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Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Strömungsplatte für eine Bipolarplatte, eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um, wobei Elektrizität entsteht, die einem Verbraucher, wie bspw. einem Elektromotor, zugeführt werden kann, um diesen anzutreiben.
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Brennstoffzellen umfassen Bipolarplatten, die wiederum aus zwei Strömungsplatten aufgebaut sind. Die Strömungsplatten sind dazu konfiguriert, Betriebsmedien zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wie bspw. Kühlmittel, Brennstoff und Luft durch die Brennstoffzelle zu führen, um den Brennstoff umzusetzen. Dazu umfassen Strömungsplatten in der Regel Transportkanäle, durch die die Betriebsmedien von einem Versorgungssystem zugeführt bzw. aus der Strömungsplatte abgeführt werden. Weiterhin umfassen Strömungsplatten Strömungsgeometrien, wie bspw. Strömungskanäle, zum Leiten der Betriebsmedien in und durch einen aktiven Bereich bzw. eine aktive Fläche der Strömungsplatte bzw. aus der aktiven Fläche der Strömungsplatte.
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Mittels spezifisch ausgestalteter Verteilerbereiche werden durch die Transportkanäle zugeführte Betriebsmedien innerhalb einer Brennstoffzelle verteilt bzw. gesammelt und wieder abgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Strömungsplatte, eine Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Strömungsplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte bzw. der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein kompaktes und energieeffizientes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Strömungsplatte für eine Bipolarplatte vorgestellt. Die Strömungsplatte umfasst einen aktiven Bereich, der eine Anzahl Strömungskanäle umfasst, einen ersten Verteilerbereich und einen zweiten Verteilerbereich.
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Der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich umfassen jeweils eine Anzahl Transportkanäle und eine Anzahl Strömungsgeometrien, wobei jeweilige Transportkanäle der Anzahl Transportkanäle dazu konfiguriert sind, Betriebsmedien für ein Brennstoffzellensystem zu transportieren.
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Jeweilige Strömungsgeometrien der Anzahl Strömungsgeometrien sind dazu konfiguriert, einen Strömungsverlauf der Betriebsmedien zu leiten, wobei mindestens eine Strömungsgeometrie des ersten Verteilerbereichs in fluidleitendem Kontakt mit den Strömungskanälen des aktiven Bereichs steht, wobei eine erste Verbindungsfläche des aktiven Bereichs, durch den der aktive Bereich mit dem ersten Verteilerbereich fluidleitend verbunden ist, in einem Winkel zu einer Längsachse des aktiven Bereichs geneigt ist, der ungleich einem rechten Winkel ist, und wobei eine zweite Verbindungsfläche des aktiven Bereichs, durch den der aktive Bereich mit dem zweiten Verteilerbereich fluidleitend verbunden ist, in einem Winkel zu der Längsachse des aktiven Bereichs geneigt ist, der ungleich einem rechten Winkel ist.
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Unter einem aktiven Bereich ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich einer Strömungsplatte zu verstehen, in dem Strömungskanäle ausgebildet sind, die zueinander parallel verlaufen. Insbesondere findet in einem aktiven Bereich eine Umsetzung von Brennstoff statt.
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Unter einer Strömungsgeometrie ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Anordnung von Elementen, insbesondere Strömungskanälen zu verstehen, die jeweilige Betriebsmedien entlang eines vorgegebenen Strömungspfads leiten.
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Unter einer Verbindungsfläche ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich zu verstehen, an dem der aktive Bereich mit einem jeweiligen Verteilerbereich verbunden ist.
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Unter einer Längsachse des aktiven Bereichs ist im Kontext der vorliegenden Erfindung eine gerade entlang einer langen Seite durch den aktiven Bereich verlaufende Achse, insbesondere eine Symmetrieachse des aktiven Bereiches zu verstehen.
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Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein aktiver Bereich in der erfindungsgemäßen Strömungsplatte vorgesehen ist, der nicht rechteckig ist bzw. eine Form aufweist, deren Randbereich keinen rechten Winkel aufweist. Durch die Form des aktiven Bereichs der Strömungsplatte wird eine Fläche von inaktiven Bereichen, wie bspw. den Verteilerbereichen minimiert und eine Fläche des aktiven Bereichs maximiert. Ferner ermöglicht die Form des aktiven Bereichs der Strömungsplatte eine Ausgestaltung des aktiven Bereichs, durch die eine gestapelte Anordnung bzw. eines sogenannte „duck and dive Anordnung“ von Strömungskanälen minimiert, insbesondere vermieden wird. Weiterhin wird durch die Form des aktiven Bereichs der Strömungsplatte der Aufwand für ein Einbringen von Dichtungen minimiert.
