-
Die Erfindung bezieht sich auf einen
Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer ein Fließfeld bildenden
Bipolarplatte, der mindestens ein Versorgungskanal für eine Flüssigkeit
und/oder ein Gas zugeordnet ist, wobei der Versorgungskanal mit
mehreren Strömungskanälen der
Fließfelder
in Durchflussverbindung steht.
-
Ein Brennstoffzellenstapel einer
Brennstoffzelle ist schichtweise aus mehreren Membranen aufgebaut,
die durch die jeweilige Elektrode und eine Bipolarplatte beidseitig
gekapselt sind. Die Bipolarplatte ist hierbei strukturiert bzw.
profiliert und bildet ein sogenanntes Fließfeld mit mehreren Strömungskanälen, wobei
zwischen der jeweiligen Elektrode und der Bipolarplatte ein Elektrodenraum
vorgesehen ist. Dieser Aufbau ergibt eine matrixartige Anordnung von
mehreren Fließfeldern
bzw. Strömungskanälen, die
durch einen Versorgungskanal mit Fluid, d.h. Gas und/oder Flüssigkeit,
versorgt werden. Die Ausrichtung des jeweiligen Versorgungskanals
ist dabei rechtwinklig zur Ausrichtung der Strömungskanäle bzw. der Fließfelder.
-
Es ist bereits eine Brennstoffzelle
aus der
EP 0 959 511
A2 bekannt. Hierbei sind verschiedene, im Querschnitt rechteckförmig, dreieckförmig und/oder U-förmig ausgebildete
Leitungskanäle
zur Versorgung der Brennstoffzellstapel mit Brennstoff, Oxidationsmittel
und Kühlmittel
vorgesehen. Die Leitungskanäle
weisen einen mit Bezug zur Strömungsrichtung
proportional anwachsenden Querschnitt auf.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Brennstoffzellenstapel derart auszubilden und anzuordnen,
dass eine optimale Anströmung
der Fließfelder
gewährleistet
ist.
-
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass innerhalb des Versorgungskanals mindestens ein Strömungsleitelement
angeordnet ist, das mindestens einem Fließfeld und/oder einem Strömungskanal
zugeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Versorgungsströmung vom
Versorgungskanal ausgehend in die Richtung der Fließfeldströmung umgelenkt
wird. Insbesondere am Anfang und am Ende eines Versorgungskanals
ist somit eine effiziente Ausnutzung der vorhandenen Fließfelder gewährleistet.
-
Hierzu ist es vorteilhaft, dass das
Strömungsleitelement
als Leitblech, als mindestens einseitig offener Leitkanal und/oder
als geschlossener Leitkanal ausgebildet ist. Die Anordnung von Strömungsleitelementen
dieser Art im Bereich der zu unterstützenden Fließfelder
bzw. Strömungskanäle gewährleistet
einen Zuwachs der Fließfeldströmung in diesen
Bereichen. Bei gleichbleibendem Volumenstrom der Versorgungsströmung ist
somit eine gleichmäßige Ausnutzung
der vorhandenen Fließfelder bzw.
der Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels gewährleistet.
-
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung,
dass das Strömungsleitelement
aus einem porösen
und/oder aus einem perforierten Material gebildet ist. Je nach Art
der Versorgungsströmung – dem sog.
Fluid -, also Gas, Flüssigkeit
oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch,
ist somit eine optimale Umlenkung und ggf. Trennung der verschiedenen Phasen
gewährleistet.
-
Ferner kann es vorteilhaft sein,
wenn das Strömungsleitelement
eine glatte und/oder eine profilierte, weitere Strömungsleitelemente
bildende Oberfläche
aufweist. Neben der eigentlichen Funktion als Leitblech hat die
Ausbildung der Oberfläche des
Strömungsleitelements
erheblichen Einfluss auf die anliegende Versorgungsströmung. Durch
eine raue oder schuppenartige Oberfläche kann eine turbulente Strömung erzeugt
werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Ablöseverhalten der Strömung aus.
Eine turbulenten Strömung
unterscheidet sich nämlich
von einer laminaren dadurch, dass sie länger anliegt, d.h. dass sie
sich nicht so schnell ablöst.
Dadurch können
unter bestimmten Bedingungen, die z.B. durch an die Strömung angepasste
Querschnitte und Anströmungswinkel
bestimmt werden, Wirbel vermieden werden. Eine raue und/oder schuppenartige
Oberfläche
vermindert also die Wirbelbildung und trägt somit zur verbesserten Ausbildung
der Versorgungsströmung
bei.
