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Die
Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung,
insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
in einem Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Brennstoffzellenanordnung
gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
16.
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Eine
Brennstoffzellenanordnung oder ein Brennstoffzellenstapel (auch
kurz Stack genannt) besteht aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten, planparallel übereinander
gestapelt angeordneten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle weist
als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine
Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt auf, beispielsweise
in Form einer Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz PEM bezeichnet), die
zusammen eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz MEA bezeichnet)
bilden.
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Zwischen
den im Brennstoffzellenstapel benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
ist jeweils eine Bipolarplatte (auch Bipolar-Separatorplatteneinheit
genannt) angeordnet. Die Bipolarplatte dient dabei der Beabstandung
benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen, dem Verteilen von Reaktionsstoffen
für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidationsmittel über
die angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnungen und dem Abführen
der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den
Membran-Elektroden-Anordnungen hin offenen Kanälen, der
Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten
Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel
sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der
Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.
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Als
Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt.
Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt,
z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas (z. B. Reformatgas)
als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltenes Gas (z.
B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle
an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden,
einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser
oder abgereicherter Brennstoff.
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Die
jeweilige Bipolarplatte besteht dabei aus einem Formteil, vorzugsweise
jedoch aus zwei oder mehr planparallel miteinander verbundenen Formteilen,
insbesondere Platten – einer Anodenplatte zur Verbindung
mit der Anode der einen Membran-Elektroden-Anordnung und einer Kathodenplatte
zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Anordnung – oder
einer Platte mit ober- und unterseitig eingebrachten Kanalstrukturen. An
der der einen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Oberfläche
der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung
eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet,
wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten
Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur
Verteilung des Oxidationsmittels über der anderen Membran-Elektroden-Anordnung
angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle
haben keine Verbindung miteinander.
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Die
Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen
(im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen
(im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen
zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte
gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt,
insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle
werden beispielsweise diskontinuierlich durch Hohlprägen
(mit Form und Stempel), Hydroforming (mit Form und Flüssigkeit),
Hochgeschwindigkeitsumformen (mit Form und Stempel), Formrecken, Tiefziehen,
Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch
Walzen oder Ziehen hergestellt.
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Um
bei einer Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung für
ein Fahrzeug im Betrieb eine hinreichende Wirtschaftlichkeit und
geringe Kosten zu erzielen, sind einerseits die Leistung pro Quadratmeter
Zellfläche und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu
steigern, indem beispielsweise Leistungsverluste infolge von Kontakt-
und/oder Materialwiderständen reduziert sowie Stoff- und
Ladungstransport verbessert werden. Andererseits werden zunehmend
kostengünstige Materialien, wie z. B. rollbare Elektrodenlagen
für die Gasdiffusionselektroden, verwendet.
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Insbesondere
bei Strömungsfeldern mit parallelen Strömungskanälen
bzw. nicht serpentinenförmigen Strömungsfeldern
ohne Umlenkung, ist einerseits eine Einstellung des Druckverlusts
wünschenswert. Andererseits ist eine Erhöhung
der Brennstoffzellenleistung durch eine verbesserte Gasversorgung,
insbesondere unter den Kanalstegen von Bedeutung.
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Aus
der
US 6586128 B1 ist
zur Verbesserung und Einstellung eines Stofftransports zwischen benachbarten
Kanälen einer Bipolarplatte ein Verfahren und eine Vorrichtung
bekannt, bei welcher Druckunterschiede in dem jeweiligen Kanal durch Änderung
des Kanalverlaufs bei konstanter Stegbreite einstellbar sind.
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In
der älteren deutschen Anmeldung
DE 10 2007 024 161.7 ist darüber
hinaus eine Bipolarplatte beschrieben, welche ausgeformte Kanalstrukturen aufweist,
so dass lokal breite Kanalzonen gebildet sind, in welche Schweißpunkte
angebracht werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für
eine Brennstoffzelle anzugeben, welche gegenüber den aus
dem Stand der Technik bekannten verbessert ist und die eine einfache Einstellung
der Gasversorgung bei gleichzeitig reduziertem Fertigungsaufwand
ermöglicht. Darüber hinaus ist eine verbesserte
Brennstoffzellenanordnung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird hinsichtlich der Bipolarplatte erfindungsgemäß gelöst
durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Hinsichtlich der Brennstoffzellenanordnung
wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im
Anspruch 22 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenordnung, insbesondere
zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
in einem Brennstoffzellenstapel, umfasst mindestens eine oder zwei
planparallel zueinander angeordnete Platten, wobei zumindest auf
deren Außenseiten jeweils ein Strömungsfeld durch
in die Platte eingebrachte Kanalstrukturen mit mehreren nebeneinander
bzw. parallel verlaufenden Kanälen und zwischen zwei Kanälen
ggf. parallel zueinander verlaufenden Stegen gebildet ist. Erfindungsgemäß weisen
die Kanäle und/oder die Stege auf mindestens einer der
Außenseiten entlang deren Verläufe zumindest eine
periodisch variierende Kanalbreite und/oder eine periodisch variierende
Stegbreite auf.
