EP4356459A1 - Strömungselement, bipolarplatte und brennstoffzelleneinrichtung - Google Patents

Strömungselement, bipolarplatte und brennstoffzelleneinrichtung

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EP4356459A1
EP4356459A1 EP22734567.5A EP22734567A EP4356459A1 EP 4356459 A1 EP4356459 A1 EP 4356459A1 EP 22734567 A EP22734567 A EP 22734567A EP 4356459 A1 EP4356459 A1 EP 4356459A1
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EP
European Patent Office
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flow element
outflow
inflow
channel structure
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP22734567.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen KRAFT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Original Assignee
Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH filed Critical Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/0223—Composites

Definitions

  • the present invention relates to a flow element for a bipolar plate of an electrochemical device, in particular a fuel cell device, wherein the flow element comprises a plate-shaped base body with a channel structure extending in two main directions of extension aligned at an angle to one another.
  • a fuel cell device includes fuel cells, wherein an active layer is positioned between adjacent bipolar plates.
  • the active layer comprises in particular gas diffusion layers (GDL, gas diffusion layer) and a membrane electrode arrangement (MEA).
  • GDL gas diffusion layers
  • MEA membrane electrode arrangement
  • the invention is described below in particular using the example of a PEM fuel cell device with hydrogen and atmospheric oxygen as the reactants (educts) and water as the reaction product, with cooling being able to be provided in particular.
  • the invention is not limited to this fuel cell device used, for example, in the field of automotive engineering.
  • the fluidic media can be supplied to the individual flow elements in particular via distribution channels running in the direction of the stack. Collecting channels enable the media to be discharged from the flow elements.
  • the distribution channels and collecting channels can in particular be referred to as so-called "manifolds".
  • a respective flow element can comprise an inflow opening and an outflow opening for at least one fluid, which is connected to a channel structure of the flow element are fluidly connected, with the channel structure abutting the active layer to allow fluid exchange for the reaction.
  • the flow element can also include passage openings for additional fluids, such as coolants, which are fed to an additional side of the flow element or to an additional flow element within the stack. It goes without saying that the necessary sealing elements for sealing distribution channels, collecting channels and active layers are present within the fuel cell stack.
  • pressure loss there are pressure differences in the direction of flow of the inflowing medium within the distribution channels. Within each fuel cell there is also a desired pressure difference between the inflow side and the outflow side. This Druckdifferen zen are present in particular referred to as "pressure loss”.
  • a pressure loss across the fuel cells is desirable in order to ensure that the respective fluid is distributed as homogeneously as possible across the fuel cells with their channel structures and the respective active layers. This applies to the educts from the point of view of a performance that is as homogeneous as possible, for the cooling fluid, for example, from the point of view of improved, for example homogeneous, cooling.
  • a pressure loss over the channel structure of a flow element bordering on the active layer should preferably be kept as low as possible in order to avoid a drop in the partial pressure from the inflow to the outflow side in the case of gaseous educts. Nevertheless, a sufficiently large pressure drop is desirable for achieving a homogeneous distribution over the stack.
  • the object of the present invention is to provide a flow element for a bipolar plate of an electrochemical device which has improved flow properties with regard to improved performance when the flow element is used in an electrochemical device.
  • a flow element according to the invention for a bipolar plate of an electrochemical device comprising a plate-shaped base body extending in two main directions of extension aligned at an angle to one another, the base body comprising a channel structure with a plurality of channels for forming an active region of the flow element , wherein an inflow opening and an outflow opening for a fluid are formed in the base body, which are flow-connected to the channel structure via an inflow area with inflow channel structure or via an outflow area with outflow channel structure, with a pressure loss of the opening flowing from the inflow opening to the outflow opening Fluid over the outflow area is greater than over the inflow area and/or over the active area.
  • the fluid in the flow element according to the invention can flow from the inflow opening through the inflow channel structure, the channel structure for the active region which borders the active layer of the fuel cell, and the outflow channel structure to the outflow opening.
  • a pressure loss occurs, which according to the invention is greater over the outflow area than over the inflow area.
  • the pressure drop over the outflow area can be greater than over the active area.
  • the channel structure on the active area forms in particular what is known as a flow field.
  • the channel structure in the active area can be designed in different ways. For example, a channel structure with channels running parallel to one another along one of the main directions of extension is provided, a meandering channel structure, a small foot channel structure, an interdigital channel structure, a fractal channel structure or combinations of the above-mentioned channel structures are possible.
  • the absolute pressure loss over the outflow area is greater than over the inflow area and/or over the active area.
  • a pressure loss per length of the flow element through which flow occurs over the outflow area is greater than over the inflow area and/or over the active area.
  • the shortest flow path through the inflow channel structure, the channel structure on the active area and the outflow channel structure can be regarded as the “flow length”.
  • a pressure loss across the duct structure in absolute terms and/or per length of the flow element through which flow occurs, is lower than a pressure loss across the inflow duct structure.
  • the inflow opening and the outflow opening can have the same or essentially the same opening cross section, based on the direction of the fuel cell stack.
  • the inflow channel structure and the outflow channel structure are preferably configured differently.
  • the higher pressure loss across the outflow area compared to the inflow area can be achieved by the difference between the inflow channel structure and the outflow channel structure.
  • This is simple in terms of manufacturing technology and can therefore be carried out inexpensively.
  • the properties of the channel structures at the inflow and outflow areas can differ from one another, so that ideally optimized channel structures are provided there with regard to the best possible properties, for example pressure loss characteristics.
  • the pressure loss across the outflow area compared to the inflow area can be achieved, for example, by a difference in at least one of the following:
  • the pressure loss across the outflow area in relation to the inflow area and/or to the active area is compensated by at least one resistance element arranged in the outflow channel structure is achievable.
  • the resistance element can, for example, be used in a targeted manner to shape the fluid flow in order to increase the pressure loss.
  • the flow element can, for example, be designed symmetrically, at least with regard to an outer contour, with respect to an axis of symmetry that is aligned transversely and, in particular, perpendicularly to a plane defined by the base body. Complete symmetry with respect to the axis is preferably provided. In order to take into account any manufacturing tolerances, the flow element can be rotated about the axis of symmetry and thus installed in the fuel cell stack in different orientations.
  • the inflow opening and the outflow opening are arranged diametrically opposite one another with respect to an axis which is aligned transversely and in particular perpendicularly to a plane defined by the base body. This also proves to be advantageous in order to arrange the flow element in a different orientation in the fuel cell stack after rotation about the axis.
  • a respective side of a flow element which faces away from the respective other flow element, can serve to conduct fluid for a reactant.
  • the flow elements can have, for example, a respective channel structure for a cooling medium.
  • at least one further passage opening for a further distribution channel or a further collecting channel can be provided for the transport of a cooling fluid or a reactant.
  • the flow element comprises a further inflow opening which is adjacent to the outflow opening or the inflow opening, and that the flow element comprises a further outflow opening which is the inflow opening or the outflow opening is adjacent.
  • the respective openings are positioned side by side, for example.
  • the flow element can, for example, comprise a first side and a second side facing away from it, the channel structure, the inflow channel structure and the outflow channel structure being arranged on the first side.
  • a further channel structure, a further inflow area with a further inflow channel structure and a further outflow area with a further outflow channel structure can be arranged on the second side.
  • the first side of an active layer faces the fuel cell and is used to conduct fluid for a reactant.
  • the second side faces a further flow element of the bipolar plate, for example, and is used for fluid guidance of a cooling medium.
  • the inflow area or the outflow area can be arranged, for example, laterally and in particular directly to the side next to the further outflow area.
  • the outflow area or the inflow area can be arranged laterally and in particular directly laterally next to the further inflow area. If, for example, size changes are made to the inflow area and/or the outflow area compared to a conventional flow element with regard to a desired pressure loss, a corresponding adjustment can be made to the further inflow area or the further outflow area, for example without additional installation space.
  • the flow element comprises a first edge area and a second edge area on opposite sides in one of the main directions of extent, the inflow opening and at least one further through-opening of the flow element being arranged on the first edge area and on the second Edge region, the outflow opening and at least one further passage opening of the flow element, wherein in the second main direction of extension oriented transversely to the first main direction of extension, the inflow area and the outflow area are only partially extended.
  • the active area is arranged, for example, completely between the first and the second edge area, along the first main extension direction.
  • the extension of the channel structure of the inflow area and/or the outflow area is limited to a section of the flow element.
  • the inflow opening and the outflow opening for the medium are arranged, for example, on opposite edge regions of the base body.
  • a through-opening and a further through-opening associated therewith for a wide res medium are arranged on mutually opposite edge regions of the base body.
  • the inflow opening and at least one further passage opening of the flow element are arranged, for example, on a continuous edge area of the base body.
  • the outflow opening and at least one further through-opening of the flow element, in particular two further through-openings are arranged in a corresponding manner, for example on a contiguous edge area of the base body.
  • the openings (inflow or outflow opening and at least one through-opening) lie side by side, for example, at the respective edge area.
  • the respective edge area can, for example, extend along a main extension direction along the entire base body.
  • the respective edge region can, for example, extend “around the corner” on the base body, in sections along a first main direction of extension and in sections along a second main direction of extension.
  • the outflow area comprises a collecting section and an outlet section, the channel structure opening into the collecting section, this into the outlet section and the outlet section into the outflow opening. It is provided here, for example, that the outflow opening and at least one further passage opening of the base body are arranged on an edge region of the flow element on a side of the collecting section which faces away from the channel structure.
  • the inflow area comprises an inlet section and a distributor section, with the inflow opening opening into the inlet section, this opening into the distributor section and the distributor section opening into the channel structure. It can be provided here, for example, that the inflow opening and at least one further through-opening of the base body are arranged on an edge region of the flow element on a side of the distributor section facing away from the channel structure.
  • the distributor section allows inflowing fluid to be distributed to the channels of the channel structure on the active area.
  • the collection section allows fluid to be collected from the channels of the channel structure.
  • the distributor section and the collector section are not, for example, in the area of the active layer of the fuel cell. This configuration is coming used, for example, in constructions in which a sealing element (e.g. an edge reinforcement or a subgasket) or a film covers the distribution section or the collection section.
  • the collection section and/or the distribution section preferably border the channel structure along the entire extent of the base body in one of the main directions of extent, in particular on opposite sides of the channel structure.
  • the collection section and/or the distributor section extends completely along the flow element in the above-mentioned main movement direction.
  • a pressure loss per length of the flow element through which flow occurs is greater at the outlet section than at the collection section.
  • a pressure loss per length of the flow element through which flow occurs is preferably greater at the inlet section than at the distributor section.
  • the flow element can be a formed part, for example, and can be produced specifically by embossing.
  • the flow element can be made at least partially from a metal, for example.
  • the flow element can be formed at least partially graphitic, for example.
  • the flow element can, for example, be made at least partially from a plastic material, for example in the inflow area and/or in the outflow area.
  • the flow element can be manufactured by means of an additive method, for example.
  • the flow element can be made, for example, at least partially from a composite material, for example a carbon composite material.
  • the fluid guided by means of the flow plate can be a reactant, in particular hydrogen or atmospheric oxygen.
  • it can be a cooling fluid, in particular water.
  • the present invention also relates to a bipolar plate.
  • a bipolar plate according to the invention for an electrochemical device comprises a first flow element and a second flow element, with at least one flow element being a flow element of the type mentioned above.
  • the invention also relates to a fuel cell device.
  • a fuel cell device comprises a fuel cell stack comprising two or more bipolar plates of the type described above and an active layer between adjacent bipolar plates, channels for transporting a fluid in the fuel cell stack being formed via the inflow openings and outflow openings of the flow elements.
  • a throttle is often used on the cathode side in the air exhaust system in order to achieve a high operating pressure at the load point.
  • the present invention allows a part of the choke to be assigned to the output side of the bipolar plate in functional terms.
  • Pressure difference from distribution channel to collecting channel preferably less than about 1.5 bar, preferably less than about 1 bar, even more preferably less than about 400 to 500 mbar.
  • Pressure loss for gaseous reactants for example, about 50 to 700 mbar for the cathode side at the full load point, preferably about 80 to 400 mbar.
  • Pressure loss for gaseous reactants for example, about 20 to 300 mbar for the anode side at the full load point, preferably about 50 to 200 mbar.
  • the pressure loss on the cathode side can be approximately 100 mbar or more in the active area, for example, and approximately 120 mbar or more in the outflow area.
  • the pressure loss on the anode side can be 40 mbar or more in the active area, for example, and around 30 mbar or more in the outflow area. This information relates to the full load point.
  • the active area accounts for, for example, approximately 40% or more, and the outflow area, for example, approximately 20% or more, for example 40%.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell device according to the invention, comprising bipolar plates according to the invention, which consist of flow elements according to the invention, in an exploded view;
  • FIG. 2 a schematic plan view of a conventional flow element
  • FIG. 3 a schematic plan view of a conventional bipolar plate in a functional representation
  • FIG. 4 is a perspective view of the bipolar plate of FIG. 3, with its two flow elements spaced apart and shown as viewed from above;
  • FIG. 5 a further illustration of the bipolar plate with the two flow elements at a distance from one another, viewed from below;
  • FIG. 6 a plan view of a flow element according to the invention of the fuel cell device from FIG. 1;
  • Figure 7 Schematic representation of the pressure curve for a reactant of a fuel cell of the fuel cell device from Figure 1 as a function of the flow length for a conventional fuel cell device (dashed representation, for the flow element in Figure 2) and the fuel cell device from Figure 1 (continuous line, for the flow element according to the invention in Fi gur 6);
  • FIG. 12 a plan view of a bipolar plate according to the invention with a flow element according to the invention in a functional representation
  • FIG. 13 a plan view of a flow element according to the invention.
  • FIG. 14 an illustration corresponding to FIG. 7 when using the flow element according to the invention according to FIG. 13 in a fuel cell device (solid line) in comparison to a conventional flow element (dashed illustration).
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a device according to the invention, denoted overall by reference numeral 10
  • the fuel cell device 10 includes a
  • Fuel cell stack 12 (stack) of a plurality of fuel cells 14.
  • the present example is, for example, PEM fuel cells for the automotive sector, with hydrogen and atmospheric oxygen being used as reactants.
  • a cooling medium is provided, in particular water.
  • FIG. 1 shows a schematic two-dimensional exploded view of the fuel cell device 10, sealing elements being hidden for the sake of clarity.
  • the fuel cell device 10 comprises a plurality of bipolar plates 16 stacked one on top of the other, which in the present case are preferred embodiments of the bipolar plate according to the invention.
  • a respective bipolar plate 16 consists of two flow elements 18. At least one of the flow elements 18, preferably both flow elements 18, are preferred embodiments of the inventions to the invention flow element.
  • the flow element 18 can, for example, be a formed part produced by embossing, in particular made of metal, or produced in another of the ways described above.
  • the flow elements 18 of a respective fuel cell 14 take between them an active layer 20, shown schematically, which in the present case comprises gas diffusion layers (GDL) and a membrane electrode assembly (MEA).
  • An active area 22 of the respective flow element borders on the active layer 20.
  • the flow elements 18 are designed to be flat with a plate-shaped base body 24.
  • the base body 24 extends along a first main extension direction 26 and along a second main extension direction 28 oriented transversely and in particular perpendicularly thereto.
  • the plane of the flow elements 18 is transverse and in particular aligned perpendicularly to the stacking direction 30 of the fuel cell stack 12 .
  • Each flow element 18 comprises a first edge region 32 and a second edge region 34.
  • the edge regions 32, 34 are arranged at opposite ends of the flow element 18 in relation to the first main extension direction 26. Both edge regions 32, 34 are element 18 extends along the entire width in the second main extension direction 28 of the flow.
  • Distribution channels 36 for supplying media and collecting channels 38 for discharging media are formed in the fuel cell stack 12 via the passage openings of the flow elements 18 (also referred to as “manifolds”).
  • the fuel cell device 10 comprises holding elements 40 at the end, which are braced relative to one another by means of a tensioning device 42 .
  • the flow element shown in FIG. 2 with the reference number 44 comprises an inflow opening 46 for a medium, for example a reactant, in the edge region 32 .
  • the flow element 44 is used in the conventional bipolar plate according to FIG.
  • the inflow opening 46 opens into an inflow area 48 with channels which open into a channel structure 50 .
  • the channel structure 50 forms the active region 22 and is covered by the active layer 20 in the stacking direction 30 .
  • the channel structure 50 opens into an outflow area 54 with channels.
  • the outflow area 54 is flow-connected to the outflow opening 58 .
  • Webs 59 separate the adjacent channels of the channel structure 50, the inflow area 48 and the outflow area 54 from one another.
  • two further through-openings 60 for the passage of media are arranged laterally next to the inflow opening 46 and the outflow opening 58 in spatial succession.
  • the bipolar plate 62 in FIG. 3 is of a conventional type and is shown in plan view in a so-called functional representation.
  • the channel structure 50 is an example for channel structures of the bipolar plate 62 as a whole.
  • two further inflow openings 64, 68 and outflow openings 66 and 70 associated therewith are formed for the inflow and outflow of a respective fluid.
  • the bipolar plate 62 is shown in FIGS. 4 and 5 in a perspective exploded view with the flow element 44 and with a further flow element 45, which is also of conventional design.
  • FIG. 4 shows the flow elements 44, 45 from above and
  • FIG. 5 shows the flow elements 44, 45 from below.
  • the flow element 44 has the inflow area 48, the channel structure 50 and the outflow area 54 on a first side 441 (upper side), which is shown in FIG. On a second side 442 (underside, FIG. 5), the flow element 44 has an inflow area 48 , a channel structure 50 and an outflow area 54 .
  • the inflow takes place via the inflow opening 68 and the outflow via the outflow opening 70.
  • the second side 442 corresponds to a first side 451 (upper side, FIG. 4) of the flow element 45, with inflow also taking place via a corresponding inflow opening 68 and outflow via a corresponding outflow opening 70 in this case.
  • the flow element 45 has a second side 452 which faces away from the first side 451 (underside, FIG. 5). While the first side 441 of the flow element 44 forms the top of the bipolar plate 62, the second side 452 of the flow element 45 forms the underside of the bipolar plate 62.
  • the flow element 45 On the second side 452 the flow element 45 has an inflow area 48 , a channel structure 50 and an outflow area 54 .
  • the inflow takes place via the inflow opening 64 and the outflow via the outflow opening 70.
  • the reactants are routed on sides 441 and 452 and the coolant between sides 442 and 451.
  • flow elements of the present disclosure have channel structures on sides facing away from one another, these can be inverted relative to one another, for example in the case of flow elements formed by forming, in deviation from the schematic representation in the drawing.
  • FIG. 7 shows with a dashed line 71 the pressure curve over the conventional flow element 44 according to FIG.
  • a first section 72 represents the pressure loss over the inflow area 48, a second section 73 the pressure loss over the active area 22 and a third section 74 the pressure loss over the outflow area 54.
  • Figure 6 shows a plan view of the flow element 18 according to the invention in a manner corresponding to Figure 2.
  • the flow element 18 is provided with an inflow channel structure 76 on the inflow side.
  • an outflow channel structure 78 is provided on the outflow area 54 .
  • the outflow channel structure 78 is formed in such a way that the pressure loss of the medium over the outflow area 54 is greater than the pressure loss over the inflow area 48. In the present case, the pressure loss is also greater than over the active area 22.
  • FIG. 7 The course of the pressure loss for the flow element 18 according to FIG. 6 is shown as an example in FIG. 7 with a solid line 80 .
  • the lengths of the flow-through areas were chosen to be the same length for a better comparison with the flow element 44 .
  • Sections 72, 73 and 74 also indicate the pressure curve over the inflow area 48, the active area 22 and the outflow area 54 in the case of the solid line 80.
  • the flow element 18 according to the invention according to FIG. 6 also has the advantage that the pressure loss over the outflow area 54 is increased in relation to the pressure loss over the outflow area 54 in the conventional flow element 44 according to FIG. 2 (FIG. 7).
  • the increased pressure loss across the outflow area 54 compared to the inflow area 48 is achieved in particular by the design of the outflow channel structure 78 (FIG. 6).
  • the free cross-sectional area of the outflow channel structure 78 is reduced.
  • deflections of the fluid can be used by the course direction of the channels in the outflow channel structure 78 to increase the pressure loss.
  • the local pressure drop at or in the outflow area 54 of the multiple bipolar plates in the stack preferably allows pressure-dependent differences in flow velocities in the channel structure 50 to be avoided, combined with inhomogeneous flows and, as a result, different performance.
  • the channels of the inflow channel structure 76 can be designed in such a way that, compared to the conventional case, an enlarged cross-sectional area is provided for the flowing fluid. This is shown in FIG. 6 as an example by means of widened channels in relation to the depiction according to FIG.
  • the channel length, the channel cross-sectional area, the channel width and/or the channel height are changed, as shown by way of example.
  • extended channels have proven to be advantageous.
  • FIGS. 10 and 11 show how additional deflections can result in extensions of the channels and thus a higher pressure loss.
  • unions of channels are also provided. Two or more channels are combined here to form one channel in the direction of the outflow opening 58 .
  • the basic idea of the invention can be implemented within a flow element 18 on both sides of the base body 24 .
  • the basic idea of the invention can be implemented with two flow elements 18 of a bipolar plate 16 according to the invention.
  • FIG. 12 shows a top view of a bipolar plate 82 according to the invention with a flow element 84 according to the invention, the bipolar plate 82 being shown in accordance with FIG. 3 of the functional illustration.
  • the embodiment according to FIG. 12 can be used, for example, in a counterflow configuration with three media.
  • inflow area 48 and the outflow area 54 with the relevant inflow channel structures 76 and outflow channel structures 78 are also shown here.
  • the functional representation of the bipolar plate 82 corresponds to the functional representation of the bipolar plate 62 according to FIG. 3, explained there with reference to FIGS. 4 and 5 with the flow elements 44, 45.
  • a further outflow opening 86 and a further inflow opening 88 are provided.
  • the inflow opening 88 and the outflow opening 86 are associated with one another in the same way as the inflow opening 46 and the outflow opening 48 are.
  • a channel structure 50 also runs between the inflow opening 88 and the outflow opening 86.
  • a reactant for example, flows in through the inflow opening 46 and out through the outflow opening 58 .
  • the respective other reactant flows in via the inflow opening 88 and out via the outflow opening 86 .
  • the respective channel structures are arranged, for example, on opposite sides of the bipolar plate 82, as was explained with reference to FIGS. 4 and 5 using the example of the conventional bipolar plate 62.
  • the inflow opening 46 and the outflow opening 86 are arranged on the edge region 32 and lie side by side, but in this example not directly side by side. Between the Publ openings 46, 86 a through hole 60 on the base body 24 is formed. A cooling medium, for example, flows through this passage opening 60 .
  • the outflow opening 58 and the inflow opening 88 are arranged in the edge region 34 in a corresponding manner.
  • the openings 58, 88 are side by side in the present example, but not directly next to each other in the present case.
  • Between the openings 58, 88 is a through-hole opening 60 formed on the base body, through which the cooling medium can flow, for example.
  • the passage openings 60 in particular allow the cooling medium to flow in and out between the two flow elements of the bipolar plate 82 and through a respective channel structure 50, as was explained above with reference to FIGS. 4 and 5 using the example of the conventional bipolar plate 62.
  • the inflow opening 46 and the outflow opening 86 are arranged directly next to one another.
  • the outflow opening 58 and the inflow opening 88 could be arranged directly next to one another, for example.
  • the reference number 90 designates the further inflow area for the medium flowing in via the inflow opening 88 .
  • the relevant inflow channel structure is identified by reference number 91 .
  • the reference number 92 designates the outflow area via the medium flowing out through the outflow opening 86 .
  • the outflow channel structure relating to this is marked with the reference number 93 .
  • the pressure losses at the inflow area and at the outflow area 54 can be designed through the differences between the inflow channel structure 76 and the outflow channel structure 78, the pressure losses at the inflow area 90 via the inflow channel structure 91 and at the outflow area 92 via the outflow Channel structure 93 are designed.
  • the flow element 84 and the bipolar plate 82 also have the advantage that an increased space requirement or a reduced space requirement due to the channel structures 76 and 78 for a medium is used to vary the space required by the channel structures 91 and 93 for the other medium can, and vice versa.
  • the increased space requirement for the outflow channel structure 76 is provided by the reduced space requirement for the outflow channel structure 93 .
  • a required adjustment with regard to the space requirement for the outflow channel structure 78 and the inflow channel structure 91 can be made.
  • FIG. 12 shows this as an example in the functional representation of the bipolar plate 82.
  • the increased space requirement for the inflow area 48 and the outflow area 54 can be achieved by reducing the further inflow area 90 and the further outflow area 93.
  • the additional adjustment By solving the further inflow channel structure 91 and the further outflow channel structure 93, the pressure losses can also be achieved for the further medium as described above.
  • the pressure loss for the further medium over the further outflow region 92 can be greater than over the further inflow region 90 and a further active region 22.
  • Enlarging the further outflow opening 86 ensures in the present example that the required volume flow can flow through the manifold of the fuel cell stack 12, in the present example through the collecting duct 38, while maintaining the desired pressure loss and preferably without disturbing inhomogeneities over the plurality of bipolar plates. into which the outflow opening 86 opens.
  • FIG. 12 shows this schematically using a dashed line 94 which characterizes the wall of the outflow opening 86 for such an exemplary embodiment.
  • the section of the outflow opening 86 to the right of this wall in FIG. 12 would be omitted in this case.
  • FIG. 13 shows a flow element according to the invention, assigned the reference number 96, in a manner corresponding to FIG.
  • the flow element 96 can be part of a bipolar plate according to the invention.
  • the inflow area 48 and the outflow area 54 are also provided for the flow element 96 .
  • the inflow area 48 comprises an inlet section 98 and a distributor section 100.
  • the outflow area 54 comprises a collection section 102 and an outlet section 104.
  • the inlet section 98 serves to distribute the fluid to the channel structure 50, and the collection section 102 for combining the fluid from the channel structure 50.
  • the distributor section 100 extends over the entire width of the flow element 96 in the main direction of extension 28.
  • the collecting section 102 in the present example extends over the entire width of the flow element 96 in the main direction of extension 28.
  • the distributor section 100 and the Collection section 102 adjoins channel structure 50 on opposite sides.
  • the inlet section 98 extends in the main extension direction 28 only over a section of the flow element 96.
  • the outlet section 104 extends along the main extension direction 28 only over the section of the flow element 96.
  • the distributor section 100 and the collecting section 102 are in particular covered by a separate sealing element (subgasket) or covered with a film.
  • the active layer 20 only covers the active region 22.
  • FIG. 14 shows, in a manner corresponding to FIG.
  • line 71 refers to a conventional comparative variant (not shown in the drawing) with inlet section 98 and collecting section 102.
  • Solid line 80 refers to the inventive solution of flow element 96 according to FIG.
  • the respective lines 71, 80 are divided into five sections 106 to 110 starting from the inlet section 98 to the outlet section 104.
  • the first section 106 refers to the inlet section 98, the second section 107 to the distributor section 100, the third section 108 to the active area 22, the fourth section 109 to the collection section 102 and the fifth section 110 to the outlet section 104.
  • the pressure loss over the outlet section 104 is greater than over the collection section 102, in absolute terms and per length of the flow element 96 through which flow occurs.
  • a pressure loss in absolute terms and per flow length is greater at the inlet section 98 than at the distributor section 100.
  • a respective pressure loss at the collecting section 102 in absolute terms and per length through which flows is greater than a pressure loss at channel structure 50.
  • a pressure loss at the inlet section per length through which flows is greater than a pressure loss at channel structure 50.
  • the drawing shows parallel channels for the channel structure 50 and a so-called distribution section 100 and the collecting section 102 "F.cherT structure. It goes without saying that the invention is not limited to this channel shape.
  • fuel cell device 10 fuel cell device 12 fuel cell stack 14 fuel cell 16 bipolar plate 18 flow element 20 active layer 22 active region 24 base body

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strömungselement für eine Bipolarplatte (16) einer elektrochemischen Einrichtung, umfassend einen plattenförmigen, in zwei im Winkel zueinander ausgerichteten Haupterstreckungsrichtungen (26, 28) erstreckten Grundkörper (24), wobei der Grundkörper (24) eine Kanalstruktur (50) mit einer Mehrzahl von Kanälen zum Ausbilden eines aktiven Bereiches (22) des Strömungselementes (18; 84; 96) umfasst, wobei im Grundkörper (24) eine Einströmöffnung (46) und eine Ausströmöffnung (58) für ein Fluid gebildet sind, die mit der Kanalstruktur (50) über einen Einströmbereich (48) mit Einström-Kanalstruktur (76) bzw. über einen Ausströmbereich (54) mit Ausström-Kanalstruktur (78) strömungsverbunden sind, wobei ein Druckverlust des von der Einströmöffnung (46) zur Ausströmöffnung (58) strömenden Fluids über den Ausströmbereich (54) größer ist als über den Einströmbereich (48) und/oder über den aktiven Bereich (22). Außerdem betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte (16) und eine Brennstoffzelleneinrichtung (10).

Description

STROMUNGSELEMENT, BIPOLARPLATTE UND BRENNSTOFFZELLENEINRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strömungselement für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenein richtung, wobei das Strömungselement einen plattenförmigen, in zwei im Win kel zueinander ausgerichteten Haupterstreckungsrichtungen erstreckten Grundkörper mit einer Kanalstruktur umfasst.
Plattenförmige Strömungselemente mit Kanalstruktur können paarweise zu ei ner Bipolarplatte zusammengesetzt werden. Eine Brennstoffzelleneinrichtung umfasst Brennstoffzellen, wobei zwischen einander benachbarten Bipolarplat ten eine aktive Schicht positioniert ist. Im Beispiel einer PEM-Brennstoffzellen- einrichtung (PEM, Polymerelektrodenmembran) umfasst die aktive Schicht ins besondere Gasdiffusionsschichten (GDL, Gas Diffusion Layer) und eine Mem branelektrodenanordnung (MEA). Die Erfindung wird nachfolgend insbesondere am Beispiel einer PEM-Brennstoffzelleneinrichtung mit Wasserstoff und Luft sauerstoff als Reaktanden (Edukten) und Wasser als Reaktionsprodukt be schrieben, wobei insbesondere eine Kühlung vorgesehen sein kann. Die Erfin dung ist jedoch auf diese, beispielsweise im Bereich der Automobiltechnik ein gesetzte Brennstoffzelleneinrichtung nicht beschränkt.
Im Brennstoffzellenstapel können die fluidischen Medien insbesondere über in Stapelrichtung verlaufende Verteilerkanäle den einzelnen Strömungselementen zugeführt werden. Sammelkanäle ermöglichen die Medienabfuhr von den Strö mungselementen. Die Verteilerkanäle und Sammelkanäle können insbeson dere als sogenannte "Manifolds" bezeichnet werden. Ein jeweiliges Strömungs element kann für zumindest ein Fluid eine Einströmöffnung und eine Aus strömöffnung umfassen, die mit einer Kanalstruktur des Strömungselementes strömungsverbunden sind, wobei die Kanalstruktur an die aktive Schicht an grenzt, um einen Fluidaustausch für die Reaktion zu ermöglichen. Das Strö mungselement kann darüber hinaus Durchgangsöffnungen für weitere Fluide wie zum Beispiel Kühlmittel umfassen, die einer weiteren Seite des Strö mungselementes oder innerhalb des Stapels einem weiteren Strömungsele ment zugeführt werden. Es versteht sich, dass innerhalb des Brennstoffzellen stapels die erforderlichen Dichtelemente zur Abdichtung von Verteilerkanälen, Sammelkanälen und aktiven Schichten vorhanden sind.
Bekannt ist es, dass innerhalb der Verteilerkanäle Druckdifferenzen in Strö mungsrichtung des zuströmenden Mediums bestehen. Innerhalb einer jeweili gen Brennstoffzelle besteht in gewünschter Weise ebenfalls eine Druckdiffe renz zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite. Diese Druckdifferen zen werden vorliegend insbesondere als "Druckverlust" bezeichnet. Wün schenswert ist ein Druckverlust über die Brennstoffzellen, um eine möglichst homogene Verteilung des jeweiligen Fluides über die Brennstoffzellen mit ihren Kanalstrukturen und den jeweiligen aktiven Schichten sicherzustellen. Für die Edukte gilt dies unter dem Gesichtspunkt einer möglichst homogenen Perfor mance, für das Kühlfluid zum Beispiel unter dem Gesichtspunkt einer verbes serten, beispielsweise homogenen Kühlung. Bekannt ist es, dass ein Druckver lust über die an die aktive Schicht grenzende Kanalstruktur eines Strömungs elementes vorzugsweise möglichst geringgehalten werden sollte, um im Fall gasförmiger Edukte einen Abfall des Partialdruckes von der Einström- zur Aus strömseite möglichst zu vermeiden. Dennoch ist ein hinreichend großer Druck verlust für die Erreichung einer homogenen Verteilung über den Stapel wün schenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strömungselement für eine Bi polarplatte einer elektrochemischen Einrichtung bereitzustellen, das verbes serte Strömungseigenschaften im Hinblick auf eine verbesserte Performance bei Einsatz des Strömungselementes in einer elektrochemischen Einrichtung aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Strömungselement für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einrichtung gelöst, umfassend einen plattenförmigen, in zwei im Winkel zueinander ausgerichteten Haupterstre ckungsrichtungen erstreckten Grundkörper, wobei der Grundkörper eine Ka nalstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen zum Ausbilden eines aktiven Berei ches des Strömungselementes umfasst, wobei im Grundkörper eine Ein strömöffnung und eine Ausströmöffnung für ein Fluid gebildet sind, die mit der Kanalstruktur über einen Einströmbereich mit Einström-Kanalstruktur bzw. über einen Ausströmbereich mit Ausström-Kanalstruktur strömungsverbunden sind, wobei ein Druckverlust des von der Einströmöffnung zur Ausströmöff nung strömenden Fluids über den Ausströmbereich größer ist als über den Ein strömbereich und/oder über den aktiven Bereich.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung kann das Fluid bei dem erfindungsgemä ßen Strömungselement von der Einströmöffnung durch die Einström-Kanal struktur, die Kanalstruktur für den aktiven Bereich, welcher an die aktive Schicht der Brennstoffzelle grenzt, und die Ausström-Kanalstruktur zur Aus strömöffnung strömen. Hierbei tritt jeweils ein Druckverlust auf, der erfin dungsgemäß über den Ausströmbereich größer ist als über den Einströmbe reich. Alternativ oder ergänzend kann der Druckverlust über den Ausströmbe reich größer sein als über den aktiven Bereich. Durch eine derartige Konfigura tion wird vorzugsweise vermieden, dass der Druckverlust über den Einström bereich zu hoch ist und die Konzentration des Reaktanden in der aktiven Schicht zu stark abfällt (bei Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen kann dies beispielsweise auch zu dem Problem einer Verschiebung im Wasserhaushalt führen). Durch den im Ausströmbereich höheren Druckverlust besteht insbe sondere die Möglichkeit, über das Strömungselement und damit im bestim mungsgemäßen Einsatz die einzelne Brennstoffzelle einen hohen Druckverlust zu erzielen, der jedoch bis zum Ende der Kanalstruktur am aktiven Bereich verhältnismäßig gering sein kann. Dies kann sich vorzugsweise als vorteilhaft für die Homogenität der Verteilung des Fluids über die einzelnen Brennstoffzel- len mit ihrer jeweiligen Kanalstruktur einerseits und/oder als vorteilhaft für ei nen möglichst hohen Absolutdruck zum Erreichen einer hohen Ausbeute ande rerseits erweisen.
Die Kanalstruktur am aktiven Bereich bildet insbesondere ein sogenanntes Flussfeld (Flowfield).
Die Kanalstruktur am aktiven Bereich kann unterschiedlich beschaffen sein. Beispielsweise ist eine Kanalstruktur mit parallel zueinander entlang einer der Haupterstreckungsrichtungen verlaufenden Kanälen vorgesehen, eine mäan derförmige Kanalstruktur, eine Füßchen-Kanalstruktur, eine Interdigital-Kanal- struktur, eine fraktale Kanalstruktur oder Kombinationen der vorstehend ge nannten Kanalstrukturen möglich.
Insbesondere ist der Druckverlust absolut über den Ausströmbereich größer als über den Einströmbereich und/oder über den aktiven Bereich.
Als vorteilhaft kann es sich insbesondere erweisen, wenn ein Druckverlust pro durchströmter Länge des Strömungselementes über den Ausströmbereich grö ßer ist als über den Einströmbereich und/oder über den aktiven Bereich. Bei spielsweise kann als "durchströmte Länge" der jeweils kürzeste Strömungs pfad durch die Einström-Kanalstruktur, die Kanalstruktur am aktiven Bereich und die Ausström-Kanalstruktur angesehen werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Druckverlust über die Kanalstruktur, absolut und/oder pro durchströmter Länge des Strömungselementes, geringer als ein Druckverlust über die Einström-Kanalstruktur ist.
Die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung können einen gleichen oder im Wesentlichen gleichen Öffnungsquerschnitt aufweisen, bezogen auf die Rich tung des Brennstoffzellenstapels. Die Einström-Kanalstruktur und die Ausström-Kanalstruktur sind vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet.
Vorgesehen sein kann insbesondere, dass der höhere Druckverlust über den Ausströmbereich im Vergleich zum Einströmbereich durch den Unterschied der Einström-Kanalstruktur von der Ausström-Kanalstruktur erzielbar ist. Dies ist herstellungstechnisch einfach und dadurch kostengünstig durchführbar. Die Beschaffenheit der Kanalstrukturen am Einström- und am Ausströmbereich kann voneinander unterschiedlich sein, so dass idealerweise dort jeweils im Hinblick auf bestmögliche Eigenschaften, beispielsweise Druckverlustcharakte ristiken, optimierte Kanalstrukturen vorgesehen werden.
Der Druckverlust über den Ausströmbereich im Vergleich zum Einströmbereich ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beispielsweise durch einen Unterschied in zumindest einem der Folgenden erzielbar:
Gesamtströmungsquerschnitt der Einström-Kanalstruktur und der Aus ström-Kanalstruktur;
Querschnitt von Kanälen;
Länge von Kanälen;
Breite von Kanälen;
Höhe von Kanälen;
Anzahl von Kanälen;
Vorsehen von Verzweigungen und/oder Vereinigungen von Kanälen; Verlaufsrichtung von Kanälen, insbesondere Umlenkungen von Fluid in Kanälen mit dem Ziel der Steigerung des Strömungswiderstandes bei spielsweise durch Verwirbelung.
Alternativ oder ergänzend kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass der Druckverlust über den Ausströmbereich im Verhältnis zum Einströmbereich und/oder zum aktiven Bereich durch min destens ein in der Ausström-Kanalstruktur angeordnetes Widerstandselement erzielbar ist. Das Widerstandselement kann beispielsweise gezielt zur Gestal tung der Fluidströmung eingesetzt werden, um den Druckverlust zu steigern.
Das Strömungselement kann beispielsweise zumindest hinsichtlich einer Au ßenkontur in sich symmetrisch ausgestaltet bezüglich einer Symmetrieachse, die quer und insbesondere senkrecht zu einer vom Grundkörper definierten Ebene ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist eine vollständige Symmetrie bezüg lich der Achse vorgesehen. Um etwaigen Fertigungstoleranzen Rechnung zu tragen, kann das Strömungselement um die Symmetrieachse rotiert und dadurch in unterschiedlicher Orientierung im Brennstoffzellenstapel verbaut werden.
Alternativ oder ergänzend ist es von Vorteil, wenn die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung einander bezüglich einer Achse diametral gegenüberliegend angeordnet sind, die quer und insbesondere senkrecht zu einer vom Grundkör per definierten Ebene ausgerichtet ist. Auch dies erweist sich als vorteilhaft, um das Strömungselement nach Rotation um die Achse in unterschiedlicher Orientierung im Brennstoffzellenstapel anzuordnen.
Bei Bipolarplatten mit zwei Strömungselementen kann vorgesehen sein, dass eine jeweilige Seite eines Strömungselementes, die dem jeweils anderen Strö mungselement abgewandt ist, zur Fluidführung eines Reaktanden dienen kann. An den einander zugewandten Seiten können die Strömungselemente beispielsweise eine jeweilige Kanalstruktur für ein Kühlmedium aufweisen. Wie bereits erwähnt kann zusätzlich zu der Einströmöffnung und der Ausströmöff nung des Strömungselementes mindestens eine weitere Durchgangsöffnung für einen weiteren Verteilerkanal oder einen weiteren Sammelkanal vorgese hen sein, für den Transport eines Kühlfluids oder eines Reaktanden.
Vorgesehen sein kann nach dem Gesagten, dass das Strömungselement eine weitere Einströmöffnung umfasst, die der Ausströmöffnung oder der Ein strömöffnung benachbart ist, und dass das Strömungselement eine weitere Ausströmöffnung umfasst, die der Einströmöffnung oder der Ausströmöffnung benachbart ist. Die jeweiligen Öffnungen sind beispielsweise seitlich nebenei nander positioniert.
Das Strömungselement kann beispielsweise eine erste Seite umfassen und eine dieser abgewandte zweite Seite, wobei die Kanalstruktur, die Einström- Kanalstruktur und die Ausström-Kanalstruktur auf der ersten Seite angeordnet sind. An der zweiten Seite kann eine weitere Kanalstruktur, ein weiterer Ein- strömbereich mit weiterer Einström-Kanalstruktur und ein weiterer Ausström- bereich mit weiterer Ausström-Kanalstruktur angeordnet sein. Über den weite ren Einströmbereich, die weitere Kanalstruktur und den weiteren Ausströmbe- reich besteht eine Fluidverbindung von der weiteren Einströmöffnung zur wei teren Ausströmöffnung.
Beispielsweise ist die erste Seite einer aktiven Schicht der Brennstoffzelle zu gewandt und dient zur Fluidführung eines Reaktanden. Die zweite Seite ist bei spielsweise einem weiteren Strömungselement der Bipolarplatte zugewandt und dient zur Fluidführung eines Kühlmediums.
Bezogen auf eine Projektion des Strömungselementes quer zur Ebene des Grundkörpers kann der Einströmbereich oder der Ausströmbereich beispiels weise seitlich und insbesondere unmittelbar seitlich neben dem weiteren Aus strömbereich angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann der Ausström bereich oder der Einströmbereich seitlich und insbesondere unmittelbar seitlich neben dem weiteren Einströmbereich angeordnet sein. Werden beispielsweise am Einströmbereich und/oder am Ausströmbereich Größenveränderungen ge genüber einem herkömmlichen Strömungselement im Hinblick auf einen ge wünschten Druckverlust vorgenommen, kann beispielsweise ohne zusätzlichen Bauraum eine korrespondierende Anpassung an dem weiteren Einströmbereich oder dem weiteren Ausströmbereich vorgenommen werden. Dies gibt die Mög lichkeit, ohne zusätzlichen Flächenbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Strö mungselementen Anpassungen bei den Größen von Einströmbereichen und Ausströmbereichen vorzunehmen, um die Vorteile der Erfindung bei zwei oder mehr Fluiden zu erzielen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Strömungselement einen ersten Randbereich und einen zweiten Randbereich an einander gegenüberliegenden Seiten in einer der Haupterstre ckungsrichtungen umfasst, wobei am ersten Randbereich die Einströmöffnung und mindestens eine weitere Durchgangsöffnung des Strömungselementes an geordnet ist und am zweiten Randbereich die Ausströmöffnung und mindes tens eine weitere Durchgangsöffnung des Strömungselementes, wobei in der quer zur ersten Haupterstreckungsrichtung ausgerichteten zweiten Haupter streckungsrichtung der Einströmbereich und der Ausströmbereich nur ab schnittsweise erstreckt sind. Hierbei ist insbesondere der aktive Bereich zum Beispiel vollständig zwischen dem ersten und dem zweiten Randbereich ange ordnet, entlang der ersten Haupterstreckungsrichtung. Längs der zweiten Haupterstreckungsrichtung beschränkt sich die Erstreckung der Kanalstruktur des Einströmbereiches und/oder des Ausströmbereiches auf einen Abschnitt des Strömungselementes.
Die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung für das Medium sind beispiels weise an einander gegenüberliegenden Randbereichen des Grundkörpers an geordnet. In entsprechender Weise sind, wenn vorhanden, eine Durchgangs öffnung und eine dieser zugeordnete weitere Durchgangsöffnung für ein weite res Medium an einander gegenüberliegenden Randbereichen des Grundkörpers angeordnet.
Die Einströmöffnung und mindestens eine weitere Durchgangsöffnung des Strömungselementes, insbesondere zwei weitere Durchgangsöffnungen, sind beispielsweise an einem zusammenhängenden Randbereich des Grundkörpers angeordnet. In entsprechender Weise sind die Ausströmöffnung und mindes tens eine weitere Durchgangsöffnung des Strömungselementes, insbesondere zwei weitere Durchgangsöffnungen, beispielsweise an einem zusammenhän genden Randbereich des Grundkörpers angeordnet. Am jeweiligen Randbe reich liegen die Öffnungen (Einström- bzw. Ausströmöffnung und mindestens eine Durchgangsöffnung) zum Beispiel seitlich nebeneinander. Der jeweilige Randbereich kann sich zum Beispiel längs einer Haupterstre ckungsrichtung den gesamten Grundkörper entlang erstrecken.
Der jeweilige Randbereich kann sich zum Beispiel "über Eck" am Grundkörper erstrecken, abschnittsweise entlang einer ersten Haupterstreckungsrichtung und abschnittsweise entlang einer zweiten Haupterstreckungsrichtung.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vor gesehen sein, dass der Ausströmbereich einen Sammelabschnitt und einen Auslassabschnitt umfasst, wobei die Kanalstruktur in den Sammelabschnitt, dieser in den Auslassabschnitt und der Auslassabschnitt in die Ausströmöff nung mündet. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Ausströmöffnung und mindestens eine weitere Durchgangsöffnung des Grundkörpers an einem Randbereich des Strömungselementes auf einer der Kanalstruktur abgewand ten Seite des Sammelabschnittes angeordnet sind.
In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass der Einströmbereich ei nen Einlassabschnitt und einen Verteilerabschnitt umfasst, wobei die Ein strömöffnung in den Einlassabschnitt, diese in den Verteilerabschnitt und der Verteilerabschnitt in die Kanalstruktur mündet. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Einströmöffnung und mindestens eine weitere Durchgangsöffnung des Grundkörpers an einem Randbereich des Strömungs elementes auf einer der Kanalstruktur abgewandten Seite des Verteilerab schnittes angeordnet sind.
Der Verteilerabschnitt erlaubt es, einströmendes Fluid auf die Kanäle der Ka nalstruktur am aktiven Bereich zu verteilen. In entsprechender Weise erlaubt es der Sammelabschnitt, Fluid aus den Kanälen der Kanalstruktur zu sammeln. Der Verteilerabschnitt wie der Sammelabschnitt liegen beispielsweise nicht im Bereich der aktiven Schicht der Brennstoffzelle. Diese Konfiguration kommt zum Beispiel bei Aufbauten zum Einsatz, in denen ein Dichtelement (beispiels weise eine Randverstärkung oder ein Subgasket) oder eine Folie den Verteiler abschnitt bzw. den Sammelabschnitt überdeckt.
Der Sammelabschnitt und/oder der Verteilerabschnitt grenzen vorzugsweise entlang der gesamten Erstreckung des Grundkörpers in einer der Haupterstre ckungsrichtungen an die Kanalstruktur, insbesondere an einander gegenüber liegenden Seiten der Kanalstruktur. Beispielsweise sind der Sammelabschnitt und/oder der Verteilerabschnitt in der vorstehend genannten Hauptbewe gungsrichtung vollständig entlang des Strömungselementes erstreckt.
Vorgesehen sein kann beispielsweise, dass ein Druckverlust am Sammelab schnitt und/oder am Verteilerabschnitt pro durchströmter Länge des Strö mungselementes größer ist als ein Druckverlust an der Kanalstruktur.
Günstigerweise ist ein Druckverlust pro durchströmter Länge des Strömungs elementes am Auslassabschnitt größer als am Sammelabschnitt.
Vorzugsweise ist ein Druckverlust pro durchströmter Länge des Strömungsele mentes am Einlassabschnitt größer als am Verteilerabschnitt.
Das Strömungselement kann beispielsweise ein Umformteil sein und speziell durch Prägen hergestellt sein.
Das Strömungselement kann beispielsweise zumindest teilweise aus einem Metall gefertigt sein.
Das Strömungselement kann beispielsweise zumindest teilweise graphitisch gebildet sein.
Das Strömungselement kann beispielsweise zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein, zum Beispiel am Einströmbereich und/oder am Ausströmbereich. Das Strömungselement kann beispielsweise mittels eines additiven Verfahrens gefertigt sein.
Das Strömungselement kann beispielsweise zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt sein, zum Beispiel einem Kohlenstoff-Verbundwerk stoff.
Das mittels der Strömungsplatte geführte Fluid kann, wie erwähnt, ein Reak- tand sein, insbesondere Wasserstoff oder Luftsauerstoff. Alternativ kann es sich um ein Kühlfluid handeln, insbesondere Wasser.
Die vorliegende Erfindung betrifft wie eingangs erwähnt auch eine Bipolar platte.
Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine elektrochemische Einrichtung umfasst ein erstes Strömungselement und ein zweites Strömungselement, wo bei zumindest ein Strömungselement ein Strömungselement gemäß der vor stehend genannten Art ausgebildet ist.
Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung auch eine Brennstoffzelleneinrich tung.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung umfasst einen Brennstoff zellenstapel, umfassend zwei oder mehr Bipolarplatten der vorstehend be schriebenen Art und zwischen benachbarten Bipolarplatten eine aktive Schicht, wobei über die Einströmöffnungen und Ausströmöffnungen der Strömungsele mente Kanäle zum Transport eines Fluids im Brennstoffzellenstapel gebildet sind.
Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfin dungsgemäßen Strömungselementes erwähnt wurden, können mit der erfin- dungsgemäßen Bipolarplatte und der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenein richtung ebenfalls erzielt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der Bipolar platte und der Brennstoffzelleneinrichtung ergeben sich durch vorteilhafte Aus führungsformen des erfindungsgemäßen Strömungselementes. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
Bei herkömmlichen Brennstoffzelleneinrichtungen wird kathodenseitig im Luft abgassystem häufig eine Drossel eingesetzt, um einen hohen Betriebsdruck am Lastpunkt zu erzielen. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, in funktionel ler Hinsicht einen Teil der Drossel der Ausgangsseite der Bipolarplatte zuzu ordnen.
Bei einer beispielhaften Umsetzung der Erfindung in der Praxis für eine Brenn stoffzelleneinrichtung im Automobilbereich (insbesondere eine PEM-Brennstoff- zelleneinrichtung im PKW-Bereich) können zum Beispiel folgende Druckver hältnisse vorgesehen sein:
Druckdifferenz von Verteilerkanal zu Sammelkanal (Manifold zu Manifold) vor zugsweise kleiner ungefähr 1,5 bar, bevorzugt kleiner ungefähr 1 bar, noch bevorzugter kleiner ungefähr 400 bis 500 mbar.
Druckverlust für gasförmige Reaktanden beispielsweise ungefähr 50 bis 700 mbar für die Kathodenseite am Volllastpunkt, vorzugsweise ungefähr 80 bis 400 mbar.
Druckverlust für gasförmige Reaktanden beispielsweise ungefähr 20 bis 300 mbar für die Anodenseite am Volllastpunkt, vorzugsweise ungefähr 50 bis 200 mbar.
In den obigen Fällen ergeben sich im Teillastpunkt unterschiedliche Druckver luste. Bei obiger Anwendung kann der Druckverlust auf der Kathodenseite zum Bei spiel am aktiven Bereich ungefähr 100 mbar oder mehr sein, am Ausströmbe- reich ungefähr 120 mbar oder mehr. An der Anodenseite kann der Druckver lust beispielsweise am aktiven Bereich 40 mbar oder mehr sein, am Ausström- bereich ungefähr 30 mbar oder mehr. Diese Angaben beziehen sich auf den Volllastpunkt.
Bei einem Gesamtdruckverlust über die Brennstoffzelle von 100% entfallen auf den aktiven Bereich beispielsweise ungefähr 40% oder mehr, auf den Aus- strömbereich beispielsweise ungefähr 20% oder mehr, beispielsweise 40%.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfin dung. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brenn stoffzelleneinrichtung umfassend erfindungsgemäße Bipolarplatten, die aus erfindungsgemäßen Strömungselementen bestehen, in ei ner Explosionsdarstellung;
Figur 2: eine schematische Draufsicht auf ein herkömmliches Strömungs element;
Figur 3: eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Bipolarplatte in einer funktionellen Darstellung;
Figur 4: eine perspektivische Ansicht der Bipolarplatte aus Figur 3, wobei deren zwei Strömungselemente im Abstand zueinander angeordnet und gezeigt sind, in Blickrichtung von oben;
Figur 5: eine weitere Darstellung der Bipolarplatte mit den beiden Strö mungselementen im Abstand zueinander, mit der Blickrichtung von unten; Figur 6: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strömungselement der Brennstoffzelleneinrichtung aus Figur 1;
Figur 7: schematisch den Druckverlauf für einen Reaktanden einer Brenn stoffzelle der Brennstoffzelleneinrichtung aus Figur 1 als Funktion der durchströmten Länge für eine herkömmliche Brennstoffzellen einrichtung (gestrichelte Darstellung, für das Strömungselement in Figur 2) und die Brennstoffzelleneinrichtung aus Figur 1 (durchge zogene Linie, für das erfindungsgemäße Strömungselement in Fi gur 6);
Figuren
8 bis 11: alternative Ausgestaltungen eines Ausströmbereiches bei erfin dungsgemäßen Strömungselementen anstelle des Details A in Fi gur 6;
Figur 12: eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit erfin dungsgemäßem Strömungselement in einer funktionalen Darstel lung;
Figur 13: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strömungselement; und
Figur 14: eine Darstellung entsprechend Figur 7 bei Einsatz des erfindungs gemäßen Strömungselementes gemäß Figur 13 in einer Brennstoff zelleneinrichtung (durchgezogene Linie) im Vergleich zu einem her kömmlichen Strömungselement (gestrichelte Darstellung).
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine insgesamt mit dem Bezugszei chen 10 belegte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzelleneinrichtung. Die Brennstoffzelleneinrichtung 10 umfasst einen
Brennstoffzellenstapel 12 (Stack) einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 14. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich beispielsweise um PEM- Brennstoffzellen für den Automobilbereich, wobei als Reaktanden Wasserstoff und Luftsauer stoff zum Einsatz kommen. Ein Kühlmedium ist vorgesehen, insbesondere Wasser.
Figur 1 zeigt eine schematische zweidimensionale Explosionsdarstellung der Brennstoffzelleneinrichtung 10, wobei Dichtelemente der Übersichtlichkeit hal ber ausgeblendet sind.
In einer Stapelrichtung 30 umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 10 eine Mehrzahl von übereinander gestapelten Bipolarplatten 16, bei denen es sich vorliegend um bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bipo larplatte handelt. Eine jeweilige Bipolarplatte 16 besteht aus zwei Strömungs elementen 18. Zumindest eines der Strömungselemente 18, vorzugsweise beide Strömungselemente 18, sind bevorzugte Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen Strömungselementes.
Das Strömungselement 18 kann zum Beispiel ein durch Prägen hergestelltes Umformteil sein, insbesondere aus Metall, oder auf eine andere der vorstehend beschriebenen Arten hergestellt sein.
Die Strömungselemente 18 einer jeweiligen Brennstoffzelle 14 nehmen zwi schen sich eine schematisch dargestellte aktive Schicht 20 auf, die im vorlie genden Fall Gasdiffusionsschichten (GDL) und eine Membranelektrodenanord nung (MEA) umfasst. Ein aktiver Bereich 22 des jeweiligen Strömungselemen tes grenzt an die aktive Schicht 20.
Wie beispielsweise aus Figur 6 hervorgeht, sind die Strömungselemente 18 flä chig ausgestaltet mit einem plattenförmigen Grundkörper 24. Der Grundkörper 24 ist entlang einer ersten Haupterstreckungsrichtung 26 und entlang einer quer und insbesondere senkrecht dazu ausgerichteten zweiten Haupterstre ckungsrichtung 28 erstreckt. Die Ebene der Strömungselemente 18 ist quer und insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung 30 des Brennstoffzellenstapels 12 ausgerichtet.
Jedes Strömungselement 18 umfasst einen ersten Randbereich 32 und einen zweiten Randbereich 34. Die Randbereiche 32, 34 sind bezogen auf die erste Haupterstreckungsrichtung 26 an einander abgewandten Enden des Strö mungselementes 18 angeordnet. Beide Randbereiche 32, 34 sind entlang der gesamten Breite in der zweiten Haupterstreckungsrichtung 28 des Strömungs elementes 18 erstreckt.
Die Randbereiche 32, 34 ragen seitlich in der Haupterstreckungsrichtung 26 über die aktive Schicht 20 hinaus. Über die Durchgangsöffnungen der Strö mungselemente 18 sind im Brennstoffzellenstapel 12 Verteilerkanäle 36 zur Medienzufuhr und Sammelkanäle 38 zur Medienabfuhr gebildet (auch als "Ma- nifolds" bezeichnet).
Die Brennstoffzelleneinrichtung 10 umfasst in herkömmlicher Weise endseitig Halteelemente 40, die mittels einer Spanneinrichtung 42 relativ zueinander verspannt sind.
Vor der Erläuterung des erfindungsgemäßen Strömungselementes und der er findungsgemäßen Bipolarplatte wird zunächst auf die Ausgestaltung eines her kömmlichen Strömungselementes eingegangen. Das in Figur 2 mit dem Be zugszeichen 44 gezeigte Strömungselement umfasst am Randbereich 32 eine Einströmöffnung 46 für ein Medium, beispielsweise einen Reaktanden. Das Strömungselement 44 kommt bei der herkömmlichen Bipolarplatte gemäß Fi gur 3 zum Einsatz.
Die Einströmöffnung 46 mündet in einen Einströmbereich 48 mit Kanälen, die in eine Kanalstruktur 50 münden. Die Kanalstruktur 50 bildet den aktiven Be reich 22 und ist von der aktiven Schicht 20 in der Stapelrichtung 30 über deckt. Die Kanalstruktur 50 mündet in einen Ausströmbereich 54 mit Kanälen. Der Ausströmbereich 54 ist mit der Ausströmöffnung 58 strömungsverbunden.
Stege 59 trennen die benachbarten Kanäle der Kanalstruktur 50, des Ein- strömbereichs 48 und des Ausströmbereichs 54 voneinander.
In der Haupterstreckungsrichtung 28 sind seitlich neben der Einströmöffnung 46 und der Ausströmöffnung 58 räumlich aufeinanderfolgend jeweils zwei wei tere Durchgangsöffnungen 60 zur Mediendurchfuhr angeordnet.
Die Bipolarplatte 62 in Figur 3 ist von herkömmlicher Art und in Draufsicht in einer sogenannten funktionellen Darstellung gezeigt. Dabei steht die Kanal struktur 50 beispielhaft für Kanalstrukturen der Bipolarplatte 62 insgesamt. Zusätzlich zu den Öffnungen 46, 58 sind zwei weitere Einströmöffnungen 64, 68 und diesen zugeordnete Ausströmöffnungen 66 bzw. 70 gebildet, zur Zu fuhr und Abfuhr eines jeweiligen Fluids.
Die Bipolarplatte 62 ist mit dem Strömungselement 44 und mit einem weiteren Strömungselement 45, das ebenfalls herkömmlich ausgestaltet ist, in den Fi guren 4 und 5 in perspektivischer Explosionsdarstellung gezeigt. Figur 4 zeigt die Strömungselemente 44, 45 von oben und Figur 5 die Strömungselemente 44, 45 von unten.
Das Strömungselement 44 weist auf einer ersten Seite 441 (Oberseite), die in Figur 2 in Draufsicht gezeigt ist, den Einströmbereich 48, die Kanalstruktur 50 und den Ausströmbereich 54 auf. An einer zweiten Seite 442 (Unterseite, Fi gur 5) weist das Strömungselement 44 einen Einströmbereich 48, eine Kanal struktur 50 und einen Ausströmbereich 54 auf. Die Einströmung erfolgt in die sem Fall über die Einströmöffnung 68 und die Ausströmung über die Aus strömöffnung 70. Die zweite Seite 442 korrespondiert mit einer ersten Seite 451 (Oberseite, Fi gur 4) des Strömungselementes 45, wobei auch in diesem Fall die Einströ mung über eine korrespondierende Einströmöffnung 68 und die Ausströmung über eine korrespondierende Ausströmöffnung 70 erfolgt.
Das Strömungselement 45 weist eine zweite Seite 452 auf, die der ersten Seite 451 abgewandt ist (Unterseite, Figur 5). Während die erste Seite 441 des Strömungselementes 44 die Oberseite der Bipolarplatte 62 bildet, bildet die zweite Seite 452 des Strömungselementes 45 die Unterseite der Bipolar platte 62.
An der zweiten Seite 452 weist das Strömungselement 45 einen Einströmbe- reich 48, eine Kanalstruktur 50 und einen Ausströmbereich 54 auf. Die Ein strömung erfolgt über die Einströmöffnung 64 und die Ausströmung über die Ausströmöffnung 70.
Beispielsweise werden bei der Bipolarplatte 62 die Reaktanden auf den Seiten 441 und 452 geführt und das Kühlmittel zwischen den Seiten 442 und 451.
Weisen Strömungselemente der vorliegenden Offenbarung auf einander abge wandten Seiten Kanalstrukturen auf, können diese, beispielsweise bei durch Umformen gebildeten Strömungselementen, relativ zueinander invertiert sein, abweichend von der schematischen Darstellung in der Zeichnung.
Figur 7 zeigt mit gestrichelter Linie 71 schematisch den Druckverlauf über das herkömmliche Strömungselement 44 gemäß Figur 2 als Funktion der durch strömten Länge. Ein erster Abschnitt 72 stellt den Druckverlust über den Ein- strömbereich 48 dar, ein zweiter Abschnitt 73 den Druckverlust über den akti ven Bereich 22 und ein dritter Abschnitt 74 den Druckverlust über den Aus strömbereich 54.
Figur 6 zeigt in einer der Figur 2 entsprechenden Weise eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Strömungselement 18. Das Strömungselement 18 ist im Gegensatz zum herkömmlichen Strömungs element 44 einströmseitig mit einer Einström-Kanalstruktur 76 versehen. Aus- strömseitig ist am Ausströmbereich 54 eine Ausström-Kanalstruktur 78 vorge sehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Ausström-Kanalstruktur 78 so aus gebildet, dass der Druckverlust des Mediums über den Ausströmbereich 54 größer ist als der Druckverlust über den Einströmbereich 48. Im vorliegenden Fall ist der Druckverlust darüber hinaus größer als über den aktiven Bereich 22.
Obige Aussage für den Druckverlust gilt im vorliegenden Beispiel absolut, be zogen auf den absoluten Druckverlust und darüber hinaus pro durchströmter Länge des Strömungselementes 18.
Der Verlauf des Druckverlustes für das Strömungselement 18 gemäß Figur 6 ist in Figur 7 mit durchgezogener Linie 80 beispielhaft dargestellt. Hierbei wur den die Längen der durchströmten Bereiche zum besseren Vergleich mit dem Strömungselement 44 gleich lang gewählt. Auch bei der durchgezogenen Linie 80 kennzeichnen die Abschnitte 72, 73 und 74 den Druckverlauf über den Ein strömbereich 48, den aktiven Bereich 22 und den Ausströmbereich 54.
Aufgrund des erhöhten Druckverlustes am Ausströmbereich 54 kann über die das Strömungselement 18 umfassende Brennstoffzelle 14 insgesamt ein hoher Druckverlust erzielt werden. Dies erweist sich als vorteilhaft für eine homo gene Konzentration des Reaktanden im aktiven Bereich 22 und damit in der aktiven Schicht 20.
Darüber hinaus wird vorzugsweise sichergestellt, dass der Druckverlust über den aktiven Bereich 22 möglichst gering ausfällt, um im aktiven Bereich 22 ei nen möglichst geringen Abfall des Partialdruckes des Reaktanden sicherzustel len. Bei dem erfindungsgemäßen Strömungselement 18 gemäß Figur 6 besteht fer ner der Vorteil, dass der Druckverlust über den Ausströmbereich 54 im Ver hältnis zum Druckverlust über den Ausströmbereich 54 bei dem herkömmli chen Strömungselement 44 gemäß Figur 2 vergrößert ist (Figur 7).
Der erhöhte Druckverlust über den Ausströmbereich 54 gegenüber dem Ein- strömbereich 48 wird insbesondere durch die Ausgestaltung der Ausström-Ka- nalstruktur 78 erzielt (Figur 6). Hierbei wird insbesondere die freie Quer schnittsfläche der Ausström-Kanalstruktur 78 verringert. Denkbar ist insbeson dere, die Querschnittsfläche von Kanälen, die Länge von Kanälen, die Breite von Kanälen, die Höhe von Kanälen und/oder die Anzahl von Kanälen zu ver ringern. Verzweigungen und/oder Vereinigungen von Kanälen können zur Stei gerung der Druckdifferenz vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend können beispielsweise Umlenkungen des Fluids durch die Verlaufsrichtung der Kanäle in der Ausström-Kanalstruktur 78 zur Steigerung des Druckverlustes einge setzt werden.
Der lokale Druckverlust am oder im Ausströmbereich 54 der mehreren Bipolar platten im Stapel erlaubt es vorzugsweise, druckabhängige Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten in der Kanalstruktur 50 zu vermeiden, verbun den mit inhomogenen Strömungen und, daraus resultierend, unterschiedlicher Performance.
Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass beim erfindungsgemäßen Strömungs element 18 gemäß Figur 6 der Druckverlust über den Einströmbereich 48 im Verhältnis zum Druckverlust über den Einströmbereich 48 bei dem herkömmli chen Strömungselement 44 gemäß Figur 2 verringert ist (Figur 7).
Dies bietet den Vorteil, innerhalb des aktiven Bereiches 22 einen insgesamt höheren Gesamtdruck des Reaktanden bereitzustellen als bei dem herkömmli- chen Strömungselement 44. Auf diese Weise kann unter Einsatz des Strö mungselementes 18 eine bessere Performance mit der Brennstoffzelle 14 er zielt werden.
Um den Druckverlust am Einströmbereich 48 gegenüber dem herkömmlichen Strömungselement 44 zu erzielen, können die Kanäle der Einström-Kanal- struktur 76 so ausgebildet werden, dass gegenüber dem herkömmlichen Fall eine vergrößerte Querschnittsfläche für das strömende Fluid bereitgestellt ist. Dies ist in Figur 6 beispielhaft durch verbreiterte Kanäle im Verhältnis zur Dar stellung gemäß Figur 2 gezeigt.
Die Figuren 8 bis 11 stellen ausschnittsweise gemäß Detail A in Figur 6 Aus führungsformen des erfindungsgemäßen Strömungselementes 18 dar. Hier ist jeweils ein Abschnitt des Grundkörpers 24 am Ausströmbereich 54 mit der Ausström-Kanalstruktur 78 und der Ausströmöffnung 58 gezeigt.
Zur Erhöhung des Druckverlustes gegenüber dem herkömmlichen Ausström bereich 54 werden, wie beispielhaft dargestellt, zum Beispiel die Kanallänge, die Kanalquerschnittsfläche, die Kanalbreite und/oder die Kanalhöhe verän dert. Als vorteilhaft erweisen sich insbesondere verlängerte Kanäle.
Die Varianten der Figuren 10 und 11 zeigen, wie durch zusätzliche Umlenkun gen Verlängerungen der Kanäle und dadurch ein höherer Druckverlust erzielt werden kann. Bei der Variante gemäß Figur 11 sind darüber hinaus Vereini gungen von Kanälen vorgesehen. Hier werden jeweils zwei oder mehr Kanäle zu einem Kanal in Richtung der Ausströmöffnung 58 zusammengefasst.
Vorteilhaft ist es, beispielsweise wie bei der Variante gemäß Figur 11, wenn Verengungen auf weniger Kanäle und/oder Kanäle mit geringerem Querschnitt erst innerhalb des Ausströmbereiches 54 angeordnet sind. Dies vermeidet in nerhalb der Kanalstruktur 50 lokale Druckverluste, gewährleistet aber dennoch den erhöhten Druckverlust in der Ausströmung zur Ausströmöffnung. Lokal hohe Strömungsgeschwindigkeiten in der Kanalstruktur 50 werden ebenfalls vermieden, die zu inhomogenen Strömungen führen oder abschnittsweise ho hen Druckverlusten und/oder Nachteilen im Wassermanagement führen kön nen.
Wie vorstehend bereits erläutert kann der Grundgedanke der Erfindung inner halb eines Strömungselemente 18 auf beiden Seiten des Grundkörpers 24 um gesetzt sein.
Alternativ oder ergänzend kann der Grundgedanke der Erfindung bei zwei Strömungselementen 18 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 16 umgesetzt sein.
Nachfolgend wird diesbezüglich in Bezug auf Figur 12 verwiesen, die eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 82 mit erfindungsgemä ßem Strömungselement 84 zeigt, wobei die Bipolarplatte 82 entsprechend Fi gur 3 der funktionellen Darstellung gezeigt ist.
Die Ausführungsform gemäß Figur 12 kann beispielsweise bei einer Counter- flow-Ausgestaltung mit drei Medien eingesetzt werden.
Hierbei sind ebenfalls der Einströmbereich 48 und der Ausströmbereich 54 mit den diesbezüglichen Einström-Kanalstrukturen 76 und Ausström-Kanalstruktu- ren 78 gezeigt.
Die funktionelle Darstellung der Bipolarplatte 82 entspricht der funktionellen Darstellung der Bipolarplatte 62 gemäß Figur 3, dort erläutert anhand der Fi guren 4 und 5 mit den Strömungselementen 44, 45.
Bei der Bipolarplatte 82 sind eine weitere Ausströmöffnung 86 und eine wei tere Einströmöffnung 88 vorgesehen. Die Einströmöffnung 88 und die Aus strömöffnung 86 sind einander so zugeordnet, wie dies die Einströmöffnung 46 und die Ausströmöffnung 48 sind. Auch zwischen der Einströmöffnung 88 und der Ausströmöffnung 86 verläuft eine Kanalstruktur 50. Wie am Beispiel der Figuren 3 bis 5 erläutert strömt zum Beispiel ein Reaktand durch die Ein strömöffnung 46 ein und die Ausströmöffnung 58 aus. Der jeweils andere Re aktand strömt über die Einströmöffnung 88 ein und über die Ausströmöffnung 86 aus. Die jeweiligen Kanalstrukturen sind beispielsweise an einander abge wandten Seiten der Bipolarplatte 82 angeordnet, wie dies anhand der Figuren 4 und 5 am Beispiel der herkömmlichen Bipolarplatte 62 erläutert wurde.
Die Einströmöffnung 46 und die Ausströmöffnung 86 sind im vorliegenden Bei spiel am Randbereich 32 angeordnet und liegen seitlich nebeneinander, jedoch in diesem Beispiel nicht unmittelbar seitlich nebeneinander. Zwischen den Öff nungen 46, 86 ist eine Durchgangsöffnung 60 am Grundkörper 24 gebildet. Durch diese Durchgangsöffnung 60 hindurch strömt beispielsweise ein Kühl medium.
In entsprechender Weise sind die Ausströmöffnung 58 und die Einströmöff nung 88 am Randbereich 34 angeordnet. Dabei liegen die Öffnungen 58, 88 im vorliegenden Beispiel seitlich nebeneinander, jedoch vorliegend nicht unmittel bar nebeneinander. Zwischen den Öffnungen 58, 88 ist eine Durchgangsöff nung 60 am Grundkörper gebildet, durch die zum Beispiel das Kühlmedium strömen kann.
Die Durchgangsöffnungen 60 erlauben insbesondere das Einströmen und das Ausströmen des Kühlmediums zwischen den beiden Strömungselementen der Bipolarplatte 82 und durch eine jeweilige Kanalstruktur 50, wie dies vorste hend anhand der Figuren 4 und 5 am Beispiel der herkömmlichen Bipolarplatte 62 erläutert wurde.
Es könnte abweichend von der Darstellung gemäß Figur 12 vorgesehen sein, dass zum Beispiel die Einströmöffnung 46 und die Ausströmöffnung 86 unmit telbar nebeneinander angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend könnten bei spielsweise die Ausströmöffnung 58 und die Einströmöffnung 88 unmittelbar nebeneinander angeordnet sein. Das Bezugszeichen 90 kennzeichnet den weiteren Einströmbereich für das über die Einströmöffnung 88 zuströmende Medium. Die diesbezügliche Ein- ström-Kanalstruktur ist mit Bezugszeichen 91 gekennzeichnet.
In entsprechender Weise kennzeichnet das Bezugszeichen 92 den Ausströmbe- reich über das durch die Ausströmöffnung 86 ausströmende Medium. Die dies bezügliche Ausström-Kanalstruktur ist mit dem Bezugszeichen 93 gekenn zeichnet.
Ebenso wie durch die Unterschiede zwischen der Einström-Kanalstruktur 76 und der Ausström-Kanalstruktur 78 die Druckverluste am Einströmbereich und am Ausströmbereich 54 designt werden können, können die Druckverluste am Einströmbereich 90 über die Einström-Kanalstruktur 91 und am Ausströmbe reich 92 über die Ausström-Kanalstruktur 93 designt werden.
Bei dem Strömungselement 84 und der Bipolarplatte 82 besteht außerdem der Vorteil, dass ein erhöhter Platzbedarf bzw. ein verringerter Platzbedarf auf grund der Kanalstrukturen 76 und 78 für ein Medium zur Variation des Platz bedarfes der Kanalstrukturen 91 bzw. 93 für das weitere Medium genutzt wer den können, und umgekehrt.
Hierbei wird der erhöhte Platzbedarf für die Ausström-Kanalstruktur 76 durch den verringerten Platzbedarf für die Ausström-Kanalstruktur 93 bereitgestellt. In entsprechender Weise kann eine erforderliche Anpassung im Hinblick auf den Platzbedarf für die Ausström-Kanalstruktur 78 und die Einström-Kanal struktur 91 vorgenommen werden.
Figur 12 stellt dies beispielhaft in der Funktionsdarstellung der Bipolarplatte 82 dar. Der erhöhte Platzbedarf für den Einströmbereich 48 und den Ausströmbe reich 54 können unter Verkleinerung des weiteren Einströmbereichs 90 und des weiteren Ausströmbereichs 93 erzielt werden. Über die zusätzliche Anpas- sung der weiteren Einström-Kanalstruktur 91 und der weiteren Ausström-Ka- nalstruktur 93 können die Druckverluste auch für das weitere Medium wie vor stehend beschrieben erzielt werden.
Vorgesehen sein kann bei der Bipolarplatte 82 insbesondere, den Druckverlust für das weitere Medium über den weiteren Ausströmbereich 92 größer zu ge stalten als über den weiteren Einströmbereich 90 sowie einen weiteren aktiven Bereich 22.
Durch eine Vergrößerung der weiteren Ausströmöffnung 86 ist im vorliegenden Beispiel sichergestellt, dass der erforderliche Volumenstrom unter Einhaltung des gewünschten Druckverlustes und vorzugsweise ohne störende Inhomoge nitäten über die mehreren Bipolarplatten durch das Manifold des Brennstoffzel lenstapels 12 strömen kann, im vorliegenden Beispiel durch den Sammelkanal 38, in den die Ausströmöffnung 86 mündet.
Bei einer abweichenden vorteilhaften Ausführungsform kann günstigerweise vorgesehen sein, dass eine Vergrößerung der Ausströmöffnung 86 für das wei tere Medium nicht erforderlich ist. Dies kann zum Beispiel den Vorteil bieten, dass die Gesamtgröße des Strömungselementes 84 und der Bipolarplatte 82 im Verhältnis zum Strömungselement 18 und zur Bipolarplatte 62 erhalten bleibt. Figur 12 stellt dies schematisch anhand einer gestrichelten Linie 94 dar, die die Wand der Ausströmöffnung 86 für ein derartiges Ausführungsbeispiel kennzeichnet. Der in Figur 12 rechts dieser Wand gelegene Abschnitt der Aus strömöffnung 86 würde in diesem Fall entfallen.
Figur 13 zeigt ein mit dem Bezugszeichen 96 belegtes erfindungsgemäßes Strömungselement in einer der Figur 6 entsprechenden Weise. Das Strö mungselement 96 kann Bestandteil einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte sein. Beim Strömungselement 96 sind ebenfalls der Einströmbereich 48 und der Ausströmbereich 54 vorgesehen. Der Einströmbereich 48 umfasst einen Ein lassabschnitt 98 und einen Verteilerabschnitt 100. Der Ausströmbereich 54 umfasst einen Sammelabschnitt 102 und einen Auslassabschnitt 104.
Es besteht eine Strömungsverbindung für das Fluid von der Einströmöffnung 46 über den Einlassabschnitt 98, den Verteilerabschnitt 100, die Kanalstruktur 50, den Sammelabschnitt 102 und den Auslassabschnitt 104 zur Ausströmöff nung 58. Der Einlassabschnitt 98 dient zur Verteilung des Fluids auf die Kanal struktur 50, und der Sammelabschnitt 102 zur Zusammenführung des Fluids aus der Kanalstruktur 50.
Der Verteilerabschnitt 100 erstreckt sich im vorliegenden Beispiel über die ge samte Breite des Strömungselementes 96 in der Haupterstreckungsrichtung 28. In entsprechender Weise erstreckt sich der Sammelabschnitt 102 im vor liegenden Beispiel über die gesamte Breite des Strömungselementes 96 in der Haupterstreckungsrichtung 28. Der Verteilerabschnitt 100 und der Sammelab schnitt 102 grenzen an einander abgewandten Seiten an die Kanalstruktur 50.
Der Einlassabschnitt 98 erstreckt sich in der Haupterstreckungsrichtung 28 le diglich über einen Abschnitt des Strömungselementes 96. In entsprechender Weise erstreckt sich der Auslassabschnitt 104 entlang der Haupterstreckungs richtung 28 nur über den Abschnitt des Strömungselementes 96.
Kommt das Strömungselement 96 bei der Brennstoffzelle 14 zum Einsatz, sind der Verteilerabschnitt 100 und der Sammelabschnitt 102 insbesondere von ei nem gesonderten Dichtelement überdeckt (subgasket) oder mit einer Folie be deckt. Die aktive Schicht 20 überdeckt lediglich den aktiven Bereich 22.
Figur 14 zeigt in einer der Figur 7 entsprechenden Weise mit der gestrichelten Linie 71 und der durchgezogenen Linie 80 Druckverläufe abhängig vom durch strömten Weg des Strömungselementes 96. Hierbei bezieht sich die gestri- chelte Linie 71 wie bei der Figur 7 auf eine (in der Zeichnung nicht darge stellte) herkömmliche Vergleichsvariante mit Einlassabschnitt 98 und Sammel abschnitt 102. Die durchgezogene Linie 80 bezieht sich auf die erfindungsge mäße Lösung des Strömungselementes 96 gemäß Figur 11.
Die jeweiligen Linien 71, 80 sind in fünf Abschnitte 106 bis 110 ausgehend vom Einlassabschnitt 98 bis zum Auslassabschnitt 104 unterteilt. Der erste Ab schnitt 106 bezieht sich auf den Einlassabschnitt 98, der zweite Abschnitt 107 auf den Verteilerabschnitt 100, der dritte Abschnitt 108 auf den aktiven Be reich 22, der vierte Abschnitt 109 auf den Sammelabschnitt 102 und der fünfte Abschnitt 110 auf den Auslassabschnitt 104.
Auch beim Strömungselement 96 ist insbesondere vorgesehen, dass der Druckverlust über den Ausströmbereich 54 größer ist als über den Einströmbe- reich 48 und über die Kanalstruktur 50. Darüber hinaus ist der Druckverlust über den Einströmbereich 48 geringer als bei der herkömmlichen Vergleichs variante. Die vorstehend beschriebenen Vorteile können damit auch bei dem Strömungselement 96 erzielt werden.
Insbesondere ist erkennbar, dass der Druckverlust über den Auslassabschnitt 104 größer ist als über den Sammelabschnitt 102, absolut und pro durch- strömter Länge des Strömungselementes 96.
Ein Druckverlust absolut und pro durchströmter Länge ist am Einlassabschnitt 98 größer als am Verteilerabschnitt 100.
Ein jeweiliger Druckverlust am Sammelabschnitt 102 absolut und pro durch strömter Länge ist größer als ein Druckverlust an der Kanalstruktur 50. Ein Druckverlust am Einlassabschnitt pro durchströmter Länge ist größer als ein Druckverlust an der Kanalstruktur 50.
Die Zeichnung zeigt für die Kanalstruktur 50 parallel verlaufende Kanäle sowie am Verteilerabschnitt 100 und am Sammelabschnitt 102 eine sogenannte "FüßcherT-Struktur. Es versteht sich, dass die Erfindung auf diese Kanalform nicht beschränkt ist.
Bezugszeichenliste:
10 Brennstoffzelleneinrichtung 12 Brennstoffzellenstapel 14 Brennstoffzelle 16 Bipolarplatte 18 Strömungselement 20 aktive Schicht 22 aktiver Bereich 24 Grundkörper
26, 28 Haupterstreckungsrichtung 30 Stapelrichtung 32, 34 Randbereich 36 Verteilerkanal 38 Sammelkanal 40 Halteelement 42 Spanneinrichtung
44 Strömungselement (herkömmlich)
441 erste Seite
442 zweite Seite
45 Strömungselement (herkömmlich)
451 erste Seite
452 zweite Seite
46 Einströmöffnung 48 Einströmbereich 50 Kanalstruktur 54 Ausströmbereich
58 Ausströmöffnung
59 Steg
60 Durchgangsöffnung
62 Bipolarplatte (herkömmlich)
64 Einströmöffnung 66 Ausströmöffnung Einströmöffnung Ausströmöffnung gestrichelte Linie , 73, 74 Abschnitt Einström-Kanalstruktur Ausström-Kanalstruktur durchgezogene Linie Bipolarplatte Strömungselement weitere Ausströmöffnung weitere Einströmöffnung weiterer Einströmbereich weitere Einström-Kanalstruktur weiterer Ausströmbereich weiterer Ausström-Kanalstruktur gestrichelte Linie Strömungselement Einlassabschnitt 0 Verteilerabschnitt 2 Sammelabschnitt 4 Auslassabschnitt 6, 107, 108, 109, 110 Abschnitt

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Strömungselement für eine Bipolarplatte (16) einer elektrochemischen Einrichtung, umfassend einen plattenförmigen, in zwei im Winkel zuei nander ausgerichteten Haupterstreckungsrichtungen (26, 28) erstreckten Grundkörper (24), wobei der Grundkörper (24) eine Kanalstruktur (50) mit einer Mehrzahl von Kanälen zum Ausbilden eines aktiven Bereiches (22) des Strömungselementes (18; 84; 96) umfasst, wobei im Grundkör per (24) eine Einströmöffnung (46) und eine Ausströmöffnung (58) für ein Fluid gebildet sind, die mit der Kanalstruktur (50) über einen Ein- strömbereich (48) mit Einström-Kanalstruktur (76) bzw. über einen Aus- strömbereich (54) mit Ausström-Kanalstruktur (78) strömungsverbunden sind, wobei ein Druckverlust des von der Einströmöffnung (46) zur Aus strömöffnung (58) strömenden Fluids über den Ausströmbereich (54) größer ist als über den Einströmbereich (48) und/oder über den aktiven Bereich (22).
2. Strömungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverlust pro durchströmter Länge des Strömungselementes (18; 84; 96) über den Ausströmbereich (54) größer ist als über den Einströmbe reich (48) und/oder über den aktiven Bereich (22).
3. Strömungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverlust über die Kanalstruktur (50) geringer als ein Druck verlust über die Einström-Kanalstruktur (76) ist.
4. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (46) und die Ausströmöffnung (58) einen gleichen oder im Wesentlichen gleichen Öffnungsquerschnitt aufweisen.
5. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einström-Kanalstruktur (76) und die Ausström- Kanalstruktur (78) unterschiedlich ausgestaltet sind, insbesondere dass der höhere Druckverlust über den Ausströmbereich (54) im Vergleich zum Einströmbereich (48) durch den Unterschied der Einström-Kanal struktur (76) von der Ausström-Kanalstruktur (78) erzielbar ist.
6. Strömungselementnach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust über den Ausströmbereich (54) im Vergleich zum Einströmbereich (48) durch einen Unterschied in zu mindest einem der Folgenden erzielbar ist:
Gesamtströmungsquerschnitt der Einström-Kanalstruktur (76) und der Ausström-Kanalstruktur (78);
Querschnitt von Kanälen;
Länge von Kanälen;
Breite von Kanälen;
Höhe von Kanälen;
Anzahl von Kanälen;
Vorsehen von Verzweigungen und/oder Vereinigungen von Kanä len;
Verlaufsrichtung von Kanälen, insbesondere Umlenkungen von Fluid in Kanälen.
7. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust über den Ausströmbereich (54) im Vergleich zum Einströmbereich (48) und/oder zum aktiven Bereich (22) durch mindestens ein in der Ausström-Kanalstruktur (78) angeord netes Widerstandselement erzielbar ist.
8. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (18; 84; 96) zumindest hinsichtlich einer Außenkontur in sich symmetrisch ausgestaltet ist be züglich einer Symmetrieachse, die quer und insbesondere senkrecht zu einer vom Grundkörper (24) definierten Ebene ausgerichtet ist und/oder dass die Einströmöffnung (46) und die Ausströmöffnung (58) einander bezüglich einer Achse diametral gegenüberliegend angeordnet sind, die quer und insbesondere senkrecht zu einer vom Grundkörper (24) defi nierten Ebene ausgerichtet ist.
9. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (18; 84; 96) eine weitere Einströmöffnung (88) umfasst, die der Ausströmöffnung (58) oder der Einströmöffnung (46) benachbart ist, und dass das Strömungselement (18; 84; 96) eine weitere Ausströmöffnung (86) umfasst, die der Ein strömöffnung (46) oder der Ausströmöffnung (58) benachbart ist.
10. Strömungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (18; 84; 96) eine erste Seite umfasst und eine dieser abgewandte zweite Seite, wobei die Kanalstruktur (50), die Einström-Ka- nalstruktur (76) und die Ausström-Kanalstruktur (78) auf der ersten Seite angeordnet sind, und dass an der zweiten Seite eine weitere Kanal struktur, ein weiterer Einströmbereich (90) mit weiterer Einström-Kanal- struktur (91) und ein weiterer Ausströmbereich (92) mit weiterer Aus ström-Kanalstruktur (93) angeordnet sind, über welche eine Fluidverbin dung von der weiteren Einströmöffnung (88) zur weiteren Ausströmöff nung (86) besteht.
11. Strömungselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf eine Projektion des Strömungselementes (18; 84; 96) quer zu einer Ebene des Grundkörpers (24), der Einströmbereich (48) seitlich neben dem weiteren Ausströmbereich (92) angeordnet ist und/oder der Ausströmbereich (54) seitlich neben dem weiteren Ein strömbereich (88) angeordnet ist.
12. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (18; 84; 96) einen ersten Randbereich (32) und einen zweiten Randbereich (34) an einander ge genüberliegenden Seiten in einer der Haupterstreckungsrichtungen (26, 28) umfasst, wobei am ersten Randbereich (32) die Einströmöffnung (48) und mindestens eine weitere Durchgangsöffnung (60) des Strö mungselementes (18; 84; 96) angeordnet ist und am zweiten Randbe reich (34) die Ausströmöffnung (58) und mindestens eine weitere Durch gangsöffnung (60) des Strömungselementes (18; 84; 96), und dass in der quer zur ersten Haupterstreckungsrichtung (26) ausgerichteten zwei ten Haupterstreckungsrichtung (28) der Einströmbereich (48) und/oder der Ausströmbereich (54) nur abschnittsweise erstreckt sind.
13. Strömungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, dass der Ausströmbereich (54) einen Sammelabschnitt (102) und einen Auslassabschnitt (104) umfasst, wobei die Kanalstruktur (50) in den Sammelabschnitt (102), dieser in den Auslassabschnitt (104) und der Auslassabschnitt (104) in die Ausströmöffnung (58) mündet, insbe sondere dass die Ausströmöffnung (58) und mindestens eine weitere Durchgangsöffnung (60) des Grundkörpers (24) an einem Randbereich (32, 34) des Strömungselementes (96) auf einer der Kanalstruktur (50) abgewandten Seite des Sammelabschnittes (102) angeordnet sind.
14. Strömungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (48) einen Einlassabschnitt (98) und einen Verteilerabschnitt (100) umfasst, wobei die Einströmöff nung (46) in den Einlassabschnitt (98), diese in den Verteilerabschnitt (100) und der Verteilerabschnitt (100) in die Kanalstruktur (50) mündet, insbesondere dass die Einströmöffnung (46) und mindestens eine wei tere Durchgangsöffnung (60) des Grundkörpers (24) an einem Randbe reich des Strömungselementes (96) auf einer der Kanalstruktur (50) ab gewandten Seite des Verteilerabschnittes (100) angeordnet sind.
15. Strömungselement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelabschnitt (102) und/oder der Verteilerabschnitt (100) entlang der gesamten Erstreckung des Grundkörpers (24) in einer der Haupterstreckungsrichtungen (26, 28) an die Kanalstruktur (50) gren zen, insbesondere an einander gegenüberliegenden Seiten der Kanal struktur (50), und/oder dass der Sammelabschnitt (102) und/oder der Verteilerabschnitt (100) in dieser Hauptbewegungsrichtung (26, 28) voll ständig entlang des Strömungselementes (96) erstreckt sind.
16. Strömungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Druckverlust am Sammelabschnitt (102) und/oder am Verteilerabschnitt (100) pro durchströmter Länge des Strö mungselementes (96) größer ist als ein Druckverlust an der Kanalstruk tur (50).
17. Strömungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Druckverlust pro durchströmter Länge des Strö mungselementes (96) am Auslassabschnitt (104) größer ist als am Sam melabschnitt (102) und/oder dass ein Druckverlust pro durchströmter Länge des Strömungselementes (96) am Einlassabschnitt (98) größer ist als am Verteilerabschnitt (100).
18. Strömungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Folgenden gilt: das Strömungselement (18; 84;96) ist ein Umformteil; das Strömungselement (18; 84;96) ist zumindest teilweise aus ei nem Metall gefertigt; das Strömungselement (18; 84;96) ist zumindest teilweise aus ei nem Kunststoffmaterial gefertigt; das Strömungselement (18; 84;96) ist mittels eines additiven Ver fahrens gefertigt; das Strömungselement (18; 84;96) ist zumindest teilweise aus ei nem Verbundwerkstoff gefertigt.
19. Bipolarplatte für eine elektrochemische Einrichtung, umfassend ein ers tes Strömungselement (18; 84;96) und ein zweites Strömungselement (18; 84;96), wobei zumindest ein Strömungselement (18; 84;96) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
20. Brennstoffzelleneinrichtung, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), um fassend zwei oder mehr Bipolarplatten (16, 82) nach Anspruch 19 und zwischen benachbarten Bipolarplatten (16, 82) eine aktive Schicht (20), wobei über die Einströmöffnungen (46) und Ausströmöffnungen (58) der Strömungselemente (18; 84;96) Kanäle (36, 38) zum Transport eines Fluids im Brennstoffzellenstapel (12) gebildet sind.
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