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Die
Erfindung betrifft eine Bipolarplatte einer PEM-Brennstoffzelle
mit mindestens einem Eingangsport und einem Ausgangsport und einem
dazwischen angeordneten Flowfield.
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Solche
Bipolarplatten können
in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen,
kurz PEM-BZ, verwendet werden. Eine PEM-BZ muss, um eine hohe Leistungsausbeute
zu erzielen, über
eine Membran-Elektroden-Einheit (englisch: membrane electrode assembly,
oder kurz MEA) gleichmäßig mit
Reaktionsstoffen versorgt werden. Dies geschieht u. a. über eine
an, eine MEA angrenzende Bipolarplatte, in welche Kanäle eingearbeitet
sind. Die aus den Kanälen
resultierende Kanalstruktur wird auch Flowfield genannt. Die Kanäle dienen
neben der gleichmäßigen Versorgung
der MEA mit Reaktionsstoffen auch dem besseren Flüssigwasseraustrag.
Kann das Flüssigwasser
nicht aus der PEM-BZ entfernt werden, so behindert das Flüssigwasser,
welches bei der Energieerzeugung entsteht, den Stofftransport der
Reaktionsstoffe erheblich und die PEM-BZ verliert an Leistung. Der
Flüssigwasseraustrag
wie auch die Versorgung mit Reaktionsstoffen lässt sich über den Druckverlust bzw. über die
Fließgeschwindigkeit
der Fluide innerhalb der Kanäle
bestimmen, der über
die Geometrie und die Kanalstruktur einstellbar ist. Dabei ist darauf
zu achten, dass der Druckverlust einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt,
da ein zu hoher Druckverlust den Partialdruck der Reaktionsstoffe
reduziert, was wiederum zu einer Reduzierung der PEM-BZ-Leistung
führt.
Andererseits werden zur Erhöhung
der Leistungsdichte durch eine geringe Bauhöhe der Bipolarplatte kleine
Kanalquerschnitte ge fordert, die wiederum einen erhöhten Druckverlust nach
sich ziehen. Die gleichmäßige Verteilung
des Reaktionsstoffes oder der Reaktionsstoffe auf die einzelnen
Kanäle
wird beispielsweise durch große Ports
sichergestellt. Große
Ports und deren Anordnung senken aber wiederum die Leistungsdichte
der PEM-BZ.
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Aus
den Dokumenten
US 6,074,692 und
EP 1 109 241 A2 sind
Bipolarplatten mit Flowfields mit serpentinenförmigen Strömungsführungen bekannt.
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Nachteilig
an einer serpentinenförmigen Strömungsführung ist,
dass die Kanäle
sehr lang sind und dadurch bei ansonsten gleichen Kanalquerschnitten,
im Vergleich zu parallelen Kanälen
mit konstruktionsbedingt kürzeren
Kanälen,
ein erhöhter Druckverlust
zwischen Beginn des Kanals und Ende des Kanals zu verzeichnen ist,
was zu einer Reduzierung des Partialdrucks des strömenden Fluids
und dadurch zu einer Reduzierung der PEM-BZ-Leistung führt.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 0
955 686 A1 ist eine parallele Strömungsführung eines Flowfields bekannt.
Durch die höhere
Kanalanzahl und durch die geringere Kanallänge ist der Druckverlust gering.
Durch die höhere
Anzahl an parallelen Kanälen
werden jedoch größere Ports
benötigt,
was zu einer größeren Bauhöhe der Bipolarplatte und
somit zu einer Reduzierung der Leistungsdichte der PEM-BZ führt.
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Aus
der internationalen Anmeldung
WO 97/426721
A1 ist eine Bipolarplatte mit Flowfield bekannt, welche
sowohl parallele als auch serpentinenförmige Kanalstrukturen aufweist.
Die Kanäle
sind dabei blockartig miteinander verschachtelt.
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Nachteilig
daran ist, dass in dem Flowfield im Verteilungsbereich der Bipolarplatte
einer Kanal-Verzweigungsstelle oder einer Folge von Kanal-Verzweigungsstellen
stets eine Kanal-Sammlungsstelle
oder eine Folge von Kanal-Sammlungsstellen folgt, wobei sich eine
mehrfach alternierende Folge von Kanal- Verzweigungen und anschließender Sammlung dieser
Kanäle
zu jeweils wieder einem Kanal ergibt. Hierdurch kommt es zu unnötigen Druckverlusten und
nachteiligen Strömungsverhältnissen
in den Kanälen
innerhalb des Verteilungsbereichs.
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Ferner
wird in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 49 059 A1 ein Brennstoffzellensystem beschrieben,
bei dem ein Strömungsmodul
mit einem Einlass- und einem Auslassbereich zur Verteilung von Prozessgasen
vorgesehen ist. Der Einlass- und der Auslassbereich sind über Strömungskanäle verbunden.
Von jedem der beiden Einlässe
geht lediglich ein Kanal aus, der sich dann allerdings in drei parallel
geführte
Kanalzweige aufspaltet. Diese Kanalzweige werden dann im Auslassbereich
wieder zusammengeführt,
so dass jeweils nur ein Kanal in die Auslässe mündet.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 55 253 A1 beschäftigt sich mit dem Befeuchtungsproblem
von MEAs, deren PEM nur bei optimalem Wassergehalt eine optimale
Protonenleitfähigkeit
aufweisen. Als Lösung
wird u. a. ein Flowfield vorgeschlagen, bei dem Verbindungskanäle von den
Portbereichen zu den Verteilungskanälen vorgesehen sind sowie Verbindungskanäle zwischen
den Verteilungskanälen.
Mit Hilfe der Verbindungskanäle
kann ein Teil des Reaktionsstoffs an den Eingängen der Verteilungskanäle vorbeigeführt und
erst nach und nach zudosiert werden. Dadurch wird das Austrocknungsproblem
am Eingang der Verteilungskanäle
gelindert. Zusätzlich
kann das Problem auftretenden flüssigen Wassers
gelindert werden. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung der Verteilung eines
durch das Flowfield strömenden
Fluids bewirkt. Bei einer Ausführungsform
(
3) sind Verzeigungsstellen gegeben, an denen eine
Verteilungskanal sich in zwei Äste
verzweigt, und stromabwärts
davon Sammlungsstellen, an denen die zwei Äste des verzeigten Verteilungskanals
wieder zusammen geführt
werden. Die Verzweigungsstellen sind dabei die Stellen eines Verteilungskanals,
an denen ein Verbindungskanal zu einem anderen Verteilungskanalabschnitt
oder einem benachbarten Verteilungskanal abzweigt. Die Samm lungsstellen
sind ferner die Stellen eines Verteilungskanals, an denen ein Verbindungskanal
von einem anderen Verteilungskanalabschnitt oder einem benachbarten
Verteilungskanal einmündet.
Der Verteilungsbereich endet nach der ersten Sammlungsstelle ausgehend
vom Ausgangsport nicht, sondern es folgt, bei dem ganz rechts angeordneten
Verteilungskanal, noch eine Zudosierungsstelle, wobei bei den anderen,
weiter links angeordneten Verteilungskanälen sogar noch eine weitere
Verzweigungsstelle folgt. Geht man von dem ganz links angeordneten
Verteilungskanal aus, so kann ein Fluid sogar durch das ganze Flowfield
fließen
und dabei mehrere Verzweigungsstellen, Sammlungsstellen und Zudosierungsstellen
passieren, ohne dass der Verteilungsbereich nach der vom Ausgangsport
aus gesehen ersten Sammlungsstelle endet.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte
mit einem Flowfield zu schaffen, bei der das Flowfield eine gute
Verteilung eines durch das Flowfield strömenden Fluids bei hoher Leistungsdichte
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Gegenstand
betrifft eine Bipolarplatte einer PEM-Brennstoffzelle mit mindestens
einem Eingangsport und einem Ausgangsport, wobei sich ein von einem
Eingangsport ausgehender Kanal in Strömungsrichtung an mindestens einer
Verzweigungsstelle verzweigt und vor einem Ausgangsport an mindestens
einer Sammlungsstelle sammelt, wobei dieser Kanal mit dem Ausgangsport verbunden
ist und die Bipolarplatte einen Verteilungsbereich aufweist, der
nach einer ersten Verzweigungsstelle der mit mindestens einem Eingangsport
und mindestens einem Ausgangsport verbundenen Kanäle, ausgehend
vom Eingangsport in Strömungsrichtung
beginnt, und vor der ersten Kanal-Sammlungsstelle, ausgehend vom
Ausgangsport entgegen der Strömungsrichtung,
endet, wobei die Anzahl der Kanal-Verzweigungen wenigstens eines mit
einem Ausgangsport und Eingangsport verbundenen Kanals in dem Verteilungsbereich
der Bipolarplatte gleichbleibend ist oder die Anzahl der Kanalverzweigungen
zunächst
kontinuierlich zunimmt und dann kontinuierlich abnimmt, wobei die
Anzahl der Verzweigungen in dem Verteilungsbereich mindestens zwei
ist.
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Ein
Verteilungsbereich im Sinne dieser Erfindung ist der Bereich eines
auf einer Bipolarplatte angeordneten Flowfields, der nach einer
ersten Verzweigungsstelle der mit mindestens einem Eingangsport
und mindestens einem Ausgangsport verbundenen Kanäle, ausgehend
vom Eingangsport in Strömungsrichtung
beginnt und vor einer ersten Kanal-Sammlungsstelle ausgehend vom
Ausgangsport entgegen der Strömungsrichtung
endet. Dieser aktive Bereich ist der Bereich einer Bipolarplatte,
der maßgeblich
für die
Verteilung des durchströmenden Fluids
ist, in dem also der überwiegende
Teil des Flowfields angeordnet ist. Die Ports sind mit den Kanälen in dem
Verteilungsbereich überwiegend über serpentinenförmig oder
verzweigend bzw. zusammenführend
angeordnete Kanäle
verbunden.
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Im
Rahmen dieser Erfindung wird von dem Verteilungsbereich der elektrochemisch
aktive Bereich unterschieden, d. h. der Bereich auf einer Bipolarplatte,
der an den Bereich einer MEA angrenzt, in dem die elektrochemische
Reaktion abläuft.
Dieser elektrochemisch aktive Bereich kann nahezu den gesamten Bereich
zwischen den Ports umfassen, also auch den oben definierten Verteilungsbereich.
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Unter
einem Fluid im Sinne der Erfindung werden sowohl Gase oder Gasgemische
als auch Flüssigkeiten
verstanden. Zum einen werden Reaktionsstoffe, vorzugsweise Gase,
dem Flowfield zugeführt,
damit diese Reaktionsstoffe über
das Flowfield optimal verteilt werden, zum anderen dient das Flowfield
aber auch zum Austragen des bei der Reaktion der Gase entstehenden
Wassers in gasförmigem oder
flüssigem
Zustand.
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Die
erfindungsgemäße Bipolarplatte
weist u. a. den Vorteil auf, dass die Anzahl der Ports verringert
werden kann, was wiederum den Vorteil mit sich bringt, dass das
Bauvolumen, insbesondere die Bauhöhe, der Bipolarplatte verringert
werden und ihre Stabilität
erhöht
werden kann.
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Erfindungsgemäß weist
die Bipolarplatte 1 bis 3, bevorzugt 1 bis 2 Eingangsports
auf, besonders bevorzugt 1 Eingangsport.
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Die
Bipolarplatte weist 1 bis 3, bevorzugt 1 bis 2
Ausgangsports auf, besonders bevorzugt 1 Ausgangsport.
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Die
Anzahl der von einem Eingangsport abgehenden Kanäle beträgt 1 bis 100, bevorzugt 1 bis 50
und besonders bevorzugt 1 bis 20.
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Die
maximale Anzahl an Kanälen
im Verteilungsbereich ist abhängig
von der Breite der Kanäle und
der Bipolarplatte sowie dem Mindestabstand der Kanäle zueinander.
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Sammlungsstellen
im Sinne der Erfindung sind Stellen oder Knoten, zu denen mehr Kanäle führen, als
von der Stelle wegführen.
Erfindungsgemäß versteht
man unter einer Verzweigung die Anzahl der Kanäle nach einer Verzweigungsstelle.
Eine Verzweigungsstelle ist eine Stelle oder ein Knoten, von der mehr
Kanäle
wegführen,
als zu der Stelle hinführen. Unter
einem Verzweigungsgrad wird die gesamte Anzahl an Verzweigungen
eines mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem Ausgangsport verbundenen
Kanals verstanden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der mit mindestens einem Eingangsport und mindestens einem
Ausgangsport verbundene Kanal im Verteilungsbereich vor Erreichen
eines maximalen Verzweigungsgrads keine Kanal-Sammlungsstellen auf. Somit
lassen sich in dem Verteilungsbereich ungünstige Strömungseigenschaften durch einen
einzigen Kanal vermeiden.
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Zudem
ist es vorteilhaft, dass der mit mindestens einem Eingangsport und
mindestens einem Ausgangsport verbundene Kanal im Verteilungsbereich
maximal vier Sammlungsstellen, vorzugsweise maximal drei Sammlungsstellen
und besonders bevorzugt maximal zwei Sammlungsstellen aufweist. Durch
die geringe Anzahl der Sammlungsstellen werden die Kanäle schnell
und platzsparend reduziert, was die Leistungsdichte der Bipolarplatte
erhöht,
wodurch weniger Ausgangsports benötigt werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
ist es, dass die aus den mit mindestens einem Eingangsport und mindestens
einem Ausgangsport verbundenen Kanälen und deren Verzweigungen
bestehende Kanalverzweigungsstruktur bzw. Flowfield im Wesentlichen
innerhalb des Verteilungsbereichs der Brennstoffzelle liegt. Vorteilhaft
ist ferner, dass das Verhältnis
von parallelen Kanalstrukturen zu serpentinenförmigen Kanalstrukturen mit
einem steigenden Verzweigungsgrad zunimmt und dann mit einem sinkenden
Verzweigungsgrad abnimmt. So lässt
sich im Verteilungsbereich eine maximale Anzahl an parallelen Verzweigungs-
oder Kanalstrukturen erreichen, welche durch den geringen Druckverlust
das durchströmende
Fluid optimal verteilen. Serpentinenförmige, mäanderförmige o. ä. Kanalstrukturen sind hauptsächlich zwischen
den Ports und dem Verteilungsbereich angeordnet und dienen hauptsächlich der
Zufuhr der Fluide in den Verteilungsbereich. Die parallelen Kanalstrukturen
sind überwiegend
im Verteilungsbereich angeordnet, wo sie hauptsächlich zur verbesserten Gasverteilung
bei geringen Druckverlusten dienen.
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Von
besonderem Vorteil ist es, dass die aus den Kanälen und deren Verzweigungen
bestehende Verteilungsstruktur überwiegend
innerhalb des Verteilungsbereichs der Bipolarplatte angeordnet ist.
Auf diese Weise lässt
sich der Bereich außerhalb
des Verteilungsbereichs – äußerer Bereich
oder auch Randbereich – zur
weiteren Stabilisierung der Bipolarplatte und zur Unterbringung
weiterer Komponenten wie z. B. von Anschlussteilen nutzen.
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Von
besonderem Vorteil ist es, dass die von dem Eingangsport oder den
Eingangsports ausgehenden Kanäle
und deren Verzweigungen einen geeigneten Querschnitt zur besseren
Gleichverteilung des durchströmenden
Fluids aufweisen. Durch die Wahl eines geeigneten Kanalquerschnitts
lassen sich strömungstechnische
Vorteile erzielen, welche zu einer effizienteren Bauweise und damit
zu einer Erhöhung
der Leistungsdichte führen.
Ein strömungstechnischer
Vorteil kann zum Beispiel eine laminare Strömung sein.
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Ein
geeigneter Kanalquerschnitt weist einen hydraulischen Durchmesser
von 0,01 bis 5 mm, bevorzugt von 0,1 bis 2,5 mm und besonders bevorzugt von
0,5 bis 1,5 mm auf.
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Eine
die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht
vor, dass die Querschnittsgeometrie der Verteilungskanäle trapezoid,
dreieckig oder elliptisch ist. Aufgrund dieser Kanalquerschnittsgeometrie
lassen sich optimale Strömungsergebnisse
wie geringer Druckverlust, gute Fluidverteilung etc. erzielen, die zu
einer deutlichen Verbesserung der Leistungsdichte beitragen.
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Eine
weitere die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass im Verteilungsbereich
der durch die Kanäle
und deren Verzweigungen realisierten Verteilungsstruktur bzw. Flowfield
Mittel zur besseren Durchströmung,
nachfolgend auch als Ausbildungen bezeichnet, eingebracht sind.
Jede Verbesserung der Durchströmung
erhöht
den Wirkungsgrad der Verteilung und trägt so zu einer Erhöhung der Leistungsdichte
der PEM-BZ bei.
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Eine
weiterführende
Verbesserung ist es, dass die in die Kanäle und deren Verzweigungen
eingebrachten Mittel zur besseren Durchströmung Noppen sind, die die Durchströmungseigenschaften
des Fluids durch die Kanäle
und zugleich die mechanische Abstützung verbessern.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass die in die Kanäle und deren
Verzweigungen eingebrachten Ausbildungen Stegdurchbrüche sind,
um die Durchströmungseigenschaften
des Fluids durch die Kanäle
und damit die Gleichverteilung des Fluids über der MEA-Fläche zu verbessern.
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In
gleicher Weise wird ein Vorteil dadurch realisiert, dass die Geometrie
des oder der Kanalquerschnitte variabel über die Kanallänge ist.
So sind verschiedene Kanalquerschnitte wie kreisförmige, trapezoide,
rechteckige oder andere Querschnitte je nach lokaler Strömungssituation
einsetzbar, wodurch eine optimale Strömungsverteilung erzielt werden kann.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung ist es, dass der Übergang oder der Übergangsbereich
zwischen winklig verbundenen Kanälen
oder Verzweigungen spezielle strömungsmechanische
Ausbildung aufweist, um bessere Strömungseigenschaften für das durchströmende Fluid
zu ermöglichen.
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Ferner
weist der Kanalquerschnitt eines zu einer Verzweigungsstelle führenden
Kanals oder von einer Sammlungsstelle wegführenden Kanals erfindungsgemäß eine Querschnittsfläche a auf,
deren Fläche
größer ist
als die Gesamtfläche Σi bi aller von einer Verzweigungsstelle wegführenden
oder zu einer Sammlungsstelle hinführenden Kanäle i (i ist die Nummer eines
Kanals, eine natürliche
Zahl > 0) mit der
Querschnittsfläche
bi, d. h.: a > Σi bi. Dadurch lassen
sich strömungstechnische
Vorteile wie Strömungsverteilung
und Leistungsdichte im Bereich des Verteilungsbereichs erzielen.
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Die
Querschnittsfläche
a liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 100 mm2, bevorzugt von 5 bis 50 mm2 und
besonders bevorzugt von 10 bis 25 mm2. Anstelle
der Querschnittsfläche
kann auch der hydraulische Durchmesser als Vergleichsmaß angewendet
werden, dessen Wert von 1 bis 100 mm, bevorzugt von 5 bis 50 mm
und besonders bevorzugt von 10 bis 25 mm beträgt.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, dass die Fläche
an einer Verzweigungsstelle, Sammlungsstelle, oder Umlenkung, auf
die das durchströmende
Fluid bei einer Richtungsänderung
prallt – im
folgenden als Prallfläche
bezeichnet – eine
spezielle Ausformung aufweist. Durch die spezielle Ausformung lassen
sich Widerstände
und daraus resultierende Druckverluste oder Leistungseinbußen minimieren.
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Die
Ausformung der Prallfläche
kann in Form eines Radius oder in Form einer Schräge ausgebildet sein,
wobei der Radius in einem Bereich von 0,01 bis 100 mm, bevorzugt
in einem Bereich von 0,1 bis 50 mm und besonders bevorzugt in einem
Bereich von 1 bis 10 mm liegt. Die Schräge kann so gestaltet sein, dass
der Winkel zwischen Strömungsvektor
und Schrägennormalenvektor
in einem Bereich von 0,1° bis
89°, bevorzugt
von 1° bis
50° und
besonders bevorzugt von 10° bis
20° liegt.
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Nach
einer möglichen
Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Prallfläche winklig
abgeschrägt
ist, um die von dem durchströmenden
Fluid ausgeübte
Aufprallkraft auf die Prallfläche
zu verringern.
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Eine
Prallfläche
im Sinne dieser Erfindung ist die Fläche, auf die ein durch die
Kanäle
strömendes Fluid
bei einer Richtungsänderung
an einer Verzweigungsstelle, Sammlungsstelle oder Umlenkung prallt.
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Winklig
abgeschrägt
bedeutet, dass der Flächennormalenvektor
der Prallfläche
nicht fluchtend mit dem Strömungsvektor
des anströmenden
Fluids ist.
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Nach
einer anderen möglichen
Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Prallfläche abgerundet
ist, um die von dem durchströmenden
Fluid ausgeübte
Aufprallkraft auf die Prallfläche
zu verringern.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Trennwand oder die Trennwände die sich über einen
Kanal erstrecken, der abgewinkelt zu einem vorherigen und einem
nachfolgenden Kanal angeordnet ist, in die benachbarten Kanalabschnitte
hineinragt und dadurch einen Teil der durch das anströmende Fluid
ausgeübten
Kraft aufnimmt. Durch die Aufteilung der Kraft auf eine größere Fläche wird
die Beanspruchung der Wandung reduziert.
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Ein
weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand
betrifft einen PEM-Brennstoffzellenstack,
der mindestens eine Bipolarplatte der vorstehend beschriebenen Art
aufweist, wobei es bevorzugt ist, wenn der PEM-Brennstoffzellenstack
ausschließlich Bipolarplatten
der vorstehend beschriebenen Art aufweist.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der 1 bis 11 näher dargestellt.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen kathodenseitigen
Bipolarplatte mit einem Flowfield,
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2 eine
schematische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen anodenseitigen
Bipolarplatte mit einem Flowfield,
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen kathodenseitigen
Bipolarplatte mit einem Flowfield,
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen anodenseitigen
Bipolarplatte mit einem Flowfield,
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5 eine
schematische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen kathodenseitigen
Bipolarplatte mit einem Flowfield,
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6 eine
schematische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen anodenseitigen
Bipolarplatte mit einem Flowfield,
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7 eine
schematische Detaildarstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
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8 eine
schematische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
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9 eine
schematische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
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10 eine
schematische Darstellung einer vierten Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung,
und
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11 eine
schematische Darstellung einer fünften
Variante einer erfindungsgemäßen Kanalverzweigung.
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Eine
Bipolarplatte 1 nach 1 besteht
im Wesentlichen aus einem schicht- oder plattenförmigen Material, in welchem
ein aus mehreren Kanälen 2 bestehendes
Flowfield 3 und verschiedene Ports 4 ausgebildet
sind. Das Material der Bipolarplatte 1 ist im Wesentlichen
ein nicht poröses
Material. Die Form der Bipolarplatte 1 ist im Wesentlichen
quaderförmig, wobei
die Dicke der Bipolarplatte 1 sehr dünn im Vergleich zu der Breite
und der Länge
der Bipolarplatte 1 ist. Die Bipolarplatte 1 weist
seitlich ein oder mehrere Ports 4 auf, die auf einer Seite
ein Fluid zu den Kanälen 2 hin-
und auf einer anderen Seite von den Kanälen 2 wegführen. In
der vorliegenden Ausführung
weist die Bipolarplatte 1 an ihren kürzeren Seiten gegenüberliegend
jeweils drei Ports 4 auf, drei Eingangports 4a und
drei Ausgangsports 4b. Die Ports 4 befinden sich
dabei im Wesentlichen innerhalb eines äußeren Bereichs 5 der
Bipolarplatte 1. Von dem Eingangsport 4a' führen die
drei Kanäle 2a, 2b, 2c ab.
Dabei werden diese drei Kanäle 2a, 2b, 2c,
an Verzweigungsstellen 7 weiter verzweigt. Kanal 2a wird
an den drei Verzweigungsstellen 7a, 7b, 7c in die
Kanäle 2a', 2a'' und 2a''' verzweigt.
Analog hierzu werden die beiden anderen Kanäle 2b, 2c an
einer entsprechenden Verzweigungsstelle 7 zu je drei weiteren
Kanälen 2 verzweigt.
Die Kanäle 2 werden
anschließend
in den Sammlungsstellen 8 zusammengeführt. So werden die Kanäle 2a', 2a'', 2a''' an den Sammlungsstellen 8a, 8b und 8c zu
einem Kanal 2d zusammengeführt. Nach der letzten Sammlung
der Kanäle 2 werden
diese zu den Ausgangsports 4b geführt. In 1 werden
die Kanäle
alle zu dem Ausgangsport 4b''' geführt. Die Kanäle 2 haben
dabei die Aufgabe, ein Fluid innerhalb des Verteilungsbereichs 6 der
Bipolarplatte 1 gleichmäßig zu verteilen
und entstehendes Flüssigwasser
abzuführen.
Aus diesem Grund sind in dem Verteilungsbereich 6 der Bipolarplatte 1 neun
parallele Kanäle 2 ausgebildet.
Die Versorgung der Kanäle 2 mit
einem Fluid geschieht über
die Ports 4, genauer über
die Eingangsports 4a. Um alle Kanäle 2 zu versorgen,
große
Ports 4 sich aber ungünstig
auf die Leistungsdichte der Bipolarplatte 1 auswirken,
führen
von den Ports 4 der Bipolarplatte 1 drei Kanäle 2a, 2b, 2c,
die aufgrund des beschränkten
Bauraums serpentinenförmig
angeordnet sind, zu den überwiegend
parallel angeordneten Kanälen 2a', 2a'', 2a'''.
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Für die anodenseitige
Bipolarplatte 1 nach 2 gilt im
Wesentlichen das gleiche wie für
die kathodenseitige Bipolarplatte 1 nach 1.
Die Kanalstrukturen 3 sind hier im Wesentlichen gleich
ausgebildet.
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Eine
etwas andere Aufteilung der Kanalstruktur 3 zeigt 3.
Ausgehend von einem Eingangsport 4a führen drei Kanäle 2a, 2b, 2c ab,
welche an den entsprechenden Verzweigungsstellen 7 in fünf weitere
Kanäle
verzweigt werden. Kanal 2b wird dabei in die Kanäle 2b', 2b'', 2b''', 2b'''' und 2b''''' verzweigt. Entsprechend verzweigen
die Kanäle 2a und 2c ebenso
in fünf
weitere Kanäle.
Im Gegensatz zu den verzweigten Kanälen gemäß 1 und 2 sind
die verzweigten Kanäle 2 parallel
zur kürzeren
Seite der Bipolarplatte 1 angeordnet. In den Samm lungsstellen 8 werden
die verzweigten Kanäle 2 zusammengeführt und
mit dem Ausgangsport 4b''' verbunden. Hier wird der aktive
Bereich 6 jeweils von einem Port 4 über drei
Kanäle 2 bis
hin zu fünfzehn kürzeren parallelen
Kanälen 2 mit
einem Fluid versorgt. Die Bereiche mit paralleler Kanalstruktur 10 sind
dabei stufenförmig
geschachtelt angeordnet, um alle Wesentlichen Bereiche des Verteilungsbereichs 6 der
Bipolarplatte 1 abzudecken.
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Die
anodenseitige Bipolarplatte 1 nach 4 weist
im Wesentlichen die gleiche Kanalstruktur 3 wie die kathodenseitige
Bipolarplatte 1 nach 3 auf.
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Eine
weitere mögliche
Ausbildung des Flowfields 3 geben 5 und 6 wieder.
In 5 und 6 sind die Kanäle 2 nicht
nur einmal verzweigt und einmal gesammelt sondern es ist eine Folge
von Verzweigungsstellen 7 und Sammlungsstellen 8 vorhanden,
d. h. es gibt mehrere Ebenen der Verzweigung bzw. Sammlung, in dem
vorliegend beschriebenen Fall genau drei Ebenen. Ausgehend von einem Eingangsport 4a'' führen von diesen drei Kanälen 2 über einen
ersten Knoten 7, 8, der sowohl als Verzweigungsstelle 7 wie
auch als Sammlungsstelle 8 betrachtet werden kann, zu einer
zweiten und einer dritten Verzweigungsstelle 7, wo die
Kanäle 2 jeweils wurzelbaumartig
in je zwei weitere Kanäle 2 verzweigt
werden. Nach der dritten Verzweigungsstelle 7 verlaufen
die insgesamt acht Kanäle 2 zueinander und
zu der längeren
Seite der Bipolarplatte parallel zu einer ersten Sammlungsstelle 8.
Dort werden die Kanäle 2 zu
insgesamt vier Kanälen 2 gesammelt und
an einer zweiten Sammlungsstelle 8 zu zwei Kanälen gesammelt. Über drei
Knoten, die wiederum sowohl als Sammlungsstelle 8 als auch
als Verzweigungsstelle betrachtet werden können, führen schließlich drei Kanäle zu dem
Ausgangsport 4b''.
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Die
Ausführung
nach 6 entspricht im Wesentlichen der Ausführung nach 5 mit
dem Unterschied, dass die Zufuhr nicht von einem zentralen Eingangsport 4a'' zu einem zentralen Aus gangsport 4b'' erfolgt, sondern von einem Eingangsport 4a' zu einem Ausgangsport 4b''' erfolgt.
Ansonsten erfolgt auch hier die Verteilung jeweils in drei Ebenen.
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Der Übergang
bzw. der Übergangbereich 13 eines
Kanals 2 in einen anderen Kanal 2 an einer Verzweigungsstelle 7 und
an einer Sammlungsstelle 8 ist in den folgenden 7 bis 11 dargestellt.
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Die
Verzweigungsstelle 7 gemäß 7 zeigt einen
Kanal 2a der nach einer Verzweigungsstelle 7 mit
zwei Kanälen 2a' und 2a'' verbunden ist, die um 90° im Uhrzeigersinn
zu dem Kanal 2a vor der Verzweigungsstelle 7 umgelenkt
sind und einen Kanal 2b der nach einer Sammlungsstelle
um 90° entgegen dem
Uhrzeigersinn zu den beiden Kanälen 2a' und 2a'' vor der Sammlungsstelle 8 umgelenkt
ist. Der Kanal 2a weist dabei einen breiten Zuführbereich 11 mit
einer Kanalquerschnittsbreite a vor der Verzweigungsstelle 7 auf.
Die beiden Kanäle 2a' und 2a'' sind durch eine Trennwand 12 getrennt.
Die gesamte Kanalquerschnittsbreite b der beiden Kanäle 2a' und 2a'' zusammen ist dabei um den Betrag,
der für
die Breite der Trennwand 12 anfällt geringer, als die Gesamtbreite
a des Kanals 2a vor der Verzweigungsstelle 7,
d. h. die Außenkontur
des Kanals 2a bleibt über
die Verzweigungsstelle 7 bzw. in gleicher Weise über die
Sammlungsstelle 8 konstant.
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In 7 ist
der Übergang 13 bzw.
die Richtungsänderung
der Kanalwandungen an der Verzweigungsstelle 7 und der
Verzweigungsstelle 8 über einen
rechten Winkel ausgebildet.
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In 8 weist
die Verzweigungsstelle 7 und die Sammlungsstelle 8 im
Unterschied zu der Verzweigungsstelle in 7 einen
winkligen Übergang 13 auf.
Hier prallt das die Kanäle
durchströmende Fluid
nicht im rechten Winkel auf eine Prallfläche 14 der Kanalwandung,
sondern auf eine schräg
ausgebildete Prallfläche,
das heißt
eine Prallfläche,
die winklig zu der Strömungsrichtung
des Fluids ausgerichtet ist, wodurch strömungstechnisch ein geringerer
Reibungswiderstand erzeugt wird. Analog ist die Sammlungsstelle 8 ausgebildet.
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In 9 ist
eine weitere Art des Übergangs oder
des Übergangbereichs 13 der
Verzweigungsstelle 7 gezeigt. Hier ragt die Trennwand 12 in
den Strömungsbereich
vor der Verzweigungsstelle 7 bzw. in den Strömungsbereich
hinter der Sammlungsstelle 8, wodurch ebenfalls ein strömungstechnisch
mit geringeren Reibungswiderständen
behaftetes Strömungsprofil
erzeugt wird.
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Die 10 zeigt
noch eine andere Art der Ausformung der Verzweigungsstelle 7 bzw.
der Sammlungsstelle 8. Hier ist der Übergang 13 mittels Radien
abgerundet, wodurch der Strömungsübergang
noch weniger Reibungswiderstand aufweist.
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In 11 ist
die Trennwand 12 nicht über
ein ununterbrochenes Element sondern über mehrere Elemente ausgebildet.
Diese sind in Form von Noppen 15 und/oder Trennwandelementen
ausgeformt. Die einzelnen Elemente liegen dabei alle auf einer gedachten
(Strömungs-)Linie,
so dass die Strömung nicht
durch einen Versatz unterbrochen wird.
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Die
in den 7 bis 11 dargestellten Ausformungen
des Übergangs 13 stellen
dabei jeweils Ausführungen
zur Verbesserung der Strömungseigenschaften
durch einen Kanal dar.