkanal
- 16
- Luftkanal
- 17
- Wasserstoffkanal
- 18
- Luftsammler
- 18a
- Luftsammler
- 19
- Kühlmittelsammler
- 19a
- Kühlmittelsammler
- 20
- Wasserstoffsammler
- 20a
- Wasserstoffsammler
- 21
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10230117 B2 [0002]
- US 8911917 B2 [0003]
- DE 3526614 A1 [0004]
