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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art.
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Aus der Praxis sind mit einer Anodenseiten und einer Kathodenseite ausgebildete Bipolarplatten für Brennstoffzellen bekannt, wobei eine Brennstoffzelle durch stapeln mehrerer Bipolarplatten gebildet wird. Dabei ist die Anodenseite einer Bipolarplatte durch eine für Protonen durchlässige Membran, welche beidseits mit einem Katalysator und einer gasdurchlässigen Elektrode beschichtet ist, von einer Kathodenseite einer weiteren Bipolarplatte getrennt. Weitere Bipolarplatten können zur Bildung eines derartigen Brennstoffzellenstapels, auch Stack genannt, vorgesehen sein.
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Es kann zwischen Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen unterschieden werden. Bekannte Niedertemperaturbrennstoffzellen, die als Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEN)- oder Methanol-Brennstoffzellen ausgeführt sind, haben typische Arbeitstemperaturen zwischen 25°C und 80°C. Es können Leistungen von 50 KW und mehr erreicht werden. Die geringen Arbeitstemperaturen erleichtern die Handhabbarkeit und reduzieren die Vorwärmzeiten. Die saure Umgebung, in der sich die Katalysatoren befinden, erfordert jedoch teures Platin. Zudem kann, wenn Luft als Reaktionsgas verwendet wird, der Katalysator vergiftet werden, was die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle stark einschränken kann.
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Hochtemperaturbrennstoffzellen, die eine Arbeitstemperatur von 650°C bis 1000°C aufweisen, benötigen keine Platinkatalysatoren. Jedoch sind spezielle Keramiken notwendig, die den hohen Temperaturen standhalten können. Des Weiteren kommen Probleme durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten und schwierigen Fügeverfahren hinzu. Der große Raumbedarf bei vergleichbarer Leistung gegenüber Niedertemperaturbrennstoffzellen sowie die mangelnde Betriebsfestigkeit sind nachteilig. Anlagen von 100 KW und mehr werden für Blockheizkraftwerke eingesetzt.
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Das Funktionsprinzip von Brennstoffzellen, welche mit einer PEM ausgebildet sind, beruht auf einem elektrochemischen Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert miteinander reagieren. Beide Gase strömen jeweils in eine Diffusionsschicht, wobei der Wasserstoff von der Anodenseite einer Bipolarplatte durch die für positiv geladene Protonen durchlässige Membran, auf die Sauerstoffseite der Kathodenseite einer weiteren Bipolarplatte gelangt.
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Eine solche Brennstoffzelle stellt eine elektrochemische Zelle dar, in welcher ein wasserstoffhaltiges Gas einer Anode der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeführt wird. Sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, wird währenddessen einer Kathode der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt. In der Brennstoffzelle findet eine lokal nach Oxidation und Reduktion getrennte elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff des wasserstoffhaltigen Gases und dem Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Gases statt.
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An der Anodenseite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff oxidiert, wobei Elektronen freigegeben werden, welche über einen äußeren Leiterkreis eines elektrischen Verbrauchers der Kathodenseite zugeleitet werden. Während der Oxidation des Wasserstoffs entstehende Protonen können von der Anodenseite durch die Polymer-Elektrolyt-Membran hindurch zu der Kathodenseite diffundieren. An der Kathode wird aus dem Sauerstoff, den Protonen und den Elektronen Wasser gebildet. Derartige Brennstoffzellen weisen einen guten Gesamtwirkungsgrad und geringe oder keine Schadstoffausstöße auf.
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Die Membranen haben die Aufgabe, nur für Protonen durchlässig zu sein und gleichzeitig einen geringen Innenwiderstand zu besitzen. PEM-Brennstoffzellen, die bei über 100°C betrieben werden, werden insbesondere mit speziellen mit Phosphorsäure bepfropften Membranen ausgerüstet. Der Vorteil von PEM-Brennstoffzellen mit einem Arbeitsbereich von über 100°C liegt in der einfachen Handhabbarkeit. So ist keine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung vorzusehen, und es ist auch nicht mit Wasserablagerungen auf der Kathodenseite zu rechnen, da das Reaktionswasser in dampfförmigem Zustand vorliegt. Weiterhin sind derartige Membranen vorteilhafterweise sehr robust, wodurch ein für Brennstoffzellen einfacher Aufbau mit wenigen Zusatzaggregaten möglich ist.
