-
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenplatte zur Zuführung eines Reaktanten zu einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass sowie mit einem dazwischenliegenden, mithin also zwischen dem Einlass und dem Auslass ausgebildeten Strömungsfeld, das an einer ersten Fläche der Platte ausgeformt ist und eine Mehrzahl von Strömungsführungen aufweist. Derartige Brennstoffzellenplatten sind auch als Bipolarplatten bekannt und verfolgen das Ziel einer möglichst gleichmäßigen Verteilung des betreffenden Reaktanten über ihre Oberfläche.
-
Die
DE 10 2009 016 263 A1 zeigt eine Brennstoffzellenplatte mit Kanälen, die fächerförmig angeordnet sind zur Verteilung des Reaktanten. Der Nachteil bei solchen gerichteten Kanalanordnungen ist, dass die Kanäle eine lange Erstreckung benötigen, um eine gute Gleichverteilung des Reaktanten hin zum aktiven Bereich der Brennstoffzelle zu erreichen. Dies verursacht aber eine hohe Druckdifferenz über die Brennstoffzellenplatte hinweg bei einer gleichzeitig komplexen Geometrie und einem damit verbundenen hohen Fertigungsaufwand.
-
Darüber hinaus gibt es bei Brennstoffzellenplatten auch den Ansatz offener Verteilstrukturen, beispielsweise in Form von Noppen. Allerdings konnte mit diesen Strukturen bisher noch keine zufriedenstellende Gleichverteilung erzielt werden und sie kommen nur in Verbindung mit einer hohen Druckdifferenz zum Einsatz.
-
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenplatte der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile reduziert werden.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, insbesondere indem zumindest ein Teil der Strömungsführungen als Umlenkelemente in Form von Leitschaufeln, Leitblechen oder Flügeln gebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Durch diese offenen, aber gleichzeitig gerichteten Verteilstrukturen wird eine gleichmäßige Verteilung des Reaktanten zum aktiven Bereich der Brennstoffzelle ermöglicht und gleichzeitig Bauraum und Gewicht im Vergleich zu den bekannten gerichteten Verteilstrukturen eingespart. Die Umlenkelemente sind dabei vorzugsweise sich verjüngend ausgebildet. Außerdem kann auch eine Mehrzahl von Einlässen und Auslässen vorgesehen sein. Dabei sind Auslässe vorzugsweise über die gesamte auslassseitige Plattenkante der Bipolarplatte verteilt angeordnet, während die Einlässe nur abschnittsweise an der einlassseitigen Plattenkante ausgebildet sind.
-
Um eine einfache Fertigung der Brennstoffzellenplatte und um eine optimale Einführung des Reaktanten in die Brennstoffzellenplatte zu ermöglichen, sind die Strömungsführungen bezüglich einer Brennstoffzellenplattenkante in Spalten angeordnet, wobei die Umlenkelemente zumindest abschnittsweise in einer einlassseitig ausgebildeten Einlassspalte angeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn diejenigen Strömungsführungen als Umlenkelemente gebildet sind, die benachbart zu den Einlässen angeordnet sind.
-
Um ein gleichmäßiges Ausströmen des Reaktanten in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle zu ermöglichen sind die Strömungsführungen bezüglich einer Brennstoffzellenplattenkante in Spalten angeordnet und die Umlenkelemente sind zumindest abschnittsweise in einer auslassseitig ausgebildeten Auslassspalte angeordnet. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn diejenigen Strömungsführungen als Umlenkelemente gebildet sind, die benachbart zu den Auslässen angeordnet sind.
-
Zur Führung des Reaktanten über die gesamte oder zumindest über einen Großteil der ersten Fläche ist es bevorzugt, wenn die Spalten alternierend zueinander versetzt angeordnet sind, derart, dass die Strömungsführungen ein schräg bezüglich der Brennstoffzellenplattenkante verlaufendes Gitter bilden. In anderen Worten weist das Gitter schräg verlaufende Reihen auf.
-
Zur verbesserten Führung des Reaktanten innerhalb der Brennstoffzellenplatte ist es insbesondere vorgesehen, dass die Umlenkelemente mit oder unter einem Neigungswinkel α bezüglich der Brennstoffzellenplattenkante, insbesondere auffächernd, angeordnet sind.
-
In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn der Neigungswinkel α1 eines ersten Umlenkelements kleiner ist als der Neigungswinkel α2 eines zweiten Umlenkelements. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das erste Umlenkelement benachbart zum zweiten Umlenkelement in derselben Spalte angeordnet ist. Weiterhin kann auch ein drittes Umlenkelement in derselben Spalte benachbart zum zweiten Umlenkelement angeordnet sein, dessen Neigungswinkel α3 größer ist als α2 und damit auch größer als α1. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn jedes der Umlenkelemente der Einlasspalte jeweils einen geringeren Neigungswinkel α aufweist als eines der dazu benachbarten Umlenkelemente. Umgekehrt ist es bevorzugt, wenn ein erstes Umlenkelement der Auslassspalte einen größeren Neigungswinkel α aufweist als eines des dazu benachbarten zweiten Umlenkelements. Insbesondere ist es sinnvoll, wenn jedes der Umlenkelemente der Auslasspalte jeweils einen größeren Neigungswinkel α aufweist als eines der dazu benachbarten Umlenkelemente.
-
Um eine günstigere und einfachere Herstellung der Brennstoffzellenplatte zu ermöglichen, ist ein anderer Teil der Strömungsführungen vorhanden, welcher als Führungselemente mit einer kreisförmigen oder einer annähernd kreisförmigen oder einer ovalen oder einer tropfenförmigen Querschnittsfläche gebildet ist. Vorteilhafterweise sind die in den Spalten zwischen der Einlassspalte und der Auslasspalte angeordneten Strömungsführungen als solche Führungselemente gebildet. Vorzugsweise sind die Führungselemente umso regelmäßiger und umso runder in der Querschnittsfläche gebildet, je größer der Abstand von der Einlassspalte und der Auslassspalte ist. Der Durchmesser oder die Breite oder die Länge der Führungselemente ist dabei vorzugsweise kleiner je größer der Abstand von dem mindestens einen Einlass ist. Darüber hinaus sind auch Teile der Strömungsführungen der Einlasspalte und/oder der Auslasspalte als solche Führungselemente gebildet, insbesondere diejenigen, die nicht benachbart zu einem der Einlässe und/oder einem der Auslässe angeordnet sind.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn ein erstes Umlenkelement in einer Erstreckungsrichtung kürzer ausgebildet ist als ein zweites Umlenkelement. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Umlenkelemente der Einlassspalte entlang einer ersten Richtung in ihrer Erstreckung länger werdend gebildet sind, während die Umlenkelemente der Auslassspalte vorzugsweise entlang der ersten Richtung in ihrer Erstreckung kürzer werdend gebildet sind.
-
Um die Reaktantenströmung noch besser verteilen zu können, ist es insbesondere vorgesehen, dass die Strömungsführungen in einer zur Einlassspalte benachbarten Spalte und/oder in einer zur Auslasspalte benachbarten Spalte zumindest abschnittsweise als die Umlenkelemente gebildet sind, und dass die Umlenkelemente mit oder unter einem Neigungswinkel β bezüglich der Brennstoffzellenplattenkante angeordnet sind. Dabei beträgt die Neigungswinkeldifferenz zwischen dem Neigungswinkel α der Einlassspalte oder der Auslassspalte und dem Neigungswinkel β bevorzugt von 45 Grad bis zu 100 Grad, besonders bevorzugt von 60Grad bis zu 90 Grad.
-
In einer alternativen Ausgestaltung können die Strömungsführungen in einer zur Einlassspalte benachbarten Spalte und/oder in einer zur Auslasspalte benachbarten Spalte zumindest abschnittsweise als die Führungselemente gebildet sein, wobei diese mit einem Neigungswinkel β bezüglich der Brennstoffzellenplattenkante angeordnet sind. Dabei beträgt die Neigungswinkeldifferenz zwischen dem Neigungswinkel α der Einlassspalte oder der Auslassspalte und dem Neigungswinkel β bevorzugt von 45 Grad bis 100 Grad, besonders bevorzugt von 60 Grad bis 90 Grad.
-
Um verschiedene Reaktanten leiten zu können, ist es zugunsten eines kompakten Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels von Vorteil, wenn an einer der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche der Brennstoffzellenplatte ein zweites Strömungsfeld ausgeformt ist mit wenigstens einem zweiten Einlass und wenigstens einem zweiten Auslass, und wenn auf der zweiten Fläche eine Mehrzahl von Strömungsführungen aufgebracht sind, die zumindest teilweise als die Umlenkelemente gebildet sind. Dabei können einzelne der vorbeschriebenen Merkmale der ersten Fläche der Brennstoffzellenplatte auch bei der zweiten Fläche der Brennstoffzellenplatte realisiert sein.
-
In einer besonders einfach herzustellenden Weiterentwicklung ist die zweite Fläche spiegelverkehrt zur ersten Fläche der Brennstoffzellenplatte ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Anordnung der Umlenkelemente und der Führungselemente der zweiten Fläche sich von der der ersten Fläche unterscheiden. Die zweite Fläche kann beispielsweise angepasst sein an einen im Vergleich zur ersten Fläche unterschiedlich positionierten zweiten Einlass oder zweiten Auslass, oder an ein anderes Strömungsverhalten des vom Reaktanten der ersten Fläche sich unterscheidenden Reaktanten der zweiten Fläche.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenplatte nach einer ersten Ausführungsform und
- 2 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenplatte nach einer zweiten Ausführungsform.
-
1 zeigt eine Brennstoffzellenplatte 1 zur Zuführung eines Reaktanten zu einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Einlassen 2 und einer Mehrzahl von Auslässen 3 sowie mit einem dazwischenliegenden Strömungsfeld 4, das an einer ersten Fläche 5 der Platte 1 ausgeformt ist und eine Mehrzahl von Strömungsführungen 6 aufweist. Dabei ist zur gleichmäßigeren Verteilung des Reaktanten ein Teil der Strömungsführungen 6 als Umlenkelemente 7 in Form von Leitschaufeln gebildet.
-
Die Strömungsführungen 6 sind bezüglich einer Brennstoffzellenplattenkante 8 in Spalten 9 angeordnet, wobei zur besseren Verteilung des Reaktanten auf der ersten Fläche 5 die Spalten 9 alternierend zueinander versetzt angeordnet sind, derart, dass die Strömungsführungen 7 ein schräg bezüglich der Brennstoffzellenplatte 8 verlaufendes Gitter bilden. Die Umlenkelemente 7 sind dabei abschnittsweise in einer einlassseitig ausgebildeten Einlassspalte 10 angeordnet, wobei diejenigen Strömungsführungen 6 als die Umlenkelemente 7 gebildet sind, die benachbart zu den Einlässen 2 angeordnet sind. Darüber hinaus sind die Umlenkelemente 7 auch abschnittsweise in einer auslassseitig ausgebildeten Auslassspalte 11 angeordnet, wobei diejenigen Strömungsführungen als die Umlenkelemente 7 gebildet sind, die benachbart zu den Auslässen 3 angeordnet sind.
-
Zur verbesserten und gleichmäßigeren Führung des Reaktanten sind die Umlenkelemente 7 mit oder unter einem Neigungswinkel α bezüglich der Brennstoffzellenplattenkante 8 angeordnet. In 1 wird deutlich, dass die Umlenkelemente 7 der Einlasspalte 10 mit zunehmendem Abstand von einem ersten Umlenkelement 12 der Einlasspalte 10 einen sich verringernden Neigungswinkel α bezüglich der Plattenkante 8 aufweisen. In anderen Worten ist der Neigungswinkel α1 eines ersten Umlenkelements 12 der Einlassspalte 10 größer als der Neigungswinkel α2 eines dazu benachbarten zweiten Umlenkelements 13 der Einlassspalte 10. Darüber hinaus erkennt man, dass innerhalb der Einlassspalte 10 mit zunehmendem Abstand von dem obersten ersten Umlenkelement 7 der Einlassspalte 10 ein Größengradient der Umlenkelemente 7 vorhanden ist. Oder in anderen Worten: Ein erstes Umlenkelement 12 der Einlasspalte 10 ist hinsichtlich seiner Längserstreckung kürzer ausgebildet als ein dazu benachbartes zweites Umlenkelement 13.
