WO2022090133A1 - Bipolarplatte mit medienregulierung und brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Markus GRETZER
Norbert DR. KLUY
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Audi Ag
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Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell and a fuel cell stack.
  • Fuel cell devices are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy.
  • fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and one electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane.
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel in particular hydrogen H2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the fuel is fed to the anode, where electrochemical oxidation of H2 to H + takes place with the release of electrons.
  • the protons H + are transported from the anode compartment to the cathode compartment via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically.
  • the electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line.
  • Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is supplied to the cathode, so that a reduction of O2 to O2' takes place , with the electrons being absorbed.
  • these oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water.
  • the reactant gases are fed to the electrodes of the fuel cells by means of bipolar plates.
  • a cooling medium is also fed through the bipolar plates, so that three different media are fed through the bipolar plates in a very small space.
  • the media guide can be designed as media ports formed as recesses in the edge region, which allow several three-dimensional spaces to arise when the individual layers of the fuel cell stack are stacked one on top of the other.
  • the media guide can also be formed as a functional component that is assigned to the edge region of the bipolar plates and the fuel cells and is formed separately therefrom, in which a three-dimensional space is formed.
  • an external header can be assigned to the stacked fuel cells and bipolar plates.
  • a channel structure of media channels is typically formed through the active region of the bipolar plate, which fluidically connects one of the media guides, for example a media port, to another of the media guides. At least one passage is made in the bipolar plate body of the bipolar plate, which fluidically connects the media guide, for example the media port, to the media channel(s).
  • the efficiency of the fuel cell is significantly influenced by the media mass flow that flows through the media channels. This is largely determined by the selection of the flow cross section, ie the diameter of the openings, when the bipolar plate is manufactured. The choice of the diameter represents a compromise between the various requirements for humidification and performance. A rapid adjustment of the performance profile of the fuel cell stack during the This makes operation difficult.
  • DE 202019 101 145 U1 describes a separator plate with a channel system whose individual fluid paths have different cross sections.
  • DE 10 2017 202 705 A1 describes a separator plate for a fuel cell stack in whose media port a distribution element for adjusting the flow cross section of the passages is introduced and fixed therein.
  • DE 10 2017 201 540 A1 describes a fuel cell stack with a media channel for supplying or removing a cooling fluid, the flow rate of the cooling fluid being controllable by means of an actuating element arranged inside the media channel with an actuator.
  • the problem relating to the bipolar plate is solved by a bipolar plate having the features of claim 1 .
  • the problem relating to the fuel cell stack is achieved by a fuel cell device having the features of claim 10 .
  • Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the bipolar plate for a fuel cell with an active area and an edge area surrounding the active area which comprises a first media guide having a first passage and a second media guide having a second passage, and with a running through the active area, the first passage with the second Passage fluidically connecting media channel, is characterized in particular by the fact that the first passage and / or the second passage is associated with an aperture that is adjustable by means of an actuator for setting or for controlling the flow cross section of the first passage and / or the second passage.
  • the diaphragm which can be adjusted by means of the actuator, enables dynamic adjustment of the flow cross section at the first passage and/or at the second passage, which in turn regulates the mass flows in the media channel as required.
  • the aperture is preferably adjustable between a first position in which the passage is at least partially covered, the flow cross section is consequently reduced, and a second position in which the passage is uncovered.
  • the screen can also be adjusted by the actuator in such a way that the passage is completely covered by the screen, so that a media mass flow through the passage into the media channel is prevented.
  • This rapid reduction in the supply of media means that only the media that are within the active area are available for the electrochemical reaction. This allows the electrical power provided by the fuel cell stack to be quickly reduced in order to be able to react to dynamic processes in vehicles, for example the intervention of an anti-lock braking system. Conversely, a rapid increase in performance can also be realized, or the media routing can be adapted to the performance requirement in such a way that media consumption is optimized.
  • the screen can preferably be arranged in front of the passage or in the passage.
  • the screen can have the same cross-sectional shape as the first passage and/or the second passage; it is particularly advantageous if the screen is formed elliptically. This enables simple manufacture and good coverage of the passage.
  • the cross-sectional shape of the screen can be polygonal, i.e. for example rectangular, square, hexagonal, orthogonal or triangular.