-
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein,
wenn das Strömungsleitelement
aus einem elektrisch leitenden oder aus einem elektrisch isolierenden
Material gebildet ist. Hierdurch werden Oxidations- bzw. Reduktionsvorgänge unterstützt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass das Strömungsleitelement
als Teil mindestens einer Zellenwand, einer Bipolarplatte bzw. eines
Fließfeldes
und/oder einer Elektrode ausgebildet ist, wobei das Strömungsleitelement
materialidentisch, einteilig oder lösbar mit der Zellenwand, der Bipolarplatte
bzw. dem Fließfeld
und/oder der Elektrode verbunden ist. Die Zellenwand, d.h. die Bipolarplatte
und/oder die Elektrode werden gleichzeitig in einem Herstellungsschritt
oder in aufeinander folgenden Herstellungsschritten, mit dem Strömungsleitelement
gefertigt, sodass dieses nach dem Aufbauen des Brennstoffzellenstapels
entsprechend eingegliedert ist.
-
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende
Erfindung, dass das Strömungsleitelement einteilig
oder lösbar
mit dem Versorgungskanal verbunden ist oder als Austauschteil ausgebildet
ist. Somit ist nach Aufbau des Brennstoffzellenstapels e benfalls
das Strömungsleitelement
integriert. Ein nachträglicher
Einbau des Strömungsleitelements
ist nicht notwendig.
-
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Strömungsleitelement
aus mindestens einer Folie gebildet ist und/oder Versteifungselemente
aufweist und/oder die Versteifungselemente eine Oberflächenstruktur
der Folie bilden. Die Verwendung einer Folie gewährleistet die gleichzeitige Verwendung
der Versteifungselemente als Strömungsleitmittel,
zusätzlich
zu der Folie bzw. dem Strömungsleitelement
als solchem.
-
Vorteilhaft kann es ferner sein,
wenn das Strömungsleitelement
mit einem Ende in Strömungsrichtung
des Versorgungskanals ausgerichtet ist und mit einem anderen Ende
in Strömungsrichtung
des jeweiligen Strömungskanals
oder des jeweiligen Fließfeldes.
Somit wird die Versorgungsströmung
direkt in die Richtung der Fließfeldströmung umgelenkt.
-
Dabei kann es aber vorteilhaft sein,
wenn nicht alle Strömungsleitelemente
gleich ausgerichtet sind. So werden bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln
diejenigen Brennstoffzellen, die näher am Eingang eines Versorgungskanals
angeordnet sind üblicherweise
besser mit Reaktionsstoffen versorgt, als diejenigen Brennstoffzellen,
die näher
am Ausgang des Versorgungskanals angeordnet sind, was u.a. in dem
Druckabfall in dieser Richtung seine Ursache hat. Um eine gleichmäßige Versorgung
der Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels mit
Reaktionsgasen zu gewährleisten,
kann es daher von Vorteil sein, wenn die Stärke der Ablenkung der Reaktionsgase
auf die Brennstoffzellen vom Eingang eines Versorgungskanals in
Richtung des Ausgangs des Versorgungskanals zunimmt. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die Winkel der Strömungsleitelemente zur Strömung von
beispielsweise etwa 0° in
der Nähe
des Eingangs des Versorgungskanals (das Strömungsleitelement ist annähernd parallel
zur Strömung
angeordnet) bis etwa 90° in
der Nähe
des Ausgangs des Versorgungskanals (das Strömungsleitblech ist annähernd senkrecht
zur Strömung
angeordnet) zunehmen. Im Extremfall kann es sogar vorteilhaft sein,
wenn die Strömungsleitelemente
in der Nähe
des Eingangs eines Versorgungskanals so ausgerichtet sind, dass sie
die Strömung
von den Brennstoffzellen in diesem Bereich des Brennstoffzellenstapels
weglenken. Das kann dadurch erreicht werden, dass das Strömungsleitelement
mit einem Ende in Strömungsrichtung des
Versorgungskanals ausgerichtet ist und mit einem anderen Ende entgegen
der Strömungsrichtung des
jeweiligen Strömungskanals
oder des jeweiligen Fließfeldes.
-
Auch die Größe der Fläche der Strömungsleitelemente kann, um
dem genannten Umstand Rechnung zu tragen, vom Eingang eines Versorgungskanals
in Richtung zum Ausgang des Versorgungskanals zunehmen. So können beispielsweise in
der Nähe
des Eingangs kleine Strömungsleitelemente
angeordnet sein, wobei im Extremfall dort sogar keine Strömungsleitelemente
angeordnet sein können,
während
am Ausgang des Versorgungskanals große Strömungsleitelemente angeordnet
sein können.