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Neben der Membran ist eine Geometrie von Strömungsfelder der Anodenseite bzw. Kathodenseite bildenden Strömungskanälen eine wichtige Größe, die eine Effizienz und ein Verhalten einer Brennstoffzelle stark beeinflusst. So hat die Kanalstruktur nicht nur die gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase in den Strömungsfeldern zu gewährleisten, sondern sie hat auch den Abtransport der Restgase und des Reaktionswassers zu erfüllen. Zusätzlich sind die zwischen den Kanälen befindlichen Stege für eine elektrische Kontaktierung notwendig. So ist das Vorsehen von breiten Kanälen und schmalen Stegen hinsichtlich des Massetransfers günstig, jedoch problematisch bezogen auf die elektrische Kontaktierung.
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Um einen günstigen Austausch zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite zu erzielen, ist sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite ein über die gesamte Struktur konstanter Massenfluss zu jeder Zeit erforderlich. Hierdurch können auch Totpunkte in der Brennstoffzelle vermieden werden, in denen das Reaktionsgas zum Stillstand kommt.
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Auf der Anodenseite der Bipolarplatten wird wasserstoffhaltiges Gas über Einlassöffnungen einem Strömungsfeld zugeführt und das verbliebene Restgas, welches in dem Strömungsfeld nicht mit der Kathodenseite reagiert, über Auslassöffnungen wieder abgeführt. Je nach Ausführungsform der Bipolarplatte werden beispielsweise 90% des eingeströmten Gases verbraucht, so dass 10% des eingeströmten Gases durch die Auslassöffnungen wieder abgeführt wird. Um eine hohe Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte zu erzielen ist es erforderlich einen über dem gesamten Strömungsfeld möglichst konstanten Gasvolumenstrom mit einem geringen Druckgradienten zu erzielen.
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Aus der Praxis sind Bipolarplatten bekannt, welche zur Bildung einer Kanalstruktur auf der Anodenseite parallele Kanäle für das wasserstoffhaltige Gas aufweisen. Aufgrund der relativ kurz ausgebildeten Kanäle ist ein Druckgradient des wasserstoffhaltigen Gases in dem Strömungsfeld relativ gering. Allerdings wird das wasserstoffhaltige Gas bei diesen Strukturen nicht gleichmäßig auf die jeweiligen Kanäle verteilt, wodurch eine Leistungsfähigkeit einer derartigen Bipolarplatte, insbesondere bei variablen Eingangsmassenströmen, eingeschränkt ist.
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Weiterhin sind Bipolarplatten bekannt, welche auf der Anodenseite eine Mäanderstruktur mit einem einzigen oder mehreren mäanderförmigen Kanälen aufweisen. Ein Volumenstrom durch den einzelnen oder die begrenzte Anzahl von Kanälen ist dabei relativ konstant, wobei die Geschwindigkeit des wasserstoffhaltigen Gases von den Einlassöffnungen in Richtung der Auslassöffnung in dem Kanal oder den Kanälen zunimmt. Ein Druck des wasserstoffhaltigen Gases nimmt dabei von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung stark ab, so dass ein Druckgradient in dem Kanals bzw. den Kanälen sehr groß ist. Ein zur Erzeugung eines gewünschten Mindestdruckes des wasserstoffhaltigen Gases erforderlicher Kompressor muss nachteilhafterweise eine hohe Leistung aufbringen, wodurch ein Gesamtwirkungsgrad der Bipolarplatte reduziert wird. Durch den Druckverlust reduziert sich entsprechend eine als Produkt aus Druckverlust und Volumenstrom darstellende hydraulische Leistung bzw. Verlustleistung einer Brennstoffzelle mit derartigen Bipolarplatten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte für eine PEM-Brennstoffzelle zu schaffen, deren Anodenseite ein durch eine Kanalstruktur gebildetes Strömungsfeld aufweist, mittels welchem eine gleichmäßige Verteilung eines Reaktionsmedium über dem gesamten Strömungsfeld mit einem nahezu konstanten Volumenstrom und geringen Druckverlusten erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit eine Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen einer Bipolarplatte nach der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung sieht eine Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem dem Anodenbereich abgewandten Kathodenbereich vor, wobei der Anodenbereich außenseitig ein von einer ersten Kanalstruktur gebildetes erstes Strömungsfeld mit wenigstens einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung für ein erstes Reaktionsmedium aufweist, wobei mittels der ersten Kanalstruktur des ersten Strömungsfeldes das erste Reaktionsmedium von der wenigstens einen Einströmöffnung zu der wenigstens einen Ausströmöffnung führbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das erste Reaktionsmedium dem ersten Strömungsfeld ausgehend von der wenigstens einen Einströmöffnung über einen Einströmbereich über einen Umfang des Strömungsfeldes verteilt zuführbar und das erste Reaktionsmedium über einen in einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes angeordneten Ausströmbereich aus dem ersten Strömungsfeld abführbar.