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Eine
mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht dabei
vor, dass bei benachbarten Kanälen und/oder benachbarten
Stegen zumindest die periodisch variierenden Kanalbreiten und/oder
die periodisch variierenden Stegbreiten zumindest teilweise phasenversetzt
und voneinander verschieden periodisch variieren.
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Durch
eine derartige periodische Variation der periodisch variierenden
Kanalbreiten und/oder Stegbreiten ist eine Anpassung der Strömungsfeldgeometrie
vom Fluideingang zum Fluidausgang ermöglicht. Durch eine
derartige periodische Zu- und/oder Abnahme der Kanalbreite und/oder
Stegbreite wird ein darin strömendes Fluid periodisch abgebremst
und beschleunigt. Das heißt, die Strömung pulsiert
dynamisch entlang des Kanals, wodurch ein verbesserter Stofftransport
und eine verbesserte Einströmung in die Gasdiffusionselektrodenlage
ermöglicht sind. Die Wellenstruktur und die Geschwindigkeitsänderungen
erhöhen dabei den Druckverlust bzw. ermöglichen
eine Einstellung des Druckverlustes. Insbesondere ist eine Anpassung
der Diffusionslänge unterhalb der Stege ermöglicht,
wodurch eine Fluidversorgung einer unterhalb der Stege angeordneten
Membran-Elektroden-Anordnung und somit eine Fluidverteilung entlang
der Membran-Elektrodenanordnung verbessert werden. Hierdurch ist
sowohl eine parallele als auch einen serpentinenförmige
Strömungsverteilung ermöglicht. Zudem kann somit
die Leistung der betreffenden Brennstoffzellenanordnung erhöht
als auch die Packungsdichte und somit die Kompaktheit der Brennstoffzellenanordnung verbessert
werden.
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Durch
eine derartige Optimierung von lokalen Stegbreiten, Kanalbreiten
und/oder Kanalabständen des Strömungsfeldes entlang
der Strömungsrichtung ist zudem ein weiterer Freiheitsgrad
für eine Kanalgeometrieausgelegung gegeben, indem die Kanallänge
bei gleicher Bipolarplattenlänge einstellbar und somit
ein weiterer Parameter zur Einstellung des Druckverlustes gegeben
ist. Auch können eine Anpassung an lokale Bedingungen in
den angrenzenden Brennstoffzellen und damit einhergehend eine Optimierung
der Leistungsdichte einer Brennstoffzellenanordnung erzielt werden.
Insbesondere bei einer Brennstoffzellenanordnung mit flexiblen Lagen
von Gasdiffusionselektroden können somit unterschiedliche
Anforderungen an den Fluid-, insbesondere Gastransport, wie auch
unterschiedliche thermische und elektrische Leitfähigkeitsanforderungen
durch entsprechende Variation einer der periodisch variierenden
Breiten, der periodisch variierenden Kanalbreite und/oder der periodisch
variierenden Stegbreite erfüllt und erreicht werden.
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Durch
eine derart variable Einstellung und Anpassung der Kanalstruktur
an lokale Bedingungen können zudem flexible und kostengünstige
Materialien, z. B. flexible, insbesondere rollbare Lagen für
die Gasdiffusionselektroden, verwendet werden. Hierdurch ist eine
Kosten optimierte und robuste sowie packungsdichte Brennstoffzellenanordnung
ermöglicht.
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In
einer möglichen Ausführungsform weisen benachbarte
Kanäle entlang ihrer Ausdehnung zueinander verschieden
periodisch variierende Kanalbreiten und/oder zueinander gleich periodisch
variierende Kanalbreiten auf. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind bei zwei benachbarten Kanälen jeweils breite Kanalabschnitte
des einen Kanals zu schmalen Kanalabschnitten des benachbarten Kanals
benachbart, insbesondere parallel zueinander, angeordnet. Hierdurch
entstehen Druckunterschiede zwischen benachbart angeordneten Kanalabschnitten,
die die Fluidversorgung von einer unterhalb der Stege angeordneten
Membran-Elektroden-Anordnung verbessern und somit die Fluidverteilung
entlang der Membran-Elektroden-Anordnung verbessern. Auch können
zur Erzielung von Druckunterschieden Kanalabschnitte mit beschleunigter
Strömung (= schmale Kanalabschnitte) und Kanalabschnitte
mit entspannter Strömung (= breite Kanalabschnitte) versetzt
zueinander angeordnet sein.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass benachbarte
Stege entlang ihrer Ausdehnung zueinander verschieden periodisch
variierende Stegbreiten und/oder zueinander gleich periodisch variierende
Stegbreiten aufweisen.
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Auch
kann der Kanalabstand zwischen zwei parallel nebeneinander angeordneten
Kanälen entlang der Strömungsrichtung variieren,
insbesondere periodisch variieren, z. B. periodisch zunehmen und/oder
periodisch abnehmen.
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Zur
Verbesserung des Stofftransports durch Druckunterschiede zwischen
benachbarten Kanälen sieht eine weitere Ausführungsform
vor, dass bei einer periodisch variierenden Kanalbreite eines Kanals die
Stegbreite (= Abstand zwischen zwei gleich periodisch variierenden
Stegwänden) der an den Kanal angrenzenden Stege abnimmt.
Mit anderen Worten: In diesem Ausführungsbeispiel ist ein
Steg durch parallel zueinander angeordnete, weitgehend gleich periodisch
variierende und somit wellenförmige Stegwände
gebildet, wobei die so genannte Nulllinie der an den Kanal angrenzenden
wellenförmigen Stegwand parallel zum Kanal verläuft
und die Nulllinie der zu dieser Stegwand parallel verlaufenden wellenförmigen
Stegwand des betreffenden Steges linear absteigend verläuft.
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In
einer hierzu alternativen Ausführungsform kann bei einer
konstanten Stegbreite eines oder mehrerer von zu einem Kanal angrenzenden
Stegen mit jeweils einem periodisch variierenden Stegverlauf durch
gleich periodisch variierende Stegwände der an diesen Steg
oder diese Stege angrenzende Kanal eine periodisch variierende abnehmende
Kanalbreite aufweisen. Dabei ist die periodisch variierende Kanalbreite
bestimmt durch den Abstand zwischen zwei um 180° versetzt
zueinander periodisch variierenden Kanalwänden, wobei dieser
Abstand entlang des Kanals abnimmt, indem die parallel zueinander
verlaufenden Kanalwände linear absteigend bzw. aufsteigend
periodisch variieren. Mit anderen Worten: Der Abstand nimmt zwischen
zwei Wellenbergen und Wellentälern der periodisch variierend
um 180° phasenversetzt verlaufenden und somit wellenförmigen Kanalwände
entlang des Kanalverlaufs ab.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform sieht vor, dass die
periodisch variierende Stegbreite und/oder die periodisch variierende
Kanalbreite entlang deren Verläufe abnehmen. Hierdurch
ist eine weitere Optimierung des Stofftransports durch Konvektion
und Druckunterschiede sowie Massenträgheit entlang der
Wellenform der Kanalbreite und/oder Stegbreite ermöglicht.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Variation von Kanalbreiten
der Kanäle sieht vor, dass die jeweiligen Kanäle
entlang ihrer Ausdehnung eine derart periodisch variierende Kanalbreite
aufweisen, dass deren parallel zueinander und voneinander beabstandet
angeordneten Kanalwände zueinander jeweils einen um 180° phasenversetzten
wellenförmigen Verlauf aufweisen.
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Auch
kann bei konstanter Stegbreite die Kanalbreite periodisch variieren,
insbesondere periodisch zunehmen und/oder periodisch abnehmen.
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Ein
weiterer optimierter Stofftransport ist ermöglicht, wenn
die Stegbreite derart periodisch variiert, dass diese an Stellen,
an welchen ein Stofftransport durch Konvektion verstärkt
wird, breiter ist als an Stellen ohne Konvektion. Mit anderen Worten:
Die Stegbreite ist derart variiert, dass sie an der Stelle, an der
eine treibende Strömungskraft minimal ist, ihre minimale
Ausdehnung hat und somit der Diffusionsweg am kleinsten ist. Bei
Strömungsfeldern ohne Konvektion wird die Stegbreite bevorzugt
so ausgelegt, dass der elektrische Widerstand nicht zu groß wird,
indem die Stege möglichst breit ausgeführt sind und
die Diffusionshemmung nicht zu groß wird, indem die Stege
möglichst schmal ausgeführt sind. Durch eine entsprechende
Ausbildung der Breiten von Stege und Kanäle zueinander
und Abschnitten dieser mit variierenden Breiten und daraus resultierenden
höheren lokalen Partialdrücken der Reaktanden
und geringeren Übergangswiderständen ist der Wirkungsgrad
und die Leistung sowie der Stofftransport einer eine solche Bipolarplatte
aufweisenden Brennstoffzellenanordnung verbessert.
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Beispielsweise
können der jeweilige Kanal und/oder der jeweilige Steg
aus sich wiederholenden Kanalabschnitten bzw. Stegabschnitten mit
innerhalb des jeweiligen Kanalabschnitts bzw. des jeweiligen Stegabschnitts
variierender Kanalbreite bzw. variierender Stegbreite gebildet sein.
Das heißt, die Stegbreite und/oder die Kanalbreite variieren
derart periodisch, dass Stegabschnitte bzw. Kanalabschnitte mit variierenden,
z. B. homogen oder inhomogen zu- und/oder abnehmenden, Stegbreiten
bzw. Kanalbreiten entlang des jeweiligen Verlaufs periodisch aufeinander
folgen.
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Bedingt
dadurch, dass die Gesamtauflagefläche größer
wird, wird der elektrische Übergangswiderstand kleiner.
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Für
eine einfach und kostengünstig herstellbare Bipolarplatte
mit einer möglichst homogenen Fluidzufuhr ist vorgesehen,
dass alle Kanäle von einem gemeinsamen Fluideingang abgehen.
Dabei ist dem Fluideingang je nach zugehöriger Elektrode
als Fluid ein gasförmiger Reaktions- oder Brennstoff, z. B.
Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, oder ein Oxidationsmittel,
z. B. Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, z. B. Luft,
zuführbar. Analog hierzu münden zweckmäßigerweise
alle Kanäle in einen gemeinsamen Fluidausgang, über welchen
als Reaktionsprodukte Wasser oder Wasserdampf und/oder ein Restbrenngas
abführbar sind.
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Die
beiden Platten können prinzipiell aus Kohlenstoff oder
einem Kohlenstoffwerkstoff (Karbon) gebildet sein. Derartige Platten
können heutzutage sehr dünnwandig hergestellt
werden und haben den Vorteil, dass sie nicht beschichtet werden
müssen. Für einen möglichst robusten
Aufbau und eine einfache Einbringung der Kanalstruktur sind die
beiden Platten jedoch vorzugsweise aus Metall gebildet, das ggf.
beschichtet ist. Dabei kann die Kanalstruktur in die jeweilige Platte
durch Hohlprägen (mit Form und Stempel), Hydroforming (mit
Form und Flüssigkeit), Hochgeschwindigkeitsumformen (mit
Form und Stempel), Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder
dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen eingebracht
werden.
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Hinsichtlich
der Brennstoffzellenanordnung mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen,
die als Membran-Elektroden-Anordnung mit einer zwischen zwei Gasdiffusionselektroden
angeordneten Elektrolytmembran ausgebildet sind, ist vorgesehen,
dass zwischen zwei Brennstoffzellen jeweils eine erfindungsgemäße
Bipolarplatte angeordnet ist.
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Bevorzugt
wird die erfindungsgemäße Bipolarplatte in einer
Brennstoffzellenanordnung verwendet. Dabei kann es sich bei der
Brennstoffzellenanordnung um eine Anzahl von gestapelten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
handeln, zwischen denen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
einen typischen Aufbau einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung mit
einer Anzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen
und dazwischen liegenden Stegen, wobei die Kanäle von einem
gemeinsamen Fluideingang abgehen und in einen gemeinsamen Fluidausgang
münden,
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2 schematisch
eine mögliche Ausführungsform für eine
Kanalstruktur auf einer der Außenseiten einer Bipolarplatte
mit Stegen mit konstanter Stegbreite und periodisch variierendem
Stegverlauf und Kanälen mit periodisch variierender Kanalbreite und
zum Stegverlauf verschieden periodisch variierendem Kanalverlauf,
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3 schematisch
eine weitere alternative Ausführungsform für eine
Kanalstruktur auf einer der Außenseiten einer Bipolarplatte
mit Stegen mit gleich periodisch variierender Stegbreite und Kanälen
mit gleich periodisch variierender Kanalbreite,
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4 schematisch
eine weitere alternative Ausführungsform für eine
Kanalstruktur mit Stegen mit abnehmender Stegbreite und Kanälen
mit periodisch variierender Kanalbreite,
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5 schematisch
eine weitere alternative Ausführungsform für eine
Kanalstruktur mit Kanälen mit abnehmender periodisch variierender
Kanalbreite und Stegen mit konstanter Stegbreite mit einem periodisch
variierendem Stegverlauf,
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6 schematisch
eine weitere alternative Ausführungsform für eine
Kanalstruktur mit Kanälen mit abnehmender periodisch variierender
Kanalbreite und Stegen mit abnehmender periodisch variierender Stegbreite,
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7 schematisch
eine weitere Ausführungsform für eine Kanalstruktur
mit Kanälen mit periodisch variierender Kanalbreite und
Stegen mit konstanter Stegbreite mit verschieden periodisch variierenden
Stegverläufen,
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8 schematisch
eine weitere Ausführungsform für eine Kanalstruktur
mit Kanälen mit periodisch variierender Kanalbreite und
Stegen mit periodisch variierender Stegbreite,
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9 schematisch
eine weitere Ausführungsform für eine Kanalstruktur
mit periodisch aufeinander folgenden Stegabschnitten bzw. Kanalabschnitten
mit variierenden, z. B. homogen oder inhomogen zu- und/oder abnehmenden,
Stegbreiten bzw. Kanalbreiten entlang des jeweiligen Verlaufs,
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10 schematisch
eine Ausführungsform mit einer wellenförmigen
Kanalstruktur und breiten Kanalabschnitten zur Aufnahme von Schweißstellen, und
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11 schematisch
zwei aufeinander liegende Kanalstrukturen für ein Anoden-Strömungsfeld
und ein Kathoden-Strömungsfeld mit Stegen mit wellenförmigen
Stegverläufen, wobei die Stegverläufe von aufeinander
angeordneten Kanälen der verschiedenen Strömungsfelder
zueinander um 180° phasenversetzt sind.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
schematisch gemäß dem Stand der Technik einen
typischen Aufbau einer Bipolarplatte 1 mit mindestens einem auf
einer der Außenseite der Bipolarplatte 1 angeordneten
Strömungsfeld SF.
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Die
Bipolarplatte 1 dient in herkömmlicher Art und
Weise zur Anordnung in einer nicht näher dargestellten
Brennstoffzelle oder in einem nicht näher dargestellten
Brennstoffzellenstapel. Ein solcher Brennstoffzellenstapel umfasst
dabei mehrere planparallel gestapelte Brennstoffzellen mit Membran-Elektroden-Anordnungen,
kurz MEAs, die jeweils außenseitig von jeweils einer Bipolarplatte 1 begrenzt
sind.
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Bei
der Brennstoffzelle kann es sich insbesondere um eine so genannte
PEM-Brennstoffzelle handeln (mit PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran). Diese
umfasst in nicht näher dargestellter Art und Weise üblicherweise
zwei Gasdiffusionselektroden (eine davon als Anode, die andere als
Kathode) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, z. B. eine Polymer-Elektrolyt-Membran.
Eine der Oberflächen der jeweiligen Gasdiffusionselektrode
ist dabei dem Elektrolyt, z. B. der Polymer-Elektrolyt-Membran,
und die andere Oberfläche einer der Bipolarplatten 1 zugewandt.
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Die
Bipolarplatte 1 ist bevorzugt aus mindestens einer Platte
oder aus zwei planparallel zueinander angeordneten Platten gebildet,
wobei die Platten aus einem Metall sind und beispielsweise dünne
Metallbleche sind. Alternativ dazu können sie auch aus einem
Karbonwerkstoff gebildet sein.
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In
mindestens eine Außenseite der Platte oder einer der Platten
oder beider Platten sind Kanäle K und Stege S eingebracht,
z. B. durch Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder
kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen. Die Bipolarplatte 1 kann
somit ein Formteil sein, das z. B. aus einem oder zwei dünnen
Metallblechen gebildet ist, welche/s Erhebungen (= Stege S) und
Vertiefungen (= Kanäle K) aufweisen, die zur Außenseite,
d. h. zur jeweils zugehörigen Membran-Elektroden-Anordnung,
das Strömungsfeld SF mit den Kanälen K bilden.
Dabei wird ein Fluid, z. B. Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel
oder Wasserstoff als Brennstoff, einem Fluideingang E zugeführt,
durch die Kanäle K in einem parallelen und/oder serpentinenförmigen Strömungsfluss
F und quer zu diesem Strömungsfluss F über die
Stege S in einer Ausgleichströmung Qs zu einem Fluidausgang
A geführt.
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Im
Betrieb der Brennstoffzelle werden die Kanäle K des jeweiligen
Strömungsfelds F von einem Fluid durchströmt,
z. B. ein Anoden-Strömungsfeld von einem Brennstoff, z.
B. Wasserstoff, und ein Kathoden-Strömungsfeld von einem
Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff oder Luft.
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand
der 2 bis 11 näher beschrieben.
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Um
eine Gasquer- oder Ausgleichströmung Qs über die
Stege S zu erreichen, sieht die Erfindung vor, dass benachbarte
Kanäle K und/oder Stege S auf mindestens einer der Außenseiten
der Bipolarplatte 1 entlang der Kanäle K zumindest
periodisch variierende Kanalbreiten b1 und/oder periodisch variierende
Stegbreiten b2 und/oder periodisch variierende Verläufe
aufweisen.
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In
der 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt,
bei welchem in Strömungsrichtung R des Fluids die Stegbreite
b2 konstant ist und der Stegverlauf periodisch variiert, indem die
parallel zueinander angeordneten und verlaufenden Stegwände
des Steges S gleich periodisch variieren, d. h. gleiche Periodenlänge
l und Amplitude a aufweisen, und somit wellenförmig sind.
Entlang des Kanals K variiert dabei die Kanalbreite b1 mit regelmäßig
wiederkehrenden Kanalabschnitten Ka1 mit zunehmender Kanalbreite
b1 (= verbreiterter Kanal) und Kanalabschnitten Ka2 mit abnehmender
Kanalbreite b1 (= verjüngender Kanal).
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Dabei
weisen zwei parallel aufeinander folgende Stege S unterschiedliche
Periodenlängen l und Amplituden a auf. Die Stege S gemäß 2 weisen
zwei unterschiedliche Periodenlängen l und Amplituden a
auf, wobei die verschiedenen Periodenlängen l und Amplituden
a sich abwechseln und somit benachbarte Stege S verschieden periodisch
variierende Stegverläufe aufweisen, so dass ein zwischen diesen
angeordneter Kanal K eine variierende Kanalbreite b1 aufweist. Dabei
sind die unterschiedlichen Periodenlängen l und Amplituden
a der Stegwände derart gewählt und versetzt zueinander,
dass bei benachbarten Kanälen K breite Kanalabschnitte Ka3
des einen Kanals K parallel zu schmalen Kanalabschnitten Ka4 des
benachbarten Kanals K angeordnet sind. Sowohl durch die variierende
Kanalbreite b1 als auch durch die abwechselnde Anordnung von breiten
Kanalabschnitten Ka3 und schmalen Kanalabschnitten Ka4 benachbarter
Kanäle K entstehen Druckunterschiede zwischen benachbarten
Kanälen K.
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Auch
kommt es zu der Ausgleichströmung Qs über den
Stegen S, wie beispielhaft vom Punkt P1 zum Punkt P2 gezeigt, wobei
im Punkt P1 eine geringe Strömungsgeschwindigkeit v1 mit
einem hohen statischen Druck p1 durch den verbreiterten Kanalabschnitt
Ka3 und im Punkt P2 im benachbarten Kanal K eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
v2 durch den verjüngenden Kanalabschnitt Ka4 mit einem niedrigen
statischen Druck p2 auftreten, wobei v2 < v1 und p1 > p2 ist. Hierdurch wird eine Diffusion
unter den Stegen S durch Konvektion verstärkt und somit eine
bessere Stoffversorgung ermöglicht.
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Entlang
des jeweiligen Kanals K wird zudem die Strömung periodisch
beschleunigt und abgebremst. Das heißt, die Strömung
pulsiert entlang des Kanals K. Dies ermöglicht einen verbesserten
Stoff- oder Fluidtransport.
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Durch
die Vorgabe der Periode der variierenden Stegverläufe und
Kanalbreiten b1 der Kanäle, welche zueinander korrespondieren,
ist die Gesamtkanallänge bei gleicher Bipolarplattenlänge
frei vorgebbar und einstellbar, wodurch ein neuer Parameter zur
lokalen Einstellung und Vorgabe des Druckverlustes entlang des Kanalverlaufs
ermöglicht ist.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Dabei weisen
benachbarte Kanäle K und Stege S gleich periodisch variierende
Kanalbreiten b1 bzw. Stegbreiten b2 auf. Hierdurch ist zwischen
benachbarten Kanälen K kein Druckunterschied gegeben. Durch
Beschleunigung und Verlangsamung der Strömung entlang des
jeweiligen Kanals K und der Strömungsrichtung R ist aber
ein höherer Druckabfall gegeben, wodurch durch Vorgabe
der Art der Variation der Kanalbreite b1 und somit der Stegbreite
b2 der Druckverlust lokal und entlang des jeweiligen Kanals K vorgegeben
und somit eingestellt werden kann.
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4 bis 6 zeigen
weitere Ausführungsbeispiele mit abnehmenden und/oder konstanten
Stegbreiten b2 und variierenden oder variierenden und abnehmenden
Kanalbreiten b1 zur Auslegung der Kanalstruktur im Strömungsfeld
SF vom Fluideingang E zum Fluidausgang A.
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In
den Ausführungsbeispielen nach 4 bis 6 nimmt
die Gesamtbreite der Kanalstruktur vom Kanalanfang zum Kanalende
ab.
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In 4 nimmt
hierzu die Stegbreite b2 entlang des Stegverlaufs und der Strömungsrichtung
R ab. Dabei variiert die Kanalbreite b1 periodisch entlang des Kanals
K. Die zwischen zwei periodisch variierenden Stegwänden
abnehmende Stegbreite b2 (= Abstand zwischen zwei gleich periodisch
variierenden Stegwänden) eines an den Kanal K angrenzenden
Steges nimmt ab, indem die an den Kanal K angrenzenden Stegwände
mit einer linear verlaufenden Nulllinie periodisch variieren und
die zu diesen Stegwänden gegenüberliegenden parallel
verlaufenden Stegwänden mit einer linear absteigenden und aufsteigenden
Nulllinie periodisch variieren.
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In 5 ist
die Stegbreite b2 entlang des Stegverlaufs konstant und die periodisch
variierende Kanalbreite b1 eines angrenzenden Kanals K nimmt entlang
des Kanalverlaufs und der Strömungsrichtung R ab. Unter
der Kanalbreite b1 wird hierbei der fortlaufende Abstand zwischen
zwei periodisch variierend um 180° phasenversetzt verlaufenden
Kanalwänden des Kanals K entlang des Kanalverlaufs verstanden.
Unter einer abnehmenden Kanalbreite b1 wird insbesondere der abnehmende
Abstand zwischen zwei Wellenbergen und Wellentälern der
zwei periodisch variierenden Kanalwänden verstanden.
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6 zeigt
eine Kanalstruktur mit periodisch variierender und abnehmender Stegbreite
b2 und periodisch variierender und abnehmender Kanalbreite b1 entlang
deren Verläufe.
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7 zeigt
ein Strömungsfeld SF mit in Strömungsrichtung
R gesehen versetzt zueinander angeordneten periodischen Stegverläufen
und Kanalverläufen. Hierdurch ist eine gleichmäßige
Fluidversorgung ermöglicht. Lokale Stromdichtespitzen sind
vermieden. Die Auslegung und Vorgabe der periodischen Variation
der Stegbreiten b2 und/oder Kanalbreiten b1 und/oder der Verläufe
von Kanälen K und Stegen S ist bestimmt durch die Erzielung
einer möglichst gleichmäßigen Stromdichte über
der aktiven Zellfläche mit einer guten Fluidversorgung
und Befeuchtung, so dass Leistungsausbeute, Zuverlässigkeit
und Lebensdauer verbessert sind.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Kanalstruktur mit einem erhöhten
Stofftransport unter den Stegen S durch Druckdifferenz in benachbarten Kanälen
K. Dabei variieren sowohl die Stegbreite b2 als auch die Kanalbreite
b1 periodisch entlang deren Verläufe in Strömungsrichtung
R. Dabei wird die Stegbreite b2 derart variiert, dass sie an der
Stelle, an der die treibende Kraft minimal ist, ihre minimale Ausdehnung
oder Breite hat. An Stellen, an denen der Stofftransport durch Konvektion
verstärkt wird, ist die Stegbreite b2 breiter. Bei entsprechender
Auslegung der variierenden Stegbreite b2 ist der Stoff- oder Fluidtransport
verbessert und eine Ausgleichströmung Qs gegeben, wodurch
sich eine bessere Leistung durch höhere lokale Partialdrücke
der Reaktanden und durch einen geringeren Übergangswiderstand
ergibt, da die Gesamtauflagefläche größer
ist.
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9 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform einer Kanalstruktur
mit periodisch variierenden Kanalbreiten b1 und periodisch variierenden Stegbreiten
b2. Dabei variiert die Kanalbreite b1 des jeweiligen Kanals K derart,
dass Strecken, in denen das Fluid, insbesondere ein Gas, expandiert,
einen kleineren Winkel (= flacher verlaufende Kanalwände) aufweisen,
und Strecken, in denen das Fluid komprimiert wird, einen größeren
Winkel (= steiler verlaufende Kanalwände) aufweisen. Dadurch
kann ein eventuelles Ablösen der Strömung verhindert
werden.
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Hierzu
ist der jeweilige Kanal K und/oder der jeweilige Steg S aus sich
wiederholenden Kanalabschnitten Ka bzw. Stegabschnitten Sa mit innerhalb des
jeweiligen Kanalabschnitts Ka bzw. des jeweiligen Stegabschnitts
Sa variierender Kanalbreite b1 bzw. variierender Stegbreite b2 gebildet.
Die Stegbreite b2 und/oder die Kanalbreite b1 variieren dabei derart
periodisch, dass gleiche Stegabschnitte Sa bzw. gleiche Kanalabschnitte
Ka mit variierenden (inhomogen zu-/abnehmenden) Stegbreiten b2 bzw.
variierenden Kanalbreiten b1 entlang des jeweiligen Verlaufs periodisch
aufeinander folgen, wobei eine Länge eines Abschnitts eine
Periodenlänge P entspricht. Auch hier wird die Stegbreite
b2 derart variiert, dass sie an der Stelle, an der die treibende
Kraft minimal ist, ihre minimale Ausdehnung oder Breite hat. An
Stellen, an denen der Stofftransport durch Konvektion verstärkt
wird, ist die Stegbreite b2 breiter.”
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10 zeigt
schematisch eine Ausführungsform mit einer wellenförmigen
Kanalstruktur und breiten, ebenen Kanalabschnitten Ka3 zum Setzen
und zur Aufnahme von möglichen Schweißstellen
SP zur Verbindung von Anodenplatte und Kathodenplatte einer aus
zwei Platten gebildeten Bipolarplatte 1. Die Anzahl der
Schweißstellen SP kann vorgegeben werden. Anstelle eines
Schweißpunktes kann auch eine Schweißnaht eingefügt
werden. Für den Fall, dass die Platten aus Kohlenstoff
oder einem Kohlenstoffwerkstoff (Karbon) gebildet sind, sind die
Stellen SP als Klebestellen zu verstehen.
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11 zeigt
schematisch zwei aufeinander liegende Kanalstrukturen für
ein Anoden-Strömungsfeld und ein Kathoden-Strömungsfeld
mit Stegen S1 bzw. S2 mit wellenförmigen Stegverläufen,
wobei die Stegverläufe von übereinander angeordneten
Stege S1, S2 der verschiedenen Strömungsfelder zueinander
um 180° phasenversetzt sind.
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Zusammenfassend
kann je nach Vorgabe die Kanalbreite b1 derart korrespondierend
zu einer periodisch variierenden Stegbreite b2 in Strömungsrichtung
R periodisch variieren, dass ein Kanalabstand, d. h. der Abstand
zwischen gleichen Wänden benachbarter Kanäle,
konstant bleibt. Alternativ kann die Kanalbreite b1 stärker
periodisch variieren als die Stegbreite b2 oder umgekehrt oder beliebig
anders variieren, so dass der Kanalabstand a über die gesamte
Länge des Strömungsfeldes SF nicht konstant ist,
sondern variiert, insbesondere zunimmt oder abnimmt.
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Darüber
hinaus sind die Kanalbreiten b1 und die Stegbreiten b2 derart zueinander
orientiert und korrespondierend ausgebildet, dass die Kanäle
K oder Stege S zum Fluideingang E breiter und zum Fluidausgang A
schmaler oder umgekehrt ausgerichtet sind.
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Je
nach Vorgabe können die Kanalbreite b1 der Kanäle
K und die Stegbreite b2 der Stege S beispielsweise zumindest um
eine Hälfte der jeweiligen Durchschnittsbreite b1 bzw.
b2 und somit das Anderthalbfache oder höchstens das Vierfache
zu- bzw. abnehmen. Auch können die Variationen der Kanal-
und Stegbreiten b1 und b2 voneinander abhängig vorgegeben
werden. Die Kanalbreiten liegen dabei vorzugsweise im Bereich von
0,4 bis 2,0 mm. Die Stegbreiten liegen vorzugsweise im Bereich von
0,3 bis 3,0 mm. Bevorzugte Verhältnisse zwischen Kanalbreiten
und Stegbreiten liegen in folgendem Bereich: Kanalbreite = 0,8 bis
1,2 mm zu Stegbreite = 0,5 bis 1,0 mm.
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Ferner
wird sichergestellt, dass bei Variation der Kanal- und/oder Stegkonturen
und/oder -abmessungen die Gesamthöhe und somit die Dicke
der Bipolarplatte 1 gleich bleibt.
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- 1
- Bipolarplatte
- a
- Amplitude
- A
- Fluidausgang
- b1
- Kanalbreite
- b2
- Stegbreite
- E
- Fluideingang
- F
- parallele
Strömung
- K,
K1, K2
- Kanäle
- Ka
- Kanalabschnitt
- Ka1
bis Ka4
- weitere
Kanalabschnitte
- l
- Periodenlänge
- P1,
P2
- Punkte
im Strömungskanal
- p1,
p2
- Druck
- Qs
- Ausgleichsströmung
- R
- Strömungsrichtung
- S,
S1, S2
- Stege
- Sa
- Stegabschnitt
- SF
- Strömungsfeld
- SP
- Schweißstelle
oder Klebestellen
- v1,
v2
- Strömungsgeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6586128
B1 [0009]
- - DE 102007024161 [0010]