-
Beide Maßnahmen – Anpassung des Winkels eines
Strömungsleitelements
zur Strömung
und Anpassung der Fläche
eines Strömungsleitelements in
Abhängigkeit
von der Entfernung zum Eingang bzw. Ausgang des Versorgungskanals – dienen
dazu, die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels annähernd gleichmäßig mit
Reaktionsstoffen zu versorgen.
-
Außerdem kann es vorteilhaft
sein, wenn der Versorgungskanal als externer oder in mindestens
einen Brennstoffzellenstapel integrierter Versorgungskanal ausgebildet
ist und wahlweise einen in Richtung der Versorgungsströmung verjüngenden
Querschnitt aufweist. Durch die Verjüngung des Querschnitts wird
die Strömungsgeschwindigkeit
durch das Abströmen
der Versor gungsströmung
in obere Strömungskanäle weniger
stark reduziert. Die Strömungsgeschwindigkeit
wird unterstützt.
-
Ferner kann es vorteilhaft sein,
wenn das Strömungsleitelement
einen Grundkörper
und mindestens ein als Leitblech, Umlenkblech, Ausnehmung oder als
Wirbelbremse ausgebildetes Strömungsleitmittel
aufweist. Dem Strömungsleitelement als
solchem kommen somit weitere die Versorgungsströmung bzw. die Fließfeldströmung beeinflussende Eigenschaften
zu.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung
erläutert
und in den Figuren dargestellt.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine
Bipolarplatte mit Versorgungskanälen
von oben;
-
2 ein
Strömungsleitelement;
-
3 ein
Halterungselement mit Strömungsleitelement;
-
4-7 einen Versorgungskanal
mit Strömungsleitelement
und Brennstoffzellenstapel in der Seitenansicht;
-
8a einen
externen Versorgungskanal in der 3D-Ansicht;
-
8b einen
Brennstoffzellenstapel mit Strömungskanälen in der
3D-Ansicht;
-
8c einen
Versorgungskanal in der Schnittdarstellung;
-
9 einen
Versorgungskanal mit Strömungsleitelement
und Brennstoffzellenstapel in der Seitenansicht;
-
10 einen
externen Versorgungskanal in der 3D-Ansicht.
-
Einer Bipolarplatte 1.1 bzw.
einem Fließfeld sind
mehrere Versorgungskanäle 2 – 2''' zugeordnet. Die
Bipolarplatte 1.1 ist hier (1)
in der Ansicht von oben bzw. der Draufsicht auf das Fließfeld dargestellt.
Innerhalb des jeweiligen Versorgungskanals 2 ist mindestens
ein Strömungsleitelement 2.1 vorgesehen.
Die Fließfeldströmung 2.4 innerhalb
des jeweiligen Strömungskanals 1.2 des
Fließfeldes 1.1 verläuft hierbei
rechtwinklig zur Ausrichtung der Versorgungskanäle 2 und damit senkrecht
zur Versorgungsströmung 2.3.
Die Versorgungsströmung 2.3 führt demnach
nahezu parallel an dem Strömungsleitelement 2.1 vorbei
und tritt dann in etwa senkrecht in den jeweiligen Strömungskanal 1.2 des
Fließfeldes 1.1 bzw.
der Bipolarplatte ein. Das Strömungsleitelement 2.1 kann
hierbei mittig innerhalb des Versorgungskanals 2 oder seitlich
versetzt an einer Randfläche
des Versorgungskanals 2 oder auch paarweise bzw. symmetrisch
innerhalb des Versorgungskanals 2 angeordnet sein.
-
2 zeigt
ein Halterungselement 6 für Strömungsleitelemente 2.1.
Das Halterungselement 6 ist in einem Versorgungskanal 2 angeordnet
und dient zur Aufnahme von Strömungsleitelementen 2.1 in dem
Versorgungskanal 2. Durch das Halterungselement 6 können die
Strömungsleitelemente 2.1 dabei fest
oder, im Hinblick auf thermische Ausdehnungen, insbesondere auch
lose gehaltert sein. Das Halterungselement 6 weist mehrere
U-förmig
ausgebildete Ausnehmungen auf. Diese sind in diesem speziellen Beispiel
parallel zueinander und in etwa parallel zu den Fließfeldern 1.1 angeordnet.
Sie können
aber auch andere vorteilhafte Orientierungen zueinander und/oder
zu den Fließfeldern 1.1 einnehmen.
In die Ausnehmungen werden Strömungsleitelemente 2.1 eingebracht,
welche die Strömung
in die Strömungskanäle 1.2 leiten.
Das Strömungsleitelement 2.1 weist
eine Oberfläche 2.2 mit
einer erhabenen, positiven Struktur auf und ist im Wesentlichen
senkrecht zum Halterungselement 6 angeordnet.
-
Gemäß 3 sind zwei Strömungsleitelemente 2.1, 2.1' im Versorgungskanal 2 angeordnet, wobei
das Strömungsleitelement 2.1 in
einem Winkel von etwa 45 ° zur
Versorgungsströmung 2.3 und
zur Fließfeldströmung 2.4 angestellt
ist und das Strömungsleitelement 2.1' in einem etwas größeren Winkel
von etwa 50 °.
Das Strömungsleitelement 2.1 ist hierbei
kleiner ausgebildet als das Strömungsleitelement 2.1', sodass die ankommende
Versorgungsströmung 2.3 nur
in einem Teilquerschnitt des Versorgungskanals 2 in die
Fließfelder 1.1, 1.1' umgelenkt wird.
Das Strömungsleitelement 2.1' ist hierbei, mit Bezug
zur Richtung der Versorgungsströmung 2.3 nach
dem Strömungsleitelement 2.1 angeordnet
und etwas länger
ausgebildet, sodass ein weiterer Teil der Versorgungsströmung 2.3 in
die Fließfeldströmung 2.4 umgeleitet
wird. Durch die Wahl der Winkel der Strömungsleitelemente 2.1 und 2.1' zur Strömung und
ihrer Größe kann
gewährleistet
werden, dass die beiden Fließfelder,
in deren Richtung die Strömungsleitelemente 2.1 und 2.1' die Reaktionsstoffströmung umlenken,
annähernd
gleichmäßig mit
Reaktionsstoffen versorgt werden.
-
Zudem ist zwischen die Fließfelder 1.1 und 1.1' ein Zwischenelement 2.5 eingebracht,
das die Strömung
von einem Fließfeld 1.1 oder
einer Bipolarplatte zum benachbarten Fließfeld 1.1' oder Bipolarplatte
ablenkt. Das Zwischenelement 2.5 weist hierzu einen im
wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und ist hochkant an 1.1
angebracht, und zwar in einer Richtung entlang des Fließfeldes 1.1,
quer zur Strömungsrichtung
der Fließfeldströmung 2.4.
Dadurch erstreckt es sich in die Papierebene hinein. Der Betrachter
blickt in der dargestellten Perspektive auf die schmalen Seite des
Zwischenelements 2.5 und kann es daher nur, wie dargestellt,
als Strich wahrnehmen.
-
Der Querschnitt ist strömungstechnisch
den entsprechenden Anforderungen an Fließgeschwindigkeit, Strömungswiderstand
und die geforderte Turbulenz angepasst. Das Zwischenelement 2.5 ist
mit allen Strömungsleitelementen 2.1 kombinierbar.
-
Das Strömungsleitelement 2.1, 2.1' gemäß 4 ist im Wesentlichen quer
zur Ausrichtung des Versorgungskanals 2 angeordnet. Es
weist mehrere treppenartig angeordnete Teilstücke auf, die jeweils paarweise
eine Durchflussöffnung
bilden. Die Versorgungsströmung 2.3 wird
hierbei teilweise gemäß 4 nach rechts in die einzelnen
Strömungskanäle 1.2 des
Fließfeldes 1.1 bzw.
der Bipolarplatte abgelenkt und tritt teilweise nach unten hin durch
die Öffnungen
des Strömungsleitelements 2.1 durch
und wird durch das folgende Strömungsleitelement 2.1' entsprechend abgelenkt.
-
Gemäß 5 ist das Strömungsleitelement 2.1 im
Bereich einer Endwand 3.1 angeordnet. Das Strömungsleitelement 2.1 ist
hierbei im Querschnitt bogenförmig
ausgebildet, sodass die Versorgungsströmung 2.3, ausgehend
von der Ausrichtung des Versorgungskanals 2, zumindest
im Bereich der Endwand 3.1 um einen Winkel von etwa 90 ° umgelenkt und
dem Strömungskanal 1.2 des
jeweiligen Fließfeldes 1.1 zugeführt wird.
-
Gemäß 6 sind drei Strömungsleitelemente 2.1, 2.1', 2.1'' vorgesehen, die jeweils mit dem Versorgungskanal 2 verbunden
sind. Die Strömungsleitelemente 2.1 – 2.1'' sind hierbei im Querschnitt bogenförmig ausgebildet,
sodass die Versorgungsströmung 2.3 kontinuierlich
um einen Winkel von etwa 90 °,
ausgehend von der Ausrichtung des Versorgungskanals 2,
in die Fließfeldströmung 2.4 der jeweiligen
Strömungskanäle 1.2 umgeleitet
wird. Die Größe bzw.
die Länge
der Strömungsleitelemente 2.1 – 2.1'' nimmt hierbei in Richtung der
Versorgungsströmung 2.3 zu,
sodass die jeweiligen Teilquerschnitte der Versorgungsströmung 2.3 in
die Fließfeldströmung 2.4 umgelenkt
werden. Dadurch kann eine annähernd
gleichmäßige Versorgung
der Fließfelder,
auf die die Versorgungsströmung
umgelenkt wird, mit Reaktionsstoffen gewährleistet werden.