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Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte weist eine vorteilhafterweise große Leistungsfähigkeit auf, da mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte eine gleichmäßige Gasverteilung des ersten Reaktionsmediums in dem gesamten ersten Strömungsfeld des Anodenbereichs erzielbar ist, wobei ein Volumenstrom des ersten Reaktionsmediums nahezu konstant ist und nur ein geringer Druckgradient in dem ersten Strömungsfeld vorliegt.
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Dies kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass durch den Verlauf des ersten Reaktionsmediums von dem Umfang zu einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes ein von dem ersten Reaktionsmedium durchströmter Querschnitt des ersten Strömungsfeldes in Strömungsrichtung des ersten Reaktionsmediums zunehmend abnimmt. Weiterhin resultiert der geringe Druckgradient in dem ersten Strömungsfeld aus einem relativ kurzen Weg, den das erste Reaktionsmedium von der Einströmöffnung bis zu der Ausströmöffnung durchläuft.
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Da das Volumen des ersten Reaktionsmediums vom Einströmbereich bis zu dem Ausströmbereich durch die chemische Reaktion beispielsweise um etwa 90% abnimmt, kann eine Geschwindigkeit des ersten Reaktionsmediums mit einem derartigen Anodenbereich vorteilhafterweise nahezu konstant gehalten werden.
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Besonders einfach kann dies erreicht werden, wenn das erste Strömungsfeld im Wesentlichen rund ausgebildet ist. Alternativ hierzu kann das Strömungsfeld aber auch eine beliebige andere Form, beispielsweise rechteckig oder polyederförmig, aufweisen, wobei der wenigstens eine Einströmbereich entsprechend der Form des ersten Strömungsfeldes derart ausgebildet ist, dass das erste Reaktionsmedium im Wesentlichen gleichmäßig über einen äußeren Umfang des ersten Strömungsfeldes verteilt auf das erste Strömungsfeld übertragen werden kann.
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Ein bevorzugter Anwendungsbereich von mit den erfindungsgemäßen Bipolarplatten ausgebildeten Brennstoffzellen sind mobile Einsatzfälle, bei denen wenige Zusatzaggregate benötigt werden. Selbstverständlich sind auch stationäre Einsatzgebiete möglich.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Bipolarplatte ist die erste Kanalstruktur von einer Vielzahl von polyeder- bzw. kreisförmig ausgebildeten Noppen bzw. Pins gebildet. Ein derartiger Anodenbereich der Bipolarplatte ist vorteilhafterweise einfach aufgebaut und kann entsprechend in einer Serienproduktion gefertigt werden. Durch das Vorsehen einer großen Anzahl von Noppen, durch welche eine Vielzahl von Kanälen gebildet wird, kann eine gute Durchmischung des ersten Reaktionsmediums und ein besonders geringer Druckverlust im ersten Strömungsfeld erzielt werden. Dies ist für eine optimale Funktion der Anodenseite bedeutend. Weiterhin kann durch die Noppen eine gute elektrische Kontaktierung sichergestellt werden. Eine kreisförmige Ausbildung der Noppen ist dabei auf besonders einfach Weise herstellbar.
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Die Noppen zur Bildung der ersten Kanalstruktur sind bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung auf konzentrischen Kreisbahnen angeordnet, welche um einen wenigstens annähernd einen Mittelpunkt des ersten Strömungsfeldes bildenden Punkt verlaufen. Durch eine derartige Anordnung der Noppen kann eine besonders gute Durchmischung des ersten Reaktionsmediums bei einem Durchströmen des ersten Strömungsfeldes erreicht werden.
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Um eine in dem gesamten ersten Strömungsfeld etwa konstante Geschwindigkeit des ersten Reaktionsmediums erreichen zu können, kann zwischen jeweils zwei benachbarten Noppen einer Kreisbahn ein festgelegter Mindestabstand liegen.
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Ein Abstand von benachbarten Kreisbahnen ist bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung im Wesentlichen konstant. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen benachbarten Kreisbahnen variiert, wobei, insbesondere bei im Bereich des Mittelpunktes des ersten Strömungsfeldes angeordneten Kreisbahnen, ein Abstand zwischen den Kreisbahnen von einem ansonsten konstanten Abstand der Kreisbahnen abweicht.
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Zur Erzielung eines besonders konstanten Volumenstromes des ersten Reaktionsmediums bei geringem Druckgradienten sind Noppen zweier benachbarter Kreisbahnen bei einer Weiterbildung der Erfindung auf Lücke zueinander angeordnet. Auch ist eine derartige Anordnung der Noppen zueinander hinsichtlich der Durchmischung des ersten Reaktionsmediums in dem ersten Strömungsfeld vorteilhaft.