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Besonders vorteilhaft hat sich die Form des aktiven Bereichs der vorgestellten Strömungsplatte im Hinblick auf einen Druckverlauf von durch die Strömungsplatte strömenden Betriebsmedien erwiesen, da ein Druckabfall durch die nicht-rechtwinklige Form minimiert wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der aktive Bereich, der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich zusammen einen rechteckigen Randbereich formen. Durch einen rechteckig geformten Randbereich der vorgestellten Strömungsplatte wird ein Verkratzen bzw. Beschädigen von Katalysatorschichten bei der Verwendung einer Membranelektrodeneinheit ohne Zwischendichtung (Subgasket) minimiert. Ferner wird ein Verschnitt beim Herstellen der Membranelektrodeneinheit minimiert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils einen Bereich aufweisen, der den rechteckigen Rand um einen außerhalb des Rechtecks liegenden Zusatzbereich erweitert.
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Durch einen den rechteckigen Rand erweiternden Zusatzbereich kann besonders einfach ein Vormischbereich bereitgestellt werden, in dem lediglich zwei Betriebsmedien in die Strömungsplatte eingebracht werden, sodass diese vorkonditioniert werden, bevor diese sich mit einem dritten Betriebsmedium austauschen, und bspw. thermische Energie aufeinander übertragen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils die Form eines Dreiecks, insbesondere die Form eines rechtwinkligen Dreiecks haben.
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Ein dreieckiger Verteilerbereich hat sich als besonders strömungsoptimiert für ein Zuführen von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich erwiesen. Entsprechend minimiert ein dreieckiger Verteilerbereich einen Druckverlust eines durch die Strömungsplatte strömenden Betriebsmediums.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils eine Anzahl Kühlmitteltransportkanäle umfassen, die dazu konfiguriert sind, Kühlmittel zu transportieren, eine Anzahl Brennstofftransportkanäle umfassen, dazu konfiguriert sind, Brennstoff zu transportieren und eine Anzahl Lufttransportkanäle umfassen, die dazu konfiguriert sind, Luft zu transportieren,
wobei der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils zwei gegenüberliegende kurze Seiten und zwei gegenüberliegende lange Seiten umfassen, und
wobei die Anzahl Kühlmitteltransportkanäle an einer kurzen Seite und die Anzahl Brennstofftransportkanäle sowie die Anzahl Lufttransportkanäle an einer langen Seite angeordnet sind.
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Durch eine Anzahl Kühlmittelkanäle, die an der kurzen Seite eines jeweiligen Verteilerbereichs angeordnet sind, erfolgt eine Zufuhr bzw. ein Ableiten von Kühlmittel in bzw. aus einem jeweiligen Verteilerbereich seitlich bzw. von der Seite. Entsprechend kann eine Strömungsgeometrie zum Leiten von Kühlmittel besonders einfach quer bzw. längs zu jeweiligen Strömungsgeometrien zum Leiten anderer Betriebsmedien angeordnet werden, ohne dass es zu einem Druckverlust kommt. Mit anderen Worten wird durch die seitliche Anordnung der Anzahl Kühlmittelkanäle ein Umleiten der Strömungsrichtung von durch die Anzahl Kühlmittelkanäle strömendem Kühlmittel minimiert und, dadurch bedingt, ein Druck mit dem das Kühlmittel strömt maximiert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils eine Kühlmittelströmungsgeometrie umfassen, die zum Leiten von Kühlmittel zu dem aktiven Bereich konfiguriert ist, eine Brennstoffströmungsgeometrie umfassen, die zum Leiten von Brennstoff zu dem aktiven Bereich konfiguriert ist und eine Luftströmungsgeometrie umfassen, die zum Leiten von Luft zu dem aktiven Bereich konfiguriert ist, wobei die Kühlmittelströmungsgeometrie und die Brennstoffströmungsgeometrie zumindest bereichsweise zusammen in einem Vormischbereich übereinander und/oder parallel zueinander verlaufen und an dem Vormischbereich die Anzahl Kühlmitteltransportkanäle sowie die Anzahl Brennstofftransportkanäle angeordnet sind, sodass der Vormischbereich lediglich von Kühlmittel und Brennstoff durchströmbar ist, oder die Kühlmittelströmungsgeometrie und die Luftströmungsgeometrie zumindest bereichsweise zusammen in einem Vormischbereich parallel verlaufen und an dem Vormischbereich die Anzahl Kühlmitteltransportkanäle sowie die Anzahl Lufttransportkanäle angeordnet sind, sodass der Vormischbereich lediglich von Kühlmittel und Luft durchströmbar ist.
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Durch einen Vormischbereich in dem lediglich zwei Betriebsmedien in die Strömungsplatte eingebracht werden, können die zwei Betriebsmedien vorkonditioniert bzw. verteilt werden, bevor diese sich mit einem dritten Betriebsmedium austauschen bzw. eine Strömungsgeometrie teilen müssen, und bspw. thermische Energie aufeinander übertragen. Entsprechend kann bspw. durch ein frisch einströmendes Kühlmittel frische Luft besonders effizient gekühlt werden, ohne dass ein Einfluss von durch zugeführten Brennstoff eingebrachte thermische Energie auf die Luft und das Kühlmittel einwirkt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils einen Zusatzverteilerbereich zwischen dem Vormischbereich und dem aktiven Bereich umfassen, wobei in dem Zusatzverteilerbereich die Luftströmungsgeometrie oder die Brennstoffströmungsgeometrie längs zu jeweiligen quer verlaufenden und aus dem Vormischbereich austretenden Strömungsgeometrien angeordnet ist, sodass der Zusatzverteilerbereich von Kühlmittel, Luft und Brennstoff durchströmbar ist.
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Zusatzverteilerbereiche, in denen alle drei Betriebsmedien strömen, jedoch ein Betriebsmedium quer zu den anderen Betriebsmedien strömt, ermöglichen ein effizientes Überführen eines in einem Vormischbereich eingestellten Zustands der dort vorkonditionierten Betriebsmedien in den aktiven Bereich. Mit anderen Worten wird ein Einfluss des quer strömenden Betriebsfluids auf jeweilig parallel strömende Betriebsfluide minimiert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Verteilerbereich und der zweite Verteilerbereich jeweils eine Vielzahl Zusatzverteilerbereiche umfassen, die jeweils eine Kühlmittelströmungsgeometrie, eine Brennstoffströmungsgeometrie und eine Luftströmungsgeometrie umfassen, wobei in einem Teil der Zusatzverteilerbereiche zumindest eine Strömungsgeometrie der Kühlmittelströmungsgeometrie, der Brennstoffströmungsgeometrie und der Luftströmungsgeometrie quer zu jeweilig anderen längs verlaufenden Strömungsgeometrien verläuft, und wobei in einem weiteren Teil der Zusatzverteilerbereiche die Kühlmittelströmungsgeometrie, die Brennstoffströmungsgeometrie und die Luftströmungsgeometrie parallel zueinander und quer zu Strömungskanälen des aktiven Bereichs verlaufen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Strömungskanäle des aktiven Bereichs durchgehend gerade verlaufen.
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Durchgehend gerade verlaufende Strömungskanäle vermeiden einen sogenannte „duck and dive Aufbau“, bei dem Strömungskanäle räumlich unter oder über andere Strömungskanäle geführt werden, was zu einem Druckverlust von durch die Strömungskanäle strömenden Betriebsmedien führt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Bipolarplatte. Die vorgestellte Bipolarplatte umfasst zwei der vorgestellten Strömungsplatten.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Brennstoffzelle. Die vorgestellte Brennstoffzelle umfasst die vorgestellte Bipolarplatte eine Anodenschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht, wobei mindestens die Kathodenkatalysatorschicht lediglich Bereiche der Bipolarplatte abdeckt, die von Luft, Brennstoff und Kühlmittel durchströmbar sind.
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Durch eine Kombination der vorgestellten Bipolarplatte mit einer (Kathoden)Katalysatorschicht, die lediglich Bereiche der Bipolarplatte abdeckt, die von Luft, Brennstoff und Kühlmittel durchströmbar sind, wird ein besonders geringer Verbrauch von Katalysatormaterial bedingt, sodass die vorgestellte Brennstoffzelle besonders günstig in der Herstellung bzw. kostenoptimiert ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Strömungsplatte,
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Strömungsplatte,
- 3 eine schematische Darstellung einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Strömungsplatte,
- 4 eine schematische Darstellung einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Strömungsplatte,
- 5 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte,
- 6 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Brennstoffzelle.
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In 1 ist eine Strömungsplatte 100 dargestellt. Die Strömungsplatte 100 umfasst einen aktiven Bereich 101, einen ersten Verteilerbereich 103 und einen zweiten Verteilerbereich 105.
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Der erste Verteilerbereich 103 umfasst einen Kühlmitteltransportkanal 107 zur Zufuhr von Kühlmittel, einen Brennstofftransportkanal 109 zur Zufuhr von Brennstoff bzw. Wasserstoff und einen Lufttransportkanal 111 zur Zufuhr von Luft zu dem aktiven Bereich 101.
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Der zweite Verteilerbereich 105 umfasst einen Kühlmitteltransportkanal 113 zur Abfuhr von Kühlmittel, einen Brennstofftransportkanal 115 zur Abfuhr von verbrauchtem Brennstoff bzw. Wasser und einen Lufttransportkanal 117 zur Abfuhr von Luft aus dem aktiven Bereich 101.
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Vorliegend ist der aktive Bereich 101 in der Form eines Parallelogramms ausgestaltet, sodass eine Verbindungsfläche 119 des aktiven Bereichs 101, durch den der aktive Bereich 101 mit dem ersten Verteilerbereich 103 fluidleitend verbunden ist, in einem Winkel zu einer Längsachse 121 des aktiven Bereichs 101 geneigt ist, der ungleich einem rechten Winkel ist, und eine zweite Verbindungsfläche 123 des aktiven Bereichs 101, durch den der aktive Bereich 101 mit dem zweiten Verteilerbereich 105 fluidleitend verbunden ist, in einem Winkel zu der Längsachse 121 des aktiven Bereichs 101 geneigt ist, der ungleich einem rechten Winkel ist.
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Der Kühlmitteltransportkanal 113 ist an einer kurzen Seite des ersten Verteilerbereichs 103 bzw. quer oder versetzt zu dem Brennstofftransportkanal 115 und dem Lufttransportkanal 117 angeordnet, sodass durch den Kühlmitteltransportkanal 113 strömendes Kühlmittel quer bzw. versetzt zu durch den Brennstofftransportkanal 115 strömendem Brennstoff und quer bzw. versetzt zu durch den Lufttransportkanal 117 strömender Luft strömt. Aufgrund der nicht rechtwinkligen Ausgestaltung des aktiven Bereichs 101 strömt das Kühlmittel verteilt entlang der ersten Verbindungsfläche 119 in den aktiven Bereich 101 mit entsprechend geringem Druckverlust ein.
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In einem ersten Vormischbereich 125 wechselwirken lediglich das Kühlmittel und der Brennstoff, sodass der Brennstoff effizient vorkonditioniert wird.
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Der zweite Verteilerbereich 105 ist analog zu dem ersten Verteilerbereich 103 ausgestaltet und umfasst einen zweiten Vormischbereich 127.
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Der aktive Bereich 101 umfasst eine Vielzahl parallel verlaufender Strömungskanäle zum Leiten von Luft, Brennstoff und Kühlmittel, wie durch Pfeile 129, 131 und 133 angedeutet.
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In 2 sind der erste Vormischbereich 125 und der zweite Vormischbereich 127 außerhalb eines rechteckigen Bereichs der Strömungsplatte 100 angeordnet bzw. formen Ausstülpungen, sodass eine Zusatzfläche entsteht.
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Die Breite des Lufttransportkanals 117 kann bspw. zwischen 20% und 100%, insbesondere zwischen 50% und 100% der Breite des aktiven Bereichs 101 entsprechen.
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In 3 wurden der erste Vormischbereich 125 und der zweite Vormischbereich 127 auf eine bzgl. 1 gegenüberliegende Seite versetzt, sodass der erste Verteilerbereich 103 und der zweite Verteilerberiech 105 jeweils ein Parallelogramm formen.
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In 4 ist eine Vielzahl Zusatzverteilbereiche 141 vorgesehen. Dabei sind Strömungsgeometrien jeweiliger Zusatzverteilbereiche 141 räumlich versetzt, d.h. quer zueinander versetzt oder parallel zueinander jedoch quer zu den Strömungskanälen des aktiven Bereichs 101 versetzt angeordnet, wie durch Striche 135, 137 und 139 angedeutet.
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Durch die Vielzahl Zusatzbereiche 141 und die darin variierende räumliche Anordnung von Strömungsgeometrien durch bspw. duck and dive Anordnungen wird eine Anordnung 143, in der eine Wasserströmungsgeometrie quer zu einer Luftströmungsgeometrie und eine Brennstoffgeometrie verläuft und ein dadurch bedingter Druckverlust minimiert.
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In der Ausgestaltung gemäß 4 sind weder der aktive Bereich 101, noch der erste Verteilerbereich 103 oder der zweite Verteilbereich 105 rechteckig. Jedoch formen der aktive Bereich 101, der erste Verteilerbereich 103 und der zweite Verteilbereich 105 gemeinsam ein Rechteck.
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In 5 ist eine Bipolarplatte 200 dargestellt. Die Bipolarplatte 200 umfasst eine erste Strömungsplatte 201 und eine zweite Strömungsplatte 203.
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In 6 ist eine Brennstoffzelle 300 dargestellt. Die Brennstoffzelle 300 umfasst eine Bipolarplatte 200 und eine Kathodenkatalysatorschicht 301. Die Kathodenkatalysatorschicht deckt lediglich Bereiche der Bipolarplatte ab, die von Luft, Brennstoff und Kühlmittel durchströmbar sind, d.h. insbesondere den aktiven Bereich 101 der Strömungsplatten 201, 203.