  • the panel can also be curved in the direction of the passage or opposite to the passage.
  • An advantageous possibility of adjusting the screen by means of the actuator is that the screen is rotatably mounted on or in the first passage and/or the screen is rotatably mounted on or in the second passage is.
  • the screen is slidably mounted on or in the first passage and/or slidably mounted on or in the second passage. This enables the diaphragm to be adjusted particularly easily by the actuator and the bipolar plate to be manufactured easily.
  • the first media guide has a plurality of first passages and the second media guide has a plurality of second passages, when the first passages with the second Passages are flow-connected to one another by means of media channels running through the active region, and if at least two of the first passages and/or at least two of the second passages are each assigned an aperture adjustable by means of the actuator for adapting the flow cross section of the passages.
  • each of the first passages and/or each of the second passages is assigned an orifice plate that can be adjusted by means of the actuator in order to adapt the flow cross section of the passages.
  • the screens can be adjusted individually by means of the actuator. This enables the media supply and/or media removal to be controlled in a targeted manner in different sub-areas of the active area.
  • the panels it is also possible for the panels to be adjustable together by means of the actuator.
  • the majority of the screens form a comb with comb teeth and recesses arranged between the comb teeth, or if the majority of screens form a lattice structure with lattice walls and lattice recesses arranged between the lattice walls.
  • the passages by means of the Comb teeth must be at least partially covered. This applies analogously to the formation of the screens as a lattice.
  • the openings can be at least partially covered by the grid walls.
  • the fuel cell stack is characterized in particular by the fact that a plurality of fuel cells are provided which are stacked one above the other in a stacking direction and have at least one bipolar plate and a membrane electrode arrangement.
  • the stacking of the fuel cells and the bipolar plates forms a media space extending in the stacking direction.
  • the integration of the bipolar plate into the fuel cell stack enables dynamic control of the media flow through the media guide into the active area of the fuel cell. This allows a rapid reduction or increase in the electrical power provided by the fuel cell stack, dynamic control of the water balance and targeted control of the cooling of the fuel cell stack.
  • the orifice plate associated with at least one of the passages is adjustable in or against the stacking direction. This enables dynamic adjustment of the flow cross section of the passages and thus dynamic adjustment of the media mass flow.
  • the advantages and configurations described for the bipolar plate also apply analogously to the fuel cell stack with at least one bipolar plate.
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the bipolar plate
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the fuel cell stack.
  • Figure 1 shows a bipolar plate 1 for a fuel cell with an active area 3 and an edge area 4 surrounding the active area 3.
  • the edge area 4 has three first media guides 10 formed as first media ports, namely a media port 10a for supplying the first reactant, a media port 10b for supplying the second reactant and a media port 10c for supplying the coolant into the active area 3 of the bipolar plate 1 .
  • second media guides 7 formed as second media ports, namely a media port 7a for removing the first reactant, a media port 7b for removing the second reactant and a media port 7c for removing the coolant.
  • the first media guides 10 have a plurality of first passages 5 .
  • the second media guides 7 have a plurality of second openings 6 .
  • a plurality of media channels 8 are formed, which run through the active area 3 of the bipolar plate 1 .
  • the media channels 8 flow-mechanically connect the first passages 5 of the first media guides 10 to the second passages 6 of the respective second media guides 7.
  • the media channels 8 are shown in simplified form in FIG.
  • the media channels 8 are preferably formed as a media channel network, which preferably runs in a meandering manner through the active area 3 of the bipolar plate 1 .
  • the media channels 8 run open on one side, enclosing the active areas of the layers adjacent to the bipolar plate 1 to supply the media.
  • the first passages 5 and the second passages 6 are formed within a bipolar plate body 15 such that the passages 5 , 6 tunnel under the bipolar plate 1 .
  • FIG. 2 shows that the first passages 5 are assigned a screen 9 which can be adjusted, in particular displaced, by means of an actuator (not shown) for setting or regulating the flow cross section of the first passage 5 .
  • a screen 9 is not assigned to each of the first openings 5 .
  • each of the first passages 5 and each of the second passages 6 is assigned a screen 9 .
  • the screens 9 can have an elliptical, circular or polygonal cross-sectional shape.