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Eine sehr gleichmäßige Verteilung des ersten Reaktionsmediums auf den Umfang des ersten Strömungsfeldes kann erreicht werden, wenn das erste Strömungsfeld mehrere Einströmöffnungen mit jeweils einem Einströmbereich, insbesondere vier Einströmöffnungen, aufweist, mittels welchen insbesondere jeweils voneinander getrennten Umfangsbereichen des ersten Strömungsfeldes das erste Reaktionsmedium zuführbar ist. Mit einer ansteigenden Anzahl von Einströmöffnungen, durch welche das erste Strömungsfeld in Blöcke eingeteilt werden kann, ist eine verbesserte Verteilung des ersten Reaktionsmediums auf den Umfang des ersten Strömungsfeldes erzielbar, wobei hieraus wiederum eine gute Verteilung des ersten Reaktionsmediums in dem ersten Strömungsfeld resultiert.
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Bei einer konstruktiv einfachen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Einströmbereich einen die Einströmöffnung umfassenden halbkreisförmigen Hauptzuführungskanal, dessen Endbereiche mit dem ersten Strömungsfeld zusammenwirken, und insbesondere mehrere Hilfskanäle, welche sich von dem Hauptzuführungskanal im Wesentlichen in Richtung des Mittelpunkts des ersten Strömungsfeldes bis zu dem ersten Strömungsfeld erstrecken, aufweist. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des ersten Reaktionsmediums auf den Umfang des ersten Strömungsfeldes erreicht werden, da das erste Reaktionsmedium das erste Strömungsfeld ausgehend von der jeweiligen Einströmöffnung im Wesentlichen gleichzeitig und mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit erreicht. Hierdurch kann die Gefahr der Entstehung von Totpunkten in dem ersten Strömungsfeld minimiert werden. Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, wenn der Hauptzuführungskanal in Richtung des ersten Strömungsfeld zugespitzt ist, d. h. sich der Querschnitt des Hauptzuführungskanals verjüngt bzw. verkleinert.
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Um das nach einem Durchströmen des ersten Strömungsfeldes verbleibende erste Reaktionsmedium auf einfache Weise von dem Ausströmbereich abzuführen, kann der Ausströmbereich über wenigstens einen Auslasskanal mit der wenigstens einen Ausströmöffnung zusammenwirken. Mittels des wenigstens einen Auslasskanals, welcher nicht zu dem ersten Strömungsfeld gehört, kann das verbleibende erste Reaktionsmedium zu wenigstens einer an einer gewünschten Position angeordneten Ausströmöffnung geführt werden.
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Je nach konkreter Ausführung des Strömungsfeldes können auch mehrere Ausströmöffnungen vorgesehen sein, welchen der nach dem Durchfließen des ersten Strömungsfeldes verbleibende Teil des ersten Reaktionsmediums über einen oder mehrere an der Oberfläche oder innerhalb der Bipolarplatte verlaufende Auslasskanäle zuführbar ist.
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Bei einer besonders vorteilhaft ausgebildeten Bipolarplatte weist der Kathodenbereich außenseitig ein mit einer zweiten Kanalstruktur ausgebildetes zweites Strömungsfeld mit wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung für ein zweites Reaktionsmedium auf. Mittels der zweiten Kanalstruktur ist das zweite Reaktionsmedium dabei von der wenigstens einen Einlassöffnung zu der wenigstens einen Auslassöffnung führbar, wobei die wenigstens eine Einlassöffnung mit einem im Wesentlichen in Richtung eines Mittelpunktes des zweiten Strömungsfeldes weisenden Zuführungskanal und die wenigstens eine Auslassöffnung mit einem im Wesentlichen in Richtung des Mittelpunktes des zweiten Strömungsfeldes weisenden Abführungskanal für das zweite Reaktionsmedium zusammenwirken. Der Zuführungskanal und der Abführungskanal sind durch eine Vielzahl von Verbindungskanälen derart verbunden, dass eine Wegstrecke von der wenigstens einen Einlassöffnung zu der wenigstens einen Auslassöffnung für die Verbindungskanäle im Wesentlichen konstant ist. Verbindungsbereiche des Zuführungskanals mit den Verbindungskanälen sind dabei derart ausgebildet, dass das zweite Reaktionsmedium im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Verbindungskanäle verteilbar ist.