-
Bei der Auslassspalte 11 verhält es sich umgekehrt: Mit zunehmendem Abstand von einem ersten Auslass 3 oder vom obersten ersten Umlenkelement 17 der Auslasspalte 11 sind die Umlenkelemente 7 der Auslasspalte 11 hinsichtlich ihrer Längserstreckung kürzer ausgebildet als die dazu benachbarten Umlenkelemente 7. Gleichzeitig nimmt der Neigungswinkel α bezüglich der Plattenkante 8 mit zunehmendem Abstand vom ersten Umlenkelement 17 der Auslassspalte 11 stetig zu.
-
Zwischen der Einlassspalte 10 und der Auslassspalte 11 sind die Strömungsführungen 6 bevorzugt als Führungselemente 14 mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche gebildet. Auch die Strömungsführungen 6 der Einlassspalte 10, die nicht benachbart zu einem Einlass 2 angeordnet sind, sind als Führungselemente 14 gebildet. Dabei weisen in der Einlasspalte 10 und in den dazu benachbarten Spalten 9 die Führungselemente 14 mit einem größeren Abstand zu den Einlässen 2 einen geringeren Durchmesser auf, d.h. hier werden bewusst Strömungsstrukturen „zurückgenommen“ um die Strömung über die gesamte oder zumindest über einen Großteil der ersten Fläche 5 zu verteilen. Darüber hinaus kann 1 entnommen werden, dass auch in der Auslasspalte 11 die Strömungsführungen 6 teilweise als Führungselemente 14 gebildet sind, nämlich diejenigen, die nicht benachbart zu einem der Auslässe 3 angeordnet sind.
-
Die Brennstoffzellenplatte 1 der 1 ist vorzugsweise als eine Bipolarplatte gebildet, d.h. an ihrer der ersten Fläche 5 gegenüberliegenden nicht dargestellten zweiten Fläche ist ein zweites Strömungsfeld ausgeformt mit wenigstens einem zweiten Einlass und wenigstens einem zweiten Auslass. Auf der zweiten Fläche ist eine Mehrzahl von Strömungsführungen 6 aufgebracht, die teilweise als die Umlenkelemente 7 oder als die Führungselemente 14 gebildet sind. Die zweite Fläche der Brennstoffzellenplatte 1 ist dabei identisch zur ersten Fläche 5 gebildet.
-
2 zeigt eine zweite Brennstoffzellenplatte 1, die sich von der in 1 gezeigten lediglich dadurch unterschiedet, dass die Strömungsführungen 6 in einer zur Einlasspalte 10 benachbarten dritten Spalte 15 und in einer zur Auslassspalte 11 benachbarten vierten Spalte 16 teilweise als die Umlenkelemente 7 gebildet sind. Alternativ können diese auch als die Führungselemente 14 mit einer tropfenförmigen Querschnittsfläche gebildet sein. Darüber hinaus sind die Umlenkelemente 7 oder die Führungselemente 14 mit einem Neigungswinkel β bezüglich der Brennstoffzellenplattenkante 8 angeordnet.
-
Abschließend sei festgehalten, dass sich die in den 1 und 2 gezeigten Brennstoffzellenplatten 1 durch ein optimiertes Reaktantenströmungsverhalten auszeichnen und damit eine gleichmäßigere Verteilung des Reaktanten über den aktiven Bereich hinweg erlauben.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellenplatte
- 2
- Einlass
- 3
- Auslass
- 4
- Strömungsfeld
- 5
- erste Fläche
- 6
- Strömungsführung
- 7
- Umlenkelemente
- 8
- Brennstoffzellenplattenkante
- 9
- Spalte
- 10
- Einlassspalte
- 11
- Auslassspalte
- 12
- erstes Umlenkelement
- 13
- zweites Umlenkelement
- 14
- Führungselemente
- 15
- dritte Spalte
- 16
- vierte Spalte
- 17
- erstes Umlenkelement (Auslassspalte)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009016263 A1 [0002]