-
Die Strömungsleitelemente 2.1 – 2.1'' gemäß 7 sind bezüglich der Form und der Lage
in etwa wie die Strömungsleitelemente 2.1 – 2.1'' gemäß 6 ausgebildet. Sie sind jedoch nicht
unmittelbar am Versorgungskanal 2 angeordnet. Den Strömungsleitelementen 2.1 – 2.1' ist jeweils
eine Kassette 4 – 4' zugeordnet, über die
sie innerhalb des Versorgungskanals 2 angeordnet bzw, befestigt
sind. Die Kassetten 4 – 4'' sind hierbei in den Brennstoffzellenstapel 1 integriert
bzw. stapelbar angeordnet.
-
Der externe Versorgungskanal 2 gemäß 8a wird an einen Brennstoffzellenstapel 1 gemäß 8b zur Versorgung der verschiedenen
Strömungskanäle 1.2 – 1.2 ''' angeordnet.
Der Versorgungskanal 2 weist hierbei drei Strömungsleitelemente 2.1 – 2.1'' auf, die zunächst, vom Eintritt der Versorgungsströmung 2.3 in
den Versorgungskanal 2 ausgehend, gemäß 8c in Richtung der Versorgungsströmung 2.3 ausgerichtet
sind. Das Ende der Strömungsleitelemente 2.1 – 2.1'' ist bogenförmig, stetig in die Fließfeldströmung 2.4 umlenkend,
ausgebildet. Der Versorgungskanal 2 weist hierbei vier Teilbereiche
auf, die den Strömungskanälen 1.2 – 1.2''' einer
Seite des Brennstoffzellenstapels 1 zugeordnet sind. Der
Brennstoffzellenstapel 1 gemäß 8b weist hierbei entsprechend vier Ebenen
mit Strömungskanälen 1.2 – 1.2''' auf.
Die Zuordnung zwischen der Aufteilung des Versorgungskanals 2 und
den verschiedenen Strömungskanälen 1.2 – 1.2 ''' eines
Brennstoffzellenstapels 1 kann hierbei auch anders erfolgen.
-
Gemäß 9 ist das Strömungsleitelement 2.1 innerhalb
des Versorgungskanals 2 angeordnet. Das Strömungsleitelement 2.1 ist
hierbei rohrförmig ausgebildet
und weist an mindestens einer seiner Seitenflächen mehrere Austrittsschlitze 5 auf.
Die in das Strömungsleitelement 2.1 eintretende
Versorgungsströmung 2.3 tritt
hierbei im Bereich der Austrittschlitze 5 in Richtung der
Fließfeldströmung 2.4 aus.
Im unteren Bereich der Endwand 3.2 ist wahlweise ein weiteres
Strömungsleitelement 2.1' vorgesehen, welches
an der Endwand 3.2 des Versorgungskanals 2 befestigt
ist und in der Ausbildung der Ausführung gemäß 6 entspricht.
-
Gemäß 10 ist der Versorgungskanal 2 im
Querschnitt trapezförmig
ausgebildet, wobei der Querschnitt kontinuierlich in Richtung der
Versorgungsströmung 2.3 abnimmt
bzw. sich kontinuierlich verjüngt.
-
- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 1.1
- Bipolarplatte,
Fließfeld
- 1.2
- Strömungskanal
- 1.2'
- Strömungskanal
- 1.2 ''
- Strömungskanal
- 1.2 '''
- Strömungskanal
- 2
- Versorgungskanal
- 2'
- Versorgungskanal
- 2''
- Versorgungskanal
- 2'''
- Versorgungskanal
- 2.1
- Strömungsleitelement
- 2.1'
- Strömungsleitelement
- 2.1''
- Strömungsleitelement
- 2.2
- Oberfläche
- 2.3
- Versorgungsströmung
- 2.4
- Fließfeldströmung
- 2.5
- Zwischenelement
- 3.1
- Endwand
- 3.2
- Endwand
- 4
- Kassette
- 4'
- Kassette
- 4''
- Kassette
- 5
- Austrittsschlitze
- 6
- Halterungselement
für Strömungsleitelemente