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Mit einer Brennstoffzelle, welche mit Bipolarplatten mit einem derartigen Kathodenbereich und Anodenbereich ausgebildet ist, kann ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt werden, so dass eine Brennstoffzelle mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten eine zu einer Brennstoffzelle mit bekannten Bipolarplatten vergleichbare Leistung mit einer geringeren Anzahl von Bipolarplatten erzielen kann. Hierdurch können sowohl ein benötigter Bauraum als auch Kosten eingespart werden. Dies resultiert daraus, dass durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kathodenbereich eine gute Verteilung des zweiten Reaktionsmediums mit einem geringen Druckgradienten über dem gesamten zweiten Strömungsfeld erzielbar ist, so dass ein sehr günstiger Austausch zwischen dem ersten Reaktionsmedium des Anodenbereichs und dem zweiten Reaktionsmedium des Kathodenbereichs erzielbar ist. Weiterhin weist eine derartig ausgebildete Brennstoffzelle einen vorteilhafterweise geringen Temperaturgradienten auf.
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Die gute Verteilung des zweiten Reaktionsmediums auf der Kathodenseite wird auch bei unterschiedlichen Eingangsmassenströmen dadurch erreicht, dass sämtliche Verbindungskanäle eine vergleichbare Länge aufweisen und das zweite Reaktionsmedium durch die entsprechende Ausbildung der Verbindungsbereiche sehr gleichmäßig mit einem vergleichbaren Volumenstrom auf die Verbindungskanäle verteilt wird. Hierdurch kann das Verstopfen einzelner Verbindungskanäle, welches bei hohen Geschwindigkeitsgradienten des zweiten Reaktionsmediums in dem zweiten Strömungsfeld auftreten kann, vorteilhafterweise vermieden werden.
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Weiterhin ist eine derartige Kathodenseite einer Bipolarplatte besonders einfach ausgebildet und kann auf einfache Weise in einer Serienproduktion gefertigt werden.
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Um eine möglichst ähnliche Länge der Verbindungskanäle zu erzielen, kann ein Verbindungskanal bei einer Weiterbildung der Erfindung mit dem Zuführungskanal und dem Abführungskanal in Bereichen zusammenwirken, welche einen vergleichbaren Abstand zu dem Mittelpunkt des zweiten Strömungsfeldes aufweisen. Insbesondere alle Verbindungskanäle sind derartig mit dem Zuführungskanal und dem Abführungskanal verbunden. Die Verbindungskanäle können dabei insbesondere konzentrisch zu dem Mittelpunkt des zweiten Strömungsfeldes angeordnet sein. Alternativ hierzu können die Verbindungskanäle auch geradlinig ausgebildet sein, wobei die Verbindungskanäle insbesondere parallel zueinander angeordnet sind.
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Zur Erzielung einer besonders gleichmäßigen Verteilung des zweiten Reaktionsmediums auf die einzelnen Verbindungskanäle ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass ein oder mehrere benachbarte Verbindungskanäle des Kathodenbereichs über einen gemeinsamen Einlass bzw. Auslass mit dem Zuführungskanal bzw. dem Abführungskanal verbunden sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind mehrere Einlassöffnungen und Zuführungskanäle, insbesondere jeweils zwei, und mehrere Auslassöffnungen und Abführungskanäle, insbesondere jeweils vier, vorgesehen, wobei sich von einem Zuführungskanal insbesondere Verbindungskanäle zu zwei Abführungskanälen erstrecken. Hierdurch kann eine Länge der Wegstrecken des Gases von den Einlassöffnungen zu den Auslassöffnungen weiter reduziert werden, wodurch ein Druckgradient in dem zweiten Strömungsfeld ebenfalls weiter reduziert werden kann.
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Zur Erzielung einer konstanten Geschwindigkeit und eines konstanten Drucks des zweiten Reaktionsmediums an einem Eingang der Verbindungskanäle können wenigstens ein Zuführungskanal und/oder wenigstens ein Abführungskanal einen sich in Richtung des Mittelpunktes des zweiten Strömungsfeldes verjüngenden Querschnitt aufweisen.
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Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte ist insbesondere kreisförmig oder polyederförmig ausgebildet. Insbesondere vorteilhaft ist eine Bipolarplatte mit einer sechseckigen Form, da derartige Bipolarplatten besonders gut stapelbar sind.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle nach der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung.
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Nachfolgend ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine vereinfachte Schnittansicht eines Brennstoffzellstapels mit vier baugleich ausgebildeten Bipolarplatten;
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2 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung einer Anodenseite einer Bipolarplatte der 1;
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3 eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung einer Kathodenseite einer Bipolarplatte der 1; und
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4 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Bipolarplatte der 1.
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In 1 ist ein Brennstoffzellstapel 1 mit vier baugleich ausgebildeten Bipolarplatten 3 einer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle gezeigt, welche einen Arbeitstemperaturbereich von etwa 25°C bis etwa 160°C hat. Der Vorteil von PEM-Brennstoffzellen, welche mit Temperaturen von über 100°C betrieben werden, liegt in der einfachen Handhabbarkeit, da insbesondere keine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung vorzusehen ist. Weiterhin ist die Gefahr einer Ablagerung von Wasser sehr gering, da das Reaktionswasser in dampfförmigem Zustand vorliegt.
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Die Bipolarplatten 3 sind zu einem sogenannten 3er-Stack aufeinander gestapelt, wobei von den Bipolarplatten 3 gebildete Zellen in Reihe zueinander geschaltet sind.
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Die PEM-Brennstoffzelle verwendet einen elektrochemischen Prozess, bei dem ein erstes, insbesondere als wasserstoffhaltiges Gas ausgebildetes Reaktionsmedium mit einem zweiten, insbesondere als sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, ausgebildeten Reaktionsmedium kontrolliert reagiert. Das wasserstoffhaltige Gas wird einem ersten Strömungsfeld 5 eines Anodenbereichs 7 der Bipolarplatte 3 zugeführt und reagiert mit dem sauerstoffhaltigen Gas, welches einem zweiten Strömungsfeld 9 eines Kathodenbereichs 11 der Bipolarplatte 3 zugeführt wird.
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Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 3, ist zumindest im Bereich der Strömungsfelder 5, 9 eine Membran angeordnet, welche für Protonen durchlässig ist und welche bei mit über 100°C betriebenen PEM-Brennstoffzellen insbesondere als mit Phosphorsäure bepfropfte Membran ausgebildet ist, welche vorteilhafterweise robuste Membraneigenschaften aufweist. Durch die Membran können Protonen von dem Anodenbereich 7 zu dem Kathodenbereich 11 gelangen.
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Die Membran ist beidseits mit einer eine Herauslösung von Elektronen aus den Wasserstoffmolekülen ermöglichenden dünnen Katalysatorschicht und einer gasdurchlässigen Elektrode beschichtet. Mittels eines Stromleiters werden die Elektronen über die Elektroden zu der Kathodenseite 11 geleitet, um dort mit Hilfe der Katalysatorschicht Sauerstoff zu ionisieren. Die Wasserstoffprotonen reagieren anschließend mit den Sauerstoffionen zu Wasser. Der Elektronenfluss kann über Elektroden als elektrischer Gleichstrom abgegriffen werden, wobei ein Spannungsabgriff an den jeweils äußeren Bipolarplatten 3 erfolgt. Zur Spannungsabnahme können an den äußeren Bipolarplatten 3 insbesondere Kupferplatten vorgesehen sein.
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In 2 ist die vorliegend sechseckig ausgebildete Bipolarplatte 3 mit dem auf einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordneten Anodenbereich 7 näher ersichtlich. Das erste Strömungsfeld 5 ist im Wesentlichen kreisförmig mit einem Durchmesser von vorliegend 115 mm ausgebildet und wird von vorliegend vier um 90 Grad versetzten Einströmöffnungen 13 in vier symmetrische Blöcke eingeteilt.
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Das wasserstoffhaltige Gas wird dem Anodenbereich 7 über die Einströmöffnungen 13 zugeführt, von welchen das Gas über jeweils einen Einströmbereich 15 dem von einer ersten Kanalstruktur 17 gebildeten ersten Strömungsfeld 5 bzw. Flowfield von außen zuführbar ist. Durch die Einströmbereiche 15 wird das wasserstoffhaltige Gas dem ersten kreisförmigen Strömungsfeld 5 gleichmäßig über dessen Umfang verteilt zugeführt.
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Hierzu weisen die Einströmbereiche 15 jeweils einen etwa halbkreisförmig ausgebildeten Hauptzuführungskanal 27 auf, in dessen Mitte eine Einströmöffnung 13 angeordnet ist und dessen Enden mit dem ersten Strömungsfeld 5 zusammenwirken. Die Hauptzuführungskanäle 27 weisen im Bereich der Einströmöffnungen 13 den größten Querschnitt auf, welcher sich in Richtung ihrer mit dem ersten Strömungsfeld 5 zusammenwirkenden Enden zunehmend verjüngt. Weiterhin weisen die Einströmbereiche 15 vorliegend jeweils sechs Hilfskanäle 29 auf, welche sich von dem Hauptzuführungskanal 27 im Wesentlichen in Richtung eines Mittelpunktes M1 des ersten Strömungsfeldes 5 bis zu dem ersten Strömungsfeld 5 erstrecken.
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Um durch die Einströmöffnung 13 einströmendes Gas gleichmäßig über den gesamten Umfang des ersten Strömungsfeldes 5 verteilt dem ersten Strömungsfeld 5 zuführen zu können, sind im Bereich der Einströmöffnung 13 Strömungselemente 31 angeordnet, welche im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung des Hauptzuführungskanals 27 verlaufen. Durch die beschriebene Ausbildung der Einströmbereiche 15 wird sichergestellt, dass durch die Einströmöffnungen 13 zugeführtes Gas das erste Strömungsfeld 5 gleichzeitig und mit der gleichen Geschwindigkeit erreicht. Hierdurch können Totpunkte, d. h. Bereiche in dem ersten Strömungsfeld 5, in denen das Gas eine sehr geringe Geschwindigkeit aufweist bzw. zum Stillstand kommt, vermieden werden.
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Die erste Kanalstruktur 17 des ersten Strömungsfeldes 5 ist vorliegend durch eine Vielzahl von einen Durchmesser von 2 mm aufweisenden Noppen 33 bzw. Pins gebildet, welche jeweils auf Kreisbahnen K um den Mittelpunkt M1 des ersten Strömungsfeldes 5 angeordnet sind. Die kreisförmig ausgebildeten Noppen 33 einer Kreisbahn K weisen jeweils einen konstanten Abstand voneinander auf. Zwischen zwei Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 liegt ein Mittelpunktsabstand von etwa 4 mm, so dass ein zwischen zwei benachbarten Noppen 33 liegender Kanal mindestens eine Breite von 2 mm aufweist. Die Größe der Noppen 33 ist derart gewählt, dass bei einer Verspannung der Bipolarplatte 3 aufgebrachte Querkräfte Scherkräfte der Diffusionsschicht und der Membran nicht übersteigen können.
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Die zweitäußerste Kreisbahn K2, welche wie sämtliche benachbarte Kreisbahnen K vorliegend einen festgelegten Abstand voneinander aufweist, hat die gleiche Anzahl von Noppen 33 wie die äußerste Kreisbahn K1, so dass der Abstand zwischen den Noppen 33 und die Kanalbreite zwischen den Noppen 33 der zweitäußersten Kreisbahn K2 entsprechend kleiner als der Abstand zwischen den Noppen 33 und die Kanalbreite zwischen den Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 ist. Bezüglich der Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 sind die Noppen 33 der zweitäußersten K2 Kreisbahn auf Lücke angeordnet, so dass jeweils zwei Noppen 33 der äußersten Kreisbahn K1 mit einer Noppe 33 der zweitäußersten Kreisbahn K2 ein gleichschenkeliges Dreieck bilden.
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Eine Anordnung der Noppen 33 der weiter in Richtung des Mittelpunkts M1 des ersten Strömungsfeldes 5 liegenden Kreisbahnen K wird nach dem selben Schema fortgesetzt, bis eine Kanalbreite zwischen benachbarten Noppen 33 einer Kreisbahn K unter einen festgelegten Grenzwert von vorliegend 0,6 mm fällt. Der Grenzwert wird festgelegt, um eine Gaskontraktion, welche eine entsprechende Beschleunigung des Gases verursachen würde, in gewissen Grenzen zu vermeiden. Ein maximaler Abstand zwischen zwei benachbarten Noppen 33 ist ebenfalls begrenzt um eine lokale Gasexpansion zu verhindern.
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Bei der sechstäußersten Kreisbahn K6 würde die Kanalbreite zwischen zwei benachbarten Noppen 33 bei konstanter Anzahl von Noppen 33 vorliegend unter den Grenzwert von 0,6 mm fallen. Um dies zu vermeiden, ist eine Anzahl der Noppen 33 der sechstäußersten Kreisbahn K6 soweit reduziert, dass eine Mindestkanalbreite von 0,6 mm zwischen zwei benachbarten Noppen 33 vorliegt. Durch die reduzierte Anzahl der Noppen 33 ist eine Anordnung der Noppen 33 auf Lücke zu den Noppen 33 der fünftäußersten Kreisbahn K5 zur Bildung von gleichschenkligen Dreiecken nicht mehr insgesamt möglich. Hierdurch kann eine Kanalbreite zwischen zwei Noppen 33 der benachbarten Kreisbahnen K5, K6 unter 0,6 mm fallen. Um auch hier eine Gaskontraktion zu verhindern, sind derartige Noppen 34 miteinander verbunden, so dass zwischen diesen Noppen 34 kein Kanal hindurchfährt.
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Das Gas verlässt das erste kreisförmige Strömungsfeld 5 nach dessen Durchströmung in einem runden Ausströmbereich 21, welcher in einem mittigen Bereich des ersten Strömungsfeldes 5 um den Mittelpunkt M1 angeordnet ist. Eine Strömungsrichtung des wasserstoffhaltigen Gases in dem ersten Strömungsfeld 5 ist somit von außen nach innen.
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Von dem Ausströmbereich 21 wird das wasserstoffhaltige Gas über vorliegend zwei ebenso wie der Ausströmbereich 21 nicht zu dem ersten Strömungsfeld 5 gehörende Auslasskanäle 23 zu zwei Ausströmöffnungen 25 geleitet, welche radial außerhalb des kreisförmigen Strömungsfeldes 5 angeordnet sind und um 180 Grad zueinander versetzt sind. Die Ausströmöffnungen 25 sind kleiner als die Einströmöffnungen 13 ausgebildet, da nur ein kleiner Teil des dem ersten Strömungsfeld 5 durch die Einströmöffnungen 13 zugeführten wasserstoffhaltigen Gases zu den Ausströmöffnungen 25 gelangt.
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Die Auslasskanäle 23 sind durch bezüglich der Kanalbreite des ersten Strömungsfeldes 5 breite Stege 35 von dem ersten Strömungsfeld 5 getrennt, um eine Diffusion des wasserstoffhaltigen Gases von dem ersten Strömungsfeld 5 direkt in die Auslasskanäle 23 zu erschweren. Weiterhin sind die Auslasskanäle 23 vorliegend an einer Oberfläche der Bipolarplatte 3 angeordnet, können bei einer alternativen Ausbildung der Erfindung aber auch innerhalb der Bipolarplatte als Tunnel verlaufen oder mit Hilfe von Zwischenplatten gebildet sein.
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In 3 ist der Kathodenbereich 11 der Bipolarplatte 3 näher ersichtlich, wobei der Kathodenbereich 11 auf einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordnet ist, welche der den Anodenbereich 7 aufweisenden Seite gegenüberliegt. Das zweite Strömungsfeld 9 des Kathodenbereichs 11 ist wiederum von einer zweiten Kanalstruktur 36 gebildet.
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Der Kathodenbereich 11 weist vorliegend zwei Einlassöffnungen 37 auf, über welche das sauerstoffhaltige Gas dem Kathodenbereich 11 zuführbar ist. Die Einlassöffnungen 37 sind um 180 Grad versetzt zueinander außerhalb des im Wesentlichen kreisförmigen, einen Durchmesser von 117 mm aufweisenden und somit etwas größer als das erste Strömungsfeld 5 ausgebildeten zweiten Strömungsfeldes 9 angeordnet. Von den Einlassöffnungen 37 führt jeweils ein Zuführungskanal 39 in Richtung eines Mittelpunktes M2 des zweiten Strömungsfeldes 9 bis annähernd zu dem Mittelpunkt M2.
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Ein Querschnitt der Zuführungskanäle 39 nimmt im Wesentlichen ausgehend von den Einlassöffnungen 37 in Richtung des Mittelpunktes M2 ab, wobei sich innerhalb der Zuführungskanäle 39 eine im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Zuführungskanäle 39 angeordnete Zwischenstruktur 40 befindet.
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Von den Zuführungskanälen 39 gehen beidseits Verbindungskanäle 41 aus, welche über Verbindungsbereiche 43 mit den Zuführungskanälen 39 zusammenwirken. Die Verbindungskanäle 41 weisen eine in Abhängigkeit der Zellgröße gewählte Breite von 1 mm auf und verlaufen jeweils konzentrisch zu dem Mittelpunkt M2 des zweiten Strömungsfeldes 9 zu vier Abführungskanälen 45. Über die Abführungskanäle 45 wird das sauerstoffhaltige Gas, welches das zweite Strömungsfeld 9 unverbraucht durchströmt, und das sich aus dem wasserstoffhaltigen Gas und dem sauerstoffhaltigen Gas in der beschriebenen elektrochemischen Reaktion gebildete Wasser zu vier außerhalb des zweiten Strömungsfeldes 9 angeordneten Auslassöffnungen 47 geleitet.
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Eine Strömungsrichtung des sauerstoffhaltigen Gases in dem Kathodenbereich 11 ist dementsprechend von außen nach außen.
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Der Volumen- und Massenstrom von den Einlassöffnungen 37 zu den Auslassöffnungen 47 nimmt bei der vorliegenden Ausführungsform bei idealen Eingangsmassