DE10253000A1

DE10253000A1 - Bipolarplatte mit Ports und einem Flowfield mit hoher Leistungsdichte

Info

Publication number: DE10253000A1
Application number: DE10253000A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. Blank (FH); Cosmas Dipl.-Ing. Heller; Ottmar Dipl.-Ing. Schmid (FH); Markus Dipl.-Ing. Schudy
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: DE10253000B4

Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) mit mindestens einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b), wobei sich ein von einem Eingangsport (4a) ausgehender Kanal (2) in Strömungsrichtung an einer Verzweigungsstelle (7) verzweigt und vor einem Ausgangsport (4b) an einer Sammlungsstelle (8) sammelt, wobei dieser Kanal (2) mit dem Ausgangsport (4b) verbunden ist und die Bipolarplatte (1) einen Verteilungsbereich (6) aufweist, der nach einer ersten Verzweigungsstelle (7a) der mit einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b) verbundenen Kanäle (2), ausgehend vom Eingangsport (4a), in Strömungsrichtung beginnt und vor einer ersten Kanal-Sammlungsstelle (8), ausgehend vom Ausgangsport (4b), entgegen der Strömungsrichtung endet, wobei die Anzahl der Kanalverzweigungen eines mit einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b) verbundenen Kanals (2) in dem Verteilungsbereich (6) gleichbleibend ist oder die Anzahl der Kanalverzweigungen zunächst zunimmt und dann abnimmt, wobei die Anzahl der Verzweigungen in dem Verteilungsbereich (6) mindestens zwei ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte einer PEM-Brennstoffzelle mit mindestens einem Eingangsport und einem Ausgangsport und einem dazwischen angeordneten Flowfield.

Solche Bipolarplatten können in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, kurz PEM-BZ, verwendet werden. Eine PEM-BZ muss, um eine hohe Leistungsausbeute zu erzielen, über eine Membran-Elektroden-Einheit (englisch: membrane electrode assembly, oder kurz MEA) gleichmäßig mit Reaktionsstoffen versorgt werden. Dies geschieht u.a. über eine an eine MEA angrenzende Bipolarplatte, in welche Kanäle eingearbeitet sind. Die aus den Kanälen resultierende Kanalstruktur wird auch Flowfield genannt. Die Kanäle dienen neben der gleichmäßigen Versorgung der MEA mit Reaktionsstoffen auch dem besseren Flüssigwasseraustrag. Kann das Flüssigwasser nicht aus der PEM-BZ entfernt werden, so behindert das Flüssigwasser, welches bei der Energieerzeugung entsteht, den Stofftransport der Reaktionsstoffe erheblich und die PEM-BZ verliert an Leistung. Der Flüssigwasseraustrag wie auch die Versorgung mit Reaktionsstoffen lässt sich über den Druckverlust bzw. über die Fließgeschwindigkeit der Fluide innerhalb der Kanäle bestimmen, der über die Geometrie und die Kanalstruktur einstellbar ist. Dabei ist darauf zu achten, dass der Druckverlust einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt, da ein zu hoher Druckverlust den Partialdruck der Reaktionsstoffe reduziert, was wiederum zu einer Reduzierung der PEM-BZ-Leistung führt. Andererseits werden zur Erhöhung der Leistungsdichte durch eine geringe Bauhöhe der Bipolarplatte kleine Kanalquerschnitte gefordert, die wiederum einen erhöhten Druckverlust nach sich ziehen. Die gleichmäßige Verteilung des Reaktionsstoffes oder der Reaktionsstoffe auf die einzelnen Kanäle wird beispielsweise durch große Ports sichergestellt. Große Ports und deren Anordnung senken aber wiederum die Leistungsdichte der PEM-BZ.

Aus den Dokumenten US 6,074,692 und EP 1 109 241 A2 sind Bipolarplatten mit Flowfields mit serpentinenförmigen Strömungsführungen bekannt.

Nachteilig an einer serpentinenförmigen Strömungsführung ist, dass die Kanäle sehr lang sind und dadurch bei ansonsten gleichen Kanalquerschnitten, im Vergleich zu parallelen Kanälen mit konstruktionsbedingt kürzeren Kanälen, ein erhöhter Druckverlust zwischen Beginn des Kanals und Ende des Kanals zu verzeichnen ist, was zu einer Reduzierung des Partialdrucks des strömenden Fluids und dadurch zu einer Reduzierung der PEM-BZ-Leistung führt.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 955 686 A1 ist eine parallele Strömungsführung eines Flowfields bekannt. Durch die höhere Kanalanzahl und durch die geringere Kanallänge ist der Druckverlust gering. Durch die höhere Anzahl an parallelen Kanälen werden jedoch größere Ports benötigt, was zu einer größeren Bauhöhe der Bipolarplatte und somit zu einer Reduzierung der Leistungsdichte der PEM-BZ führt.

Aus der internationalen Anmeldung WO 97/42672 ist eine Bipolarplatte mit Flowfield bekannt, welche sowohl parallele als auch serpentinenförmige Kanalstrukturen aufweist. Die Kanäle sind dabei blockartig miteinander verschachtelt.

Nachteilig daran ist, dass in dem Flowfield im Verteilungsbereich der Bipolarplatte einer Kanal-Verzweigungsstelle oder einer Folge von Kanal-Verzweigungsstellen stets eine Kanal-Sammlungsstelle oder eine Folge von Kanal-Sammlungsstellen folgt, wobei sich eine mehrfach alternierende Folge von Kanal- Verzweigungen und anschließender Sammlung dieser Kanäle zu jeweils wieder einem Kanal ergibt. Hierdurch kommt es zu unnötigen Druckverlusten und nachteiligen Strömungsverhältnissen in den Kanälen innerhalb des Verteilungsbereichs.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte mit einem Flowfield zu schaffen, bei der das Flowfield eine gute Verteilung eines durch das Flowfield strömenden Fluids bei hoher Leistungsdichte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Gegenstand betrifft eine Bipolarplatte einer PEM-Brennstoffzelle mit mindestens einem Eingangsport und einem Ausgangsport, wobei sich ein von einem Eingangsport ausgehender Kanal in Strömungsrichtung an mindestens einer Verzweigungsstelle verzweigt und vor einem Ausgangsport an mindestens einer Sammlungsstelle sammelt, wobei dieser Kanal mit dem Ausgangsport verbunden ist und die Bipolarplatte einen Verteilungsbereich aufweist, der nach einer ersten Verzweigungsstelle der mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundenen Kanäle, ausgehend vom Eingangsport in Strömungsrichtung beginnt, und vor der ersten Kanal-Sammlungsstelle, ausgehend vom Ausgangsport entgegen der Strömungsrichtung, endet, wobei die Anzahl der Kanal-Verzweigungen wenigstens eines mit einem Ausgangsport und Eingangsport verbundenen Kanals in dem Verteilungsbereich der Bipolarplatte gleichbleibend ist oder die Anzahl der Kanalverzweigungen zunächst kontinuierlich zunimmt und dann kontinuierlich abnimmt, wobei die Anzahl der Verzweigungen in dem Verteilungsbereich mindestens zwei ist.

Ein Verteilungsbereich im Sinne dieser Erfindung ist der Bereich eines auf einer Bipolarplatte angeordneten Flowfields, der nach einer ersten Verzweigungsstelle der mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundenen Kanäle, ausgehend vom Eingangsport in Strömungsrichtung beginnt und vor einer ersten Kanal-Sammlungsstelle ausgehend vom Ausgangsport entgegen der Strömungsrichtung endet. Dieser aktive Bereich ist der Bereich einer Bipolarplatte, der maßgeblich für die Verteilung des durchströmenden Fluids ist, in dem also der überwiegende Teil des Flowfields angeordnet ist. Die Ports sind mit den Kanälen in dem Verteilungsbereich überwiegend über serpentinenförmig oder verzweigend bzw. zusammenführend angeordnete Kanäle verbunden.

Im Rahmen dieser Erfindung wird von dem Verteilungsbereich der elektrochemisch aktive Bereich unterschieden, d.h. der Bereich auf einer Bipolarplatte, der an den Bereich einer MEA angrenzt, in dem die elektrochemische Reaktion abläuft. Dieser elektrochemisch aktive Bereich kann nahezu den gesamten Bereich zwischen den Ports umfassen, also auch den oben definierten Verteilungsbereich.

Unter einem Fluid im Sinne der Erfindung werden sowohl Gase oder Gasgemische als auch Flüssigkeiten verstanden. Zum einen werden Reaktionsstoffe, vorzugsweise Gase, dem Flowfield zugeführt, damit diese Reaktionsstoffe über das Flowfield optimal verteilt werden, zum anderen dient das Flowfield aber auch zum Austragen des bei der Reaktion der Gase entstehenden Wassers in gasförmigem oder flüssigem Zustand.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist u.a. den Vorteil auf, dass die Anzahl der Ports verringert werden kann, was wiederum den Vorteil mit sich bringt, dass das Bauvolumen, insbesondere die Bauhöhe, der Bipolarplatte verringert werden und ihre Stabilität erhöht werden kann.

Erfindungsgemäß weist die Bipolarplatte 1 bis 3, bevorzugt 1 bis 2 Eingangsports auf, besonders bevorzugt 1 Eingangsport.

Die Bipolarplatte weist 1 bis 3, bevorzugt 1 bis 2 Ausgangsports auf, besonders bevorzugt 1 Ausgangsport.

Die Anzahl der von einem Eingangsport abgehenden Kanäle beträgt 1 bis 100, bevorzugt 1 bis 50 und besonders bevorzugt 1 bis 20.

Die maximale Anzahl an Kanälen im Verteilungsbereich ist abhängig von der Breite der Kanäle und der Bipolarplatte sowie dem Mindestabstand der Kanäle zueinander.

Sammlungsstellen im Sinne der Erfindung sind Stellen oder Knoten, zu denen mehr Kanäle führen, als von der Stelle wegführen. Erfindungsgemäß versteht man unter einer Verzweigung die Anzahl der Kanäle nach einer Verzweigungsstelle. Eine Verzweigungsstelle ist eine Stelle oder ein Knoten, von der mehr Kanäle wegführen, als zu der Stelle hinführen. Unter einem Verzweigungsgrad wird die gesamte Anzahl an Verzweigungen eines mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundenen Kanals verstanden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundene Kanal im Verteilungsbereich vor Erreichen eines maximalen Verzweigungsgrads keine Kanal-Sammlungsstellen auf. Somit lassen sich in dem Verteilungsbereich ungünstige Strömungseigenschaften durch einen einzigen Kanal vermeiden.

Zudem ist es vorteilhaft, dass der mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundene Kanal im Verteilungsbereich maximal vier Sammlungsstellen, vorzugsweise maximal drei Sammlungsstellen und besonders bevorzugt maximal zwei Sammlungsstellen aufweist. Durch die geringe Anzahl der Sammlungsstellen werden die Kanäle schnell und platzsparend reduziert, was die Leistungsdichte der Bipolarplatte erhöht, wodurch weniger Ausgangsports benötigt werden.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, dass die aus den mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundenen Kanälen und deren Verzweigungen bestehende Kanalverzweigungsstruktur bzw. Flowfield im Wesentlichen innerhalb des Verteilungsbereichs der Brennstoffzelle liegt. Vorteilhaft ist ferner, dass das Verhältnis von parallelen Kanalstrukturen zu serpentinenförmigen Kanalstrukturen mit einem steigenden Verzweigungsgrad zunimmt und dann mit einem sinkenden Verzweigungsgrad abnimmt. So lässt sich im Verteilungsbereich eine maximale Anzahl an parallelen Verzweigungs- oder Kanalstrukturen erreichen, welche durch den geringen Druckverlust das durchströmende Fluid optimal verteilen. Serpentinenförmige, mäanderförmige o.ä. Kanalstrukturen sind hauptsächlich zwischen den Ports und dem Verteilungsbereich angeordnet und dienen hauptsächlich der Zufuhr der Fluide in den Verteilungsbereich. Die parallelen Kanalstrukturen sind überwiegend im Verteilungsbereich angeordnet, wo sie hauptsächlich zur verbesserten Gasverteilung bei geringen Druckverlusten dienen.

Von besonderem Vorteil ist es, dass die aus den Kanälen und deren Verzweigungen bestehende Verteilungsstruktur überwiegend innerhalb des Verteilungsbereichs der Bipolarplatte angeordnet ist. Ruf diese Weise lässt sich der Bereich außerhalb des Verteilungsbereichs – äußerer Bereich oder auch Randbereich- zur weiteren Stabilisierung der Bipolarplatte und zur Unterbringung weiterer Komponenten wie z.B. von Anschlussteilen nutzen.

Von besonderem Vorteil ist es, dass die von dem Eingangsport oder den Eingangsports ausgehenden Kanäle und deren Verzweigungen einen geeigneten Querschnitt zur besseren Gleichverteilung des durchströmenden Fluids aufweisen. Durch die Wahl eines geeigneten Kanalquerschnitts lassen sich strömungstechnische Vorteile erzielen, welche zu einer effizienteren Bauweise und damit zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führen. Ein strömungstechnischer Vorteil kann zum Beispiel eine laminare Strömung sein.

Ein geeigneter Kanalquerschnitt weist einen hydraulischen Durchmesser von 0,01 bis 5 mm, bevorzugt von 0,1 bis 2,5 mm und besonders bevorzugt von 0,5 bis 1,5 mm auf.

Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass die Querschnittsgeometrie der Verteilungskanäle trapezoid, dreieckig oder elliptisch ist. Aufgrund dieser Kanalquerschnittsgeometrie lassen sich optimale Strömungsergebnisse wie geringer Druckverlust, gute Fluidverteilung etc. erzielen, die zu einer deutlichen Verbesserung der Leistungsdichte beitragen.

Eine weitere die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass im Verteilungsbereich der durch die Kanäle und deren Verzweigungen realisierten Verteilungsstruktur bzw. Flowfield Mittel zur besseren Durchströmung, nachfolgend auch als Ausbildungen bezeichnet, eingebracht sind. Jede Verbesserung der Durchströmung erhöht den Wirkungsgrad der Verteilung und trägt so zu einer Erhöhung der Leistungsdichte der PEM-BZ bei.

Eine weiterführende Verbesserung ist es, dass die in die Kanäle und deren Verzweigungen eingebrachten Mittel zur besseren Durchströmung Noppen sind, die die Durchströmungseigenschaften des Fluids durch die Kanäle und zugleich die mechanische Abstützung verbessern.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass die in die Kanäle und deren Verzweigungen eingebrachten Ausbildungen Stegdurchbrüche sind, um die Durchströmungseigenschaften des Fluids durch die Kanäle und damit die Gleichverteilung des Fluids über der MEA-Fläche zu verbessern.

In gleicher Weise wird ein Vorteil dadurch realisiert, dass die Geometrie des oder der Kanalquerschnitte variabel über die Kanallänge ist. So sind verschiedene Kanalquerschnitte wie kreisförmige, trapezoide, rechteckige oder andere Querschnitte je nach lokaler Strömungssituation einsetzbar, wodurch eine optimale Strömungsverteilung erzielt werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist es, dass der Übergang oder der Übergangsbereich zwischen winklig verbundenen Kanälen oder Verzweigungen spezielle strömungsmechanische Ausbildung aufweist, um bessere Strömungseigenschaften für das durchströmende Fluid zu ermöglichen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung erreicht man dadurch, dass der Kanalquerschnitt eines zu einer Verzweigungsstelle führenden Kanals oder von einer Sammlungsstelle wegführenden Kanals eine Querschnittsfläche a aufweist, deren Fläche größer ist als die Gesamtfläche Σ_i b_i aller von einer Verzweigungsstelle wegführenden oder zu einer Sammlungsstelle hinführenden Kanäle i (i ist die Nummer eines Kanals, eine natürliche Zahl > 0) mit der Querschnittsfläche b_i, d.h.: a > Σ_i b_i Dadurch lassen sich strömungstechnische Vorteile wie Strömungsverteilung und Leistungsdichte im Bereich des Verteilungsbereichs erzielen.

Die Querschnittsfläche a liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 100 mm², bevorzugt von 5 bis 50 mm² und besonders bevorzugt von 10 bis 25 mm². Anstelle der Querschnittsfläche kann auch der hydraulische Durchmesser als Vergleichsmaß angewendet werden, dessen Wert von 1 bis 100 mm, bevorzugt von 5 bis 50 mm und besonders bevorzugt von 10 bis 25 mm beträgt.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Fläche an einer Verzweigungsstelle, Sammlungsstelle, oder Umlenkung, auf die das durchströmende Fluid bei einer Richtungsänderung prallt – im folgenden als Prallfläche bezeichnet – eine spezielle Ausformung aufweist. Durch die spezielle Ausformung lassen sich Widerstände und daraus resultierende Druckverluste oder Leistungseinbußen minimieren.

Die Ausformung der Prallfläche kann in Form eines Radius oder in Form einer Schräge ausgebildet sein, wobei der Radius in einem Bereich von 0,01 bis 100 mm, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 50 mm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 10 mm liegt. Die Schräge kann so gestaltet sein, dass der Winkel zwischen Strömungsvektor und Schrägennormalenvektor in einem Bereich von 0,1° bis 89°, bevorzugt von 1° bis 50° und besonders bevorzugt von 10° bis 20° liegt.

Nach einer möglichen Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Prallfläche winklig abgeschrägt ist, um die von dem durchströmenden Fluid ausgeübte Aufprallkraft auf die Prallfläche zu verringern.

Eine Prallfläche im Sinne dieser Erfindung ist die Fläche, auf die ein durch die Kanäle strömendes Fluid bei einer Richtungsänderung an einer Verzweigungsstelle, Sammlungsstelle, oder Umlenkung, prallt.

Winklig abgeschrägt bedeutet, dass der Flächennormalenvektor der Prallfläche nicht fluchtend mit dem Strömungsvektor des anströmenden Fluids ist.

Nach einer anderen möglichen Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Prallfläche abgerundet ist, um die von dem durchströmenden Fluid ausgeübte Aufprallkraft auf die Prallfläche zu verringern.

Vorteilhaft ist es, dass die Trennwand oder die Trennwände die sich über einen Kanal erstrecken, der abgewinkelt zu einem vorherigen und einem nachfolgenden Kanal angeordnet ist, in die benachbarten Kanalabschnitte hineinragt und dadurch einen Teil der durch das anströmende Fluid ausgeübten Kraft aufnimmt. Durch die Aufteilung der Kraft auf eine größere Fläche wird die Beanspruchung der Wandung reduziert.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand betrifft einen PEM-Brennstoffzellenstack, der mindestens eine Bipolarplatte der vorstehend beschriebenen Art aufweist, wobei es bevorzugt ist, wenn der PEM-Brennstoffzellenstack ausschließlich Bipolarplatten der vorstehend beschriebenen Art aufweist.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 bis 11 näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen kathodenseitigen Bipolarplatte mit einem Flowfield,
2 eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen anodenseitigen Bipolarplatte mit einem Flowfield,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen kathodenseitigen Bipolarplatte mit einem Flowfield,
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen anodenseitigen Bipolarplatte mit einem Flowfield,
5 eine schematische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen kathodenseitigen Bipolarplatte mit einem Flowfield,
6 eine schematische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen anodenseitigen Bipolarplatte mit einem Flowfield,
7 eine schematische Detaildarstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
8 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
9 eine schematische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
10 eine schematische Darstellung einer vierten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung, und
11 eine schematische Darstellung einer fünften Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung.
Eine Bipolarplatte 1 nach 1 besteht im Wesentlichen aus einem schicht- oder plattenförmigen Material, in welchem ein aus mehreren Kanälen 2 bestehendes Flowfield 3 und verschiedene Ports 4 ausgebildet sind. Das Material der Bipolarplatte 1 ist im Wesentlichen ein nicht poröses Material. Die Form der Bipolarplatte 1 ist im Wesentlichen quaderförmig, wobei die Dicke der Bipolarplatte 1 sehr dünn im Vergleich zu der Breite und der Länge der Bipolarplatte 1 ist. Die Bipolarplatte 1 weist seitlich ein oder mehrere Ports 4 auf, die auf einer Seite ein Fluid zu den Kanälen 2 hin- und auf einer anderen Seite von den Kanälen 2 wegführen. In der vorliegenden Ausführung weist die Bipolarplatte 1 an ihren kürzeren Seiten gegenüberliegend jeweils drei Ports 4 auf, drei Eingangports 4a und drei Ausgangsports 4b. Die Ports 4 befinden sich dabei im Wesentlichen innerhalb eines äußeren Bereichs 5 der Bipolarplatte 1. Von dem Eingangsport 4a' führen die drei Kanäle 2a, 2b, 2c ab. Dabei werden diese drei Kanäle 2a, 2b, 2c, an Verzweigungsstellen 7 weiter verzweigt. Kanal 2a wird an den drei Verzweigungsstellen 7a, 7b, 7c in die Kanäle 2a', 2a'' und 2a''' verzweigt. Analog hierzu werden die beiden anderen Kanäle 2b, 2c an einer entsprechenden Verzweigungsstelle 7 zu je drei weiteren Kanälen 2 verzweigt. Die Kanäle 2 werden anschließend in den Sammlungsstellen 8 zusammengeführt. So werden die Kanäle 2a', 2a'', 2a''' an den Sammlungsstellen 8a, 8b und 8c zu einem Kanal 2d zusammengeführt. Nach der letzten Sammlung der Kanäle 2 werden diese zu den Ausgangsports 4b geführt. In 1 werden die Kanäle alle zu dem Ausgangsport 4b''' geführt. Die Kanäle 2 haben dabei die Aufgabe, ein Fluid innerhalb des Verteilungsbereichs 6 der Bipolarplatte 1 gleichmäßig zu verteilen und entstehendes Flüssigwasser abzuführen. Aus diesem Grund sind in dem Verteilungsbereich 6 der Bipolarplatte 1 neun parallele Kanäle 2 ausgebildet. Die Versorgung der Kanäle 2 mit einem Fluid geschieht über die Ports 4, genauer über die Eingangsports 4a. Um alle Kanäle 2 zu versorgen, große Ports 4 sich aber ungünstig auf die Leistungsdichte der Bipolarplatte 1 auswirken, führen von den Ports 4 der Bipolarplatte 1 drei Kanäle 2a, 2b, 2c, die aufgrund des beschränkten Bauraums serpentinenförmig angeordnet sind, zu den überwiegend parallel angeordneten Kanälen 2a', 2a'', 2a'''.
Für die anodenseitige Bipolarplatte 1 nach 2 gilt im Wesentlichen das gleiche wie für die kathodenseitige Bipolarplatte 1 nach 1. Die Kanalstrukturen 3 sind hier im Wesentlichen gleich ausgebildet.
Eine etwas andere Aufteilung der Kanalstruktur 3 zeigt 3. Ausgehend von einem Eingangsport 4a führen drei Kanäle 2a, 2b, 2c ab, welche an den entsprechenden Verzweigungsstellen 7 in fünf weitere Kanäle verzweigt werden. Kanal 2b wird dabei in die Kanäle 2b' , 2b'', 2b''', 2b'''' und 2b''''' verzweig. Entsprechend verzweigen die Kanäle 2a und 2c ebenso in fünf weitere Kanäle. Im Gegensatz zu den verzweigten Kanälen gemäß l und 2 sind die verzweigten Kanäle 2 parallel zur kürzeren Seite der Bipolarplatte 1 angeordnet. In den Sammlungsstellen 8 werden die verzweigten Kanäle 2 zusammengeführt und mit dem Ausgangsport 4b''' verbunden. Hier wird der aktive Bereich 6 jeweils von einem Port 4 über drei Kanäle 2 bis hin zu fünfzehn kürzeren parallelen Kanälen 2 mit einem Fluid versorgt. Die Bereiche mit paralleler Kanalstruktur 10 sind dabei stufenförmig geschachtelt angeordnet, um alle Wesentlichen Bereiche des Verteilungsbereichs 6 der Bipolarplatte 1 abzudecken.
Die anodenseitige Bipolarplatte 1 nach 4 weist im Wesentlichen die gleiche Kanalstruktur 3 wie die kathodenseitige Bipolarplatte 1 nach 3 auf.
Eine weitere mögliche Ausbildung des Flowfields 3 geben 5 und 6 wieder. In 5 und 6 sind die Kanäle 2 nicht nur einmal verzweigt und einmal gesammelt sondern es ist eine Folge von Verzweigungsstellen 7 und Sammlungsstellen 8 vorhanden, d.h. es gibt mehrere Ebenen der Verzweigung bzw. Sammlung, in dem vorliegend beschriebenen Fall genau drei Ebenen. Ausgehend von einem Eingangsport 4a'' führen von diesen drei Kanälen 2 über einen ersten Knoten 7, 8, der sowohl als Verzweigungsstelle 7 wie auch als Sammlungsstelle 8 betrachtet werden kann, zu einer zweiten und einer dritten Verzweigungsstelle 7, wo die Kanäle 2 jeweils wurzelbaumartig in je zwei weitere Kanäle 2 verzweigt werden. Nach der dritten Verzweigungsstelle 7 verlaufen die insgesamt acht Kanäle 2 zueinander und zu der längeren Seite der Bipolarplatte parallel zu einer ersten Sammlungsstelle 8. Dort werden die Kanäle 2 zu insgesamt vier Kanälen 2 gesammelt und an einer zweiten Sammlungsstelle 8 zu zwei Kanälen gesammelt. Über drei Knoten, die wiederum sowohl als Sammlungsstelle 8 als auch als Verzweigungsstelle betrachtet werden können, führen schließlich drei Kanäle zu dem Ausgangsport 4b''.
Die Ausführung nach 6 entspricht im Wesentlichen der Ausführung nach 5 mit dem Unterschied, dass die Zufuhr nicht von einem zentralen Eingangsport 4a" zu einem zentralen Ausgangsport 4b'' erfolgt, sondern von einem Eingangsport 4a' zu einem Ausgangsport 4b''' erfolgt. Ansonsten erfolgt auch hier die Verteilung jeweils in drei Ebenen.
Der Übergang bzw. der Übergangbereich 13 eines Kanals 2 in einen anderen Kanal 2 an einer Verzweigungsstelle 7 und an einer Sammlungsstelle 8 ist in den folgenden 7 bis 11 dargestellt.
Die Verzweigungsstelle 7 gemäß 7 zeigt einen Kanal 2a der nach einer Verzweigungsstelle 7 mit zwei Kanälen 2a' und 2a'' verbunden ist, die um 90° im Uhrzeigersinn zu dem Kanal 2a vor der Verzweigungsstelle 7 umgelenkt sind und einen Kanal 2b der nach einer Sammlungsstelle um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn zu den beiden Kanälen 2a' und 2a'' vor der Sammlungsstelle 8 umgelenkt ist. Der Kanal 2a weist dabei einen breiten Zuführbereich 11 mit einer Kanalquerschnittsbreite a vor der Verzweigungsstelle 7 auf. Die beiden Kanäle 2a' und 2a'' sind durch eine Trennwand 12 getrennt. Die gesamte Kanalquerschnittsbreite b der beiden Kanäle 2a' und 2a'' zusammen ist dabei um den Betrag, der für die Breite der Trennwand 12 anfällt geringer, als die Gesamtbreite a des Kanals 2a vor der Verzweigungsstelle 7, d.h. die Außenkontur des Kanals 2a bleibt über die Verzweigungsstelle 7 bzw. in gleicher Weise über die Sammlungsstelle 8 konstant.
In 7 ist der Übergang 13 bzw. die Richtungsänderung der Kanalwandungen an der Verzweigungsstelle 7 und der Verzweigungsstelle 8 über einen rechten Winkel ausgebildet.
In 8 weist die Verzweigungsstelle 7 und die Sammlungsstelle 8 im Unterschied zu der Verzweigungsstelle in 7 einen winkligen Übergang 13 auf. Hier prallt das die Kanäle durchströmende Fluid nicht im rechten Winkel auf eine Prallfläche 14 der Kanalwandung, sondern auf eine schräg ausgebildete Prallfläche, das heißt eine Prallfläche, die winklig zu der Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist, wodurch strömungstechnisch ein geringerer Reibungswiderstand erzeugt wird. Analog ist die Sammlungsstelle 8 ausgebildet.
In 9 ist eine weitere Art des Übergangs oder des Übergangbereichs 13 der Verzweigungsstelle 7 gezeigt. Hier ragt die Trennwand 12 in den Strömungsbereich vor der Verzweigungsstelle 7 bzw. in den Strömungsbereich hinter der Sammlungsstelle 8, wodurch ebenfalls ein strömungstechnisch mit gerin geren Reibungswiderständen behaftetes Strömungsprofil erzeugt wird.
Die 10 zeigt noch eine andere Art der Ausformung der Verzweigungsstelle 7 bzw. der Sammlungsstelle 8. Hier ist der Übergang 13 mittels Radien abgerundet, wodurch der Strömungsübergang noch weniger Reibungswiderstand aufweist.
In 11 ist die Trennwand 12 nicht über ein ununterbrochenes Element sondern über mehrere Elemente ausgebildet. Diese sind in Form von Noppen 15 und/oder Trennwandelementen ausgeformt. Die einzelnen Elemente liegen dabei alle auf einer gedachten (Strömungs-)Linie, so dass die Strömung nicht durch einen Versatz unterbrochen wird.
Die in den 7 bis 11 dargestellten Ausformungen des Übergangs 13 stellen dabei jeweils Ausführungen zur Verbesserung der Strömungseigenschaften durch einen Kanal dar.

1: Bipolarplatte
2: Kanal
2a, 2b, 2c: unverzweigter Kanal
2a'–2a''''': verzweigter Kanal
2d: gesammelter Kanal
3: Flowfield, Kanalstruktur
4: Port
4a, 4a'–4a''': Eingangsport
4b, 4b'–4b''': Ausgangsport
5: äußerer Bereich
6: Verteilungsbereich
7, 7a–7c: Verzweigungsstelle
8, 8a–8c: Sammlungsstelle
9: serpentinenförmige Kanalstruktur
10: parallele Kanalstruktur
11: Zuführbereich
12: Trennwand
13: Übergangsbereich
14: Prallfläche
15: Noppen

Claims

Bipolarplatte (1) für eine PEM-Brennstoffzelle mit mindestens einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b), wobei sich ein von einem Eingangsport (4a) ausgehender Kanal (2) in Strömungsrichtung an mindestens einer Verzweigungsstelle (7) verzweigt und vor einem Ausgangsport (4b) an einer Sammlungsstelle (8) sammelt, wobei dieser Kanal (2) mit dem Ausgangsport (4b) verbunden ist und die Bipolarplatte (1) einen Verteilungsbereich (6) aufweist, der nach einer ersten Verzweigungsstelle (7a) der mit mindestens einem Eingangsport (4a) und mindestens einem Ausgangsport (4b) verbundenen Kanäle (2), ausgehend vom Eingangsport (4a) in Strömungsrichtung beginnt und vor einer ersten Kanal-Sammlungsstelle (8) ausgehend vom Ausgangsport (4b) entgegen der Strömungsrichtung endet, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kanalverzweigungen wenigstens eines mit einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b) verbundenen Kanals (2) in dem Verteilungsbereich (6) gleichbleibend ist oder die Anzahl der Kanalverzweigungen zunächst kontinuierlich zunimmt und dann kontinuierlich abnimmt, wobei die Anzahl der Verzweigungen in dem Verteilungsbereich (6) mindestens 2 ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b) verbundener Kanal (2) des Flowfields (3) in dem Verteilungsbereich (6) vor Erreichen eines maximalen Verzweigungsgrads keine Sammlungsstellen (8) aufweist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Verzweigungen eines mit einem Eingangsport (4a) und einem Ausgangsport (4b) verbundenen Kanals (2) in dem Verteilungsbereich (6) zwischen 2 und 250 liegt, bevorzugt zwischen 2 und 50 und besonders bevorzugt zwischen 2 und 20.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit mindestens einem Eingangsport (4a) und mindestens einem Ausgangsport (4b) verbundener Kanal (2) im Verteilungsbereich (6) maximal 4 Sammlungsstellen (8), vorzugsweise maximal 3 Sammlungsstellen (8) und besonders bevorzugt maximal 2 Sammlungsstellen (8) aufweist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den mit mindestens einem Eingangsport (4a) und mindestens einem Ausgangsport (4b) verbundenen Kanäle (2) und deren Verzweigungen bestehende Verteilungsstruktur bzw. Flowfield (3) im Wesentlichen innerhalb des Verteilungsbereichs (6) der Brennstoffzelle liegt und das Verhältnis von parallelen Kanalstrukturen (10) zu serpentinenförmigen Kanalstrukturen (9) mit einem steigenden Verzweigungsgrad im Wesentlichen zunimmt und mit einem sinkenden Verzweigungsgrad im Wesentlichen abnimmt.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Eingangsport (4a) oder den Eingangsports (4a) ausgehenden Kanäle (2) und deren Verzweigungen einen geeigneten Querschnitt zur besseren Gleichverteilung des durchströmenden Fluids aufweisen, wobei die Querschnittsgeometrie vorzugsweise trapezoid, dreieckig oder elliptisch ist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verteilungsbereich (6) der durch die Kanäle (2) und deren Verzweigungen realisierten Verteilungsstruktur bzw. Flowfield (2) Mittel zur besseren Durchströmung eingebracht sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verteilungsbereich (6) in die Kanäle (2) und deren Verzweigungen eingebrachten Mittel zur besseren Durchströmung Noppen (15) sind, die die Durchströmung und die mechanische Abstützung verbessern.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Kanäle (2) und deren Verzweigungen eingebrachten Mittel Stegdurchbrüche sind, die die Durchströmung und die Gleichverteilung des durchströmenden Fluids verbessern.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des oder der Kanalquerschnitte variabel über die Kanallänge ist und so eine optimale Strömungsverteilung realisiert wird.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen winklig verbundenen Kanälen (2) oder Verzweigungen an deren Übergangsbereich (13) wenigstens eine strömungsmechanische Ausbildung zur Verbesserung der Strömungseigenschaften des durchströmenden Fluids aufweist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt eines zu einer Verzweigungsstelle (7) führenden Kanals (2) oder von einer Sammlungsstelle (8) wegführenden Kanals (2) eine Querschnittsfläche a aufweist, deren Fläche größer ist als die Gesamtfläche Σ_i b_i aller von einer Verzweigungsstelle (7) wegführenden oder zu einer Sammlungsstelle (8) hinführenden Kanäle i mit der Querschnittsfläche b_i (2).
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallfläche (14) an einer Verzweigungsstelle (7), Sammlungsstelle (8), oder Umlenkung, auf die das durchströmende Fluid bei einer Richtungsänderung prallt, eine Ausformung zur besseren Durchströmung aufweist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallfläche (14) gegenüber mindestens einer benachbarten Fläche abgeschrägt ist, um die Aufprallkraft des anströmenden Fluids auf die Prallfläche (14) zu verringern.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallfläche (14) gegenüber mindestens einer benachbarten Fläche abgerundet ist, um die Aufprallkraft des anströmenden Fluids auf die Prallfläche (14) zu verringern.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als eine Trennwand (12) oder mehrere durch Stegdurchbrüche unterbrochenen Trennwände (12) ausgebildeten Mittel, die sich über einen Kanal (2) erstrecken, welcher abgewinkelt zu mindestens einem benachbarten Kanal (2) angeordnet ist, in den benachbarten Kanal (2) hineinragen und dadurch einen Teil der durch das anströmende Fluid ausgeübten Kraft aufnehmen und so zu einer besseren Durchströmung zwischen den hinter einer Verzweigungsstelle (7) oder vor einer Sammlungsstelle (8) liegenden Kanälen (2) in den Strömungsfluss des anströmenden oder des abströmenden Fluids hineinragt und dadurch einen Teil der durch das anströmende Fluid auf die Prallfläche (14) aufprallenden Kraft aufnimmt.
PEM-Brennstoffzellenstack mit mindestens einer Bipolarplatte (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.