  • the screen 9 is preferably slidably mounted on or in the passage 5, 6, so that a displacement of the screen 9 by the actuator leads to a change in the flow cross section of the passage 5, 6.
  • the diaphragm 9 can be arranged in front of the passage 5, 6 or in the passage 5, 6.
  • the panel 9 can also be designed to be pushed through the passage 5, 6 or inserted into the passage 5, 6.
  • the passages 5, 6 can be formed as simple passage openings or as a passage channel.
  • the flow cross section of the passages 5, 6 can also be changed by rotatably mounting the diaphragm 9 on or in the passage 5, 6.
  • the bipolar plate 1 described in FIGS. 1 and 2 can be integrated into a fuel cell stack 14 having a plurality of fuel cells 2 stacked one on top of the other in a stacking direction. This is shown as an example in FIG.
  • a membrane electrode arrangement is placed between each two such bipolar plates 1 in order to supply them with the reactants via the flow fields of the bipolar plates 1 .
  • This stacking creates a media space that runs essentially parallel to the stacking direction.
  • the reactants and the coolant are added to the fuel cells 2 through these media guides.
  • the screens 9 of the bipolar plate are formed as a comb 11 with comb teeth 12 and recesses 13 arranged between the comb teeth 12 .
  • This plurality of screens 9 formed as a comb 11 can be displaced by means of the actuator.
  • the comb teeth 12 can cover the passages 5, 6 at least partially. If, on the other hand, the recesses 13 are arranged in front of the openings 5, 6, they are uncovered and the media mass flow can flow unhindered into or through the openings 5, 6 into the media channels 8, and consequently into the respective flow field.
  • This enables dynamic control of the media in the bipolar plate 1 and thus in the fuel cell stack 14. It can be seen that the fuel cell stack 14 shown can be supplemented by external headers, so that the panel 9 is introduced into the axially running media space created by them .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (2) mit einem aktiven Bereich (3) und einem den aktiven Bereich (3) umgebenden Randbereich (4), dem eine einen ersten Durchtritt (5) aufweisende erste Medienführung (10) und eine einen zweiten Durchtritt (6) aufweisende zweite Medienführung (7) zugeordnet ist, sowie mit einem durch den aktiven Bereich (3) verlaufenden, den ersten Durchtritt (5) mit dem zweiten Durchtritt (6) strömungsmechanisch verbindenden Medienkanal (8), wobei dem ersten Durchtritt (5) und/oder dem zweiten Durchtritt (6) eine Blende (9) zugeordnet ist, die mittels eines Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtritts (5) und/oder des zweiten Durchtritts (6) verstellbar ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Brennstoffzellenstapel (14).

Description

Bipolarplatte mit Medienregulierung und Brennstoffzellenstapel
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, sowie einen Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran- Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2' unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Den Elektroden der Brennstoffzellen werden mittels Bipolarplatten die Reaktantengase zugeführt. Zusätzlich zu den Reaktantengasen wird auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden.
Um hohe Leistungsanforderungen erfüllen zu können, werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst bzw. übereinander gestapelt. Die Medienführung kann dabei als in dem Randbereich als Aussparungen gebildete Medienports ausgebildet sein, die beim Übereinanderstapeln der einzelnen Schichten des Brennstoffzellenstapels mehrere dreidimensionale Räume entstehen lassen. Alternativ kann die Medienführung auch als ein dem Randbereich der Bipolarplatten und der Brennstoffzellen zugeordneter und separat davon ausgebildetes Funktionsbauteil gebildet sein, in dem ein dreidimensionaler Raum gebildet ist. In anderen Worten kann den übereinander gestapelten Brennstoffzellen und Bipolarplatten ein externer Header zugeordnet sein. So werden mehrere dreidimensionale Räume entlang der Stapelrichtung zur Zuführung der Reaktanten und des Kühlmediums in den aktiven Bereich der Brennstoffzellen und mehrere dreidimensionale Räume entlang der Stapelrichtung zur Abführung der Reaktanten und der Produkte sowie des Kühlmediums gebildet. Durch den aktiven Bereich der Bipolarplatte ist typischerweise eine Kanalstruktur aus Medienkanälen gebildet, die einen der Medienführungen, beispielsweise einen Medienport, mit einem anderen der Medienführungen strömungsmechanisch verbindet. In den Bipolarplattenkörper der Bipolarplatte ist dabei mindestens ein Durchtritt realisiert, der die Medienführung, beispielsweise den Medienport mit dem oder den Medienkanälen strömungsmechanisch verbindet.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wird dabei durch den Medienmassenstrom, der durch die Medienkanäle fließt, maßgeblich beeinflusst. Dieser wird zu einem erheblichen Teil mit der Wahl des Strömungsquerschnitts, d.h. des Durchmessers der Durchtritte, bei der Fertigung der Bipolarplatte festgelegt. Die Wahl des Durchmessers stellt dabei ein Kompromiss verschiedener Anforderungen an die Befeuchtung und die Leistungserbringung dar. Eine rasche Anpassung des Leistungsprofils des Brennstoffzellenstapels während des Betriebs ist dadurch erschwert.
Die DE 202019 101 145 U1 beschreibt eine Separatorplatte mit einem Kanalsystem dessen einzelne Fluidpfade unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Die DE 10 2017 202 705 A1 beschreibt eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel in dessen Medienport ein Verteilungselement zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte eingebracht und darin fixiert ist. Die DE 10 2017 201 540 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit einem Medienkanal zur Zu- oder Abfuhr eines Kühlfluids, wobei die Durchflussmenge des Kühlfluids mittels eines innerhalb des Medienkanals angeordneten Stellelements mit einem Aktor steuerbar ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel mit einer dynamischen Medienführung bereitzustellen.
Die die Bipolarplatte betreffende Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Die den Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich und einem den aktiven Bereich umgebenden Randbereich, dem eine einen ersten Durchtritt aufweisende erste Medienführung und eine einen zweiten Durchtritt aufweisende zweite Medienführung umfasst, sowie mit einem durch den aktiven Bereich verlaufenden, den ersten Durchtritt mit dem zweiten Durchtritt strömungsmechanisch verbindenden Medienkanal, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dem ersten Durchtritt und/oder dem zweiten Durchtritt eine Blende zugeordnet ist, die mittels eines Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtritts und/oder des zweiten Durchtritts verstellbar ist. Die mittels des Aktuators verstellbare Blende ermöglicht dabei eine dynamische Einstellung des Strömungsquerschnitts am ersten Durchtritt und/oder am zweiten Durchtritt, was wiederum die Massenströme in dem Medienkanal nach Bedarf regelt. Die Blende ist dabei vorzugsweise verstellbar zwischen einer ersten Position, in der der Durchtritt zumindest teilweise abgedeckt ist, der Strömungsquerschnitt folglich reduziert ist, und einer zweiten Position, in der der Durchtritt unbedeckt ist. Die Blende kann dabei auch derart durch den Aktuator verstellt werden, dass der Durchtritt vollständig durch die Blende abgedeckt ist, so dass ein Medienmassenstrom durch den Durchtritt in den Medienkanal verhindert wird. Diese rasche Reduktion der Medienzufuhr führt dazu, dass nur noch die Medien, die sich innerhalb des aktiven Bereichs befinden, für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung stehen. Dies erlaubt ein schnelles Verringern der elektrischen Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellenstapels, um in Fahrzeugen auf dynamische Vorgänge, beispielsweise das Eingreifen eines Antiblockiersystems reagieren zu können. Umgekehrt kann auch eine rasche Leistungssteigerung realisiert werden, oder die Medienführung derart an die Leistungsanforderung angepasst werden, dass der Medienverbrauch optimiert wird. Indem dem zweiten Durchtritt eine mittels des Aktuators steuerbare Blende zugeordnet wird, ist es darüber hinaus möglich, den Feuchtehaushalt des Brennstoffzellenstapels dynamisch zu steuern.
Die Blende kann vorzugsweise vor dem Durchtritt oder in dem Durchtritt angeordnet sein. Die Blende kann dabei dieselbe Querschnittsform wie der erste Durchtritt und/oder der zweite Durchtritt aufweisen, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Blende elliptisch gebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung und eine gute Abdeckung des Durchtritts.
In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die Querschnittsform der Blende polygon, d.h. beispielsweise rechteckig, quadratisch, hexagonal, orthogonal oder dreieckig gebildet ist. Weiterhin kann die Blende auch in Richtung des Durchtritts oder entgegen des Durchtritts gebogen gebildet sein.
Eine vorteilhafte Möglichkeit, um die Blende mittels des Aktuators zu verstellen, ist dadurch gegeben, dass die Blende drehbar am oder im ersten Durchtritt gelagert, und/oder die Blende drehbar am oder im zweiten Durchtritt gelagert ist.
In einer alternativen und bevorzugten Ausführungsform ist die Blende verschiebbar am oder im ersten Durchtritt gelagert und/oder verschiebbar am oder im zweiten Durchtritt gelagert. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verstellbarkeit der Blende durch den Aktuator und eine einfache Fertigung der Bipolarplatte.
Um den gesamten aktiven Bereich mit den Medien oder dem Medium zu versorgen und dynamisch Regeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn die erste Medienführung eine Mehrzahl von ersten Durchtritten und die zweite Medienführung eine Mehrzahl von zweiten Durchtritten aufweist, wenn die ersten Durchtritte mit den zweiten Durchtritten mittels durch den aktiven Bereich verlaufenden Medienkanälen miteinander strömungsverbunden sind, und wenn zumindest zwei der ersten Durchtritte und/oder zumindest zwei der zweiten Durchtritte jeweils eine mittels des Aktuators verstellbare Blende zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte zugeordnet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn jeder der ersten Durchtritte und/oder jeder der zweiten Durchtritte eine mittels des Aktuators verstellbare Blende zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte zugeordnet ist.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass die Blenden mittels des Aktuators einzeln verstellbar sind. Dies ermöglicht die gezielte Steuerung der Medienzuführung und/oder Medienabfuhr in verschiedenen Teilbereichen des aktiven Bereichs. In einer vereinfachten Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Blenden gemeinsam mittels des Aktuators verstellbar sind.
Um eine einfachere Fertigung der Bipolarplatte zu ermöglichen ist es von Vorteil, wenn die Mehrzahl der Blenden einen Kamm mit Kammzähnen und zwischen den Kammzähnen angeordneten Aussparungen bilden, oder wenn die Mehrzahl der Blenden eine Gitterstruktur mit Gitterwänden und zwischen den Gitterwänden angeordneten Gitteraussparungen bilden. Bei Verstellung des Kamms mittels des Aktuators können dabei die Durchtritte mittels der Kammzähne zumindest teilweise bedeckt sein. Dies gilt analog für die Ausbildung der Blenden als ein Gitter. Bei Verstellung des Gitters mittels des Aktuators können die Durchtritte mittels der Gitterwände zumindest teilweise bedeckt sein.
Der Brennstoffzellenstapel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Brennstoffzellen vorgesehen ist, die mindestens eine Bipolarplatte und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen. Das Stapeln der Brennstoffzellen und der Bipolarplatten bildet einen sich in Stapelrichtung erstreckenden Medienraum. Durch die Integration der Bipolarplatte in den Brennstoffzellenstapel ist eine dynamische Steuerung des Medienflusses durch die Medienführung in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle möglich. Dies erlaubt ein schnelles Verringern oder Steigern der elektrischen Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellenstapels, eine dynamische Regelung des Wasserhaushaltes und ein gezieltes Steuern der Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die mindestens einem der Durchtritte zugeordnete Blende in o- der entgegen der Stapelrichtung verstellbar gelagert ist, dies ermöglicht eine dynamische Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte und damit eine dynamische Anpassung des Medienmassenstroms. Die für die Bipolarplatte beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten analog auch für den Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Bipolarplatte.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bipolarplatte,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Bipolarplatte, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellenstapels.
Figur 1 zeigt eine Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich 3 und einem den aktiven Bereich 3 umgebenden Randbereich 4. Der Randbereich 4 weist drei als erste Medienports gebildete erste Medienführungen 10, nämlich einen Medienport 10a zur Zuführung des ersten Reaktanten, einen Medienport 10b zur Zuführung des zweiten Reaktanten und einen Medienport 10c zur Zuführung des Kühlmittels in den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1 , auf. Weiterhin sind drei als zweite Medienports gebildete zweite Medienführungen 7 vorhanden, nämlich ein Medienport 7a zur Abfuhr des ersten Reaktanten ein Medienport 7b zur Abfuhr des zweiten Reaktanten und ein Medienport 7c zur Abfuhr des Kühlmittels. Zwischen der ersten Medienführung 10 und der zweiten Medienführung 7 sind über den aktiven Bereich 3 verlaufende Medienkanäle 8 vorhanden, die ein jeweils ein Flussfeld für das betreffende Betriebsmedium bilden.
Die ersten Medienführungen 10 weisen eine Mehrzahl von ersten Durchtritten 5 auf. Die zweiten Medienführungen 7 weisen mehrere zweite Durchtritte 6 auf. Weiterhin ist eine Mehrzahl von Medienkanälen 8 ausgebildet, die durch den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1 verlaufen. Die Medienkanäle 8 verbinden strömungsmechanisch die ersten Durchtritte 5 der ersten Medienführungen 10 mit den zweiten Durchtritten 6 der jeweiligen zweiten Medienführungen 7. Die Medienkanäle 8 sind in der Figur 1 vereinfacht dargestellt. So sind die Medienkanäle 8 vorzugsweise als ein Medienkanalnetz gebildet, welches bevorzugt mäanderförmig durch den aktiven Bereich 3 der Bipolarplatte 1 verläuft. Insbesondere verlaufen die Medienkanäle 8 auf einer Seite offen, um die aktiven Bereiche der zu der Bipolarplatte 1 benachbarten Schichten mit den Medien zu versorgen. Die ersten Durchtritte 5 und die zweiten Durchtritte 6 sind innerhalb eines Bipolarplattenkörpers 15 ausgebildet, so dass die Durchtritte 5,6 die Bipolarplatte 1 untertunneln.
Figur 2 zeigt, dass den ersten Durchtritten 5 eine Blende 9 zugeordnet ist, die mittels eines nicht dargestellten Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtrittes 5 verstellbar, insbesondere verschiebbar ist. Dies ermöglicht, die Medienführung oder den Medienmassenstrom durch die Bipolarplatte 1 dynamisch zu steuern. Zur einfacheren Darstellung ist nicht jedem der ersten Durchtritte 5 eine Blende 9 zugeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist allerdings jedem der ersten Durchtritte 5 und jedem der zweiten Durchtritte 6 eine Blende 9 zugeordnet. Die Blenden 9 können eine elliptische, kreisförmige, oder polygone Querschnittsform aufweisen.
Die Blende 9 ist vorzugsweise am oder im Durchtritt 5, 6 verschiebbar gelagert, so dass durch den Aktuator eine Verschiebung der Blende 9 zu einer Veränderung des Strömungsquerschnitts des Durchtrittes 5, 6 führt. Die Blende 9 kann vor dem Durchtritt 5, 6 oder im Durchtritt 5, 6 angeordnet sein. Die Blende 9 kann darüber hinaus auch durch den Durchtritt 5, 6 durchschiebbar oder in den Durchtritt 5, 6 einsetzbar gestaltet sein. Die Durchtritte 5, 6 können dabei als einfache Durchtrittsöffnungen gebildet sein oder als ein Durchtrittskanal.
Alternativ kann der Strömungsquerschnitt der Durchtritte 5, 6 auch geändert werden durch eine rotierbare Lagerung der Blende 9 am oder im Durchtritt 5, 6.
Die in den Figuren 1 und 2 beschriebene Bipolarplatte 1 kann in einen eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Brennstoffzellen 2 aufweisenden Brennstoffzellenstapel 14 integriert werden. Dieser ist in Figur 3 exemplarisch dargestellt. Hierzu wird zwischen je zwei solcher Bipolarplatten 1 eine Membranelektrodenanordnung platziert, um diese mit über die Flussfelder der Bipolarplatten 1 mit den Reaktanten zu versorgen. Durch dieses Stapeln entsteht ein im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung verlaufender Medienraum. Durch diese Medienführungen werden den Brennstoffzellen 2 die Reaktanten und das Kühlmittel zugefügt. Vorliegend sind die Blenden 9 der Bipolarplatte als ein Kamm 11 mit Kammzähnen 12 und zwischen den Kammzähnen 12 angeordneten Aussparungen 13 gebildet. Diese als Kamm 11 gebildete Mehrzahl von Blenden 9 ist mittels des Aktuators verschiebbar. Zur Reduktion des Strömungsquerschnitts der Durchtritte 5, 6 können die Kammzähne 12 die Durchtritte 5,6 zumindest teilweise bedecken. Sind dagegen die Aussparungen 13 vor den Durchtritten 5, 6 angeordnet, so sind diese unbedeckt und der Medienmassenstrom kann ungehindert in oder durch die Durchtritte 5, 6 in die Medienkanäle 8, mithin in das jeweilige Flussfeld strömen. Dies ermöglicht eine dynamische Steuerung der Medien in der Bipolarplatte 1 und damit in dem Brennstoffzellenstapel 14. Es ist zu erkennen, dass der gezeigte Brennstoffzellenstapel 14 um externe Header ergänzt werden kann, so dass in den durch diese geschaffenen axial verlaufenden Medienraum die Blende 9 eingebracht ist.
BEZUGSZEICHENLISTE:
Bipolarplatte
Brennstoffzelle aktiver Bereich
Randbereich erster Durchtritt zweiter Durchtritt zweite Medienführung a zweiter Medienport für ersten Reaktand b zweiter Medienport für zweiten Reaktandc zweiter Medienport für Kühlmittel
Blende 0 erste Medienführung 0a erster Medienport für ersten Reaktand 0b erster Medienport für zweiten Reaktand 0c erster Medienport für Kühlmittel 1 Kamm 2 Kammzähne 3 Aussparung 4 Brennstoffzellenstapel 5 Bipolarplattenkörper

Claims

ANSPRÜCHE: Bipolarplatte (1 ) für eine Brennstoffzelle
(2) mit einem aktiven Bereich (3) und einem den aktiven Bereich
(3) umgebenden Randbereich
(4), dem eine einen ersten Durchtritt (5) aufweisende erste Medienführung (10) und eine einen zweiten Durchtritt (6) aufweisende zweite Medienführung (7) zugeordnet ist, sowie mit einem durch den aktiven Bereich (3) verlaufenden, den ersten Durchtritt (5) mit dem zweiten Durchtritt (6) strömungsmechanisch verbindenden Medienkanal (8), wobei dem ersten Durchtritt (5) und/oder dem zweiten Durchtritt (6) eine Blende (9) zugeordnet ist, die mittels eines Aktuators zur Einstellung oder zur Regelung des Strömungsquerschnitts des ersten Durchtritts (5) und/oder des zweiten Durchtritts (6) verstellbar ist. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) elliptisch gebildet ist. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Blende (9) polygon gebildet ist. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) drehbar am oder im ersten Durchtritt (5) gelagert ist und/oder dass die Blende (9) drehbar am oder im zweiten Durchtritt (6) gelagert ist. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (9) verschiebbar am oder im ersten Durchtritt (5) gelagert ist und/oder dass die Blende (9) verschiebbar am oder im zweiten Durchtritt (6) gelagert ist. Bipolarplatte (1 ), nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Medienführung (10) eine Mehrzahl von ersten Durchtritten (5) und die zweite Medienführung (7) eine Mehrzahl von zweiten Durchtritten (6) aufweist, dass die ersten Durchtritte (5) mit den zweiten Durchtritten (6) mittels durch den aktiven Bereich (3) verlaufenden Medienkanälen (8) miteinander strömungsverbunden sind, und dass zumindest zwei der ersten Durchtritte
(5) und/oder zumindest zwei der zweiten Durchtritte (6) jeweils eine mittels des Aktuators verstellbare Blende (9) zur Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchtritte (5,
6) zugeordnet ist.
7. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (9) mittels des Aktuators einzeln verstellbar sind.
8. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Blenden (9) einen Kamm (11 ) mit Kammzähnen (12) und zwischen den Kammzähnen (12) angeordneten Aussparungen (13) bilden.
9. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Blenden (9) eine Gitterstruktur mit Gitterwänden und zwischen den Gitterwänden angeordneten Gitteraussparungen bilden.
10. Brennstoffzellenstapel (14), der aus einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Brennstoffzellen (2) gebildet ist, die mindestens eine Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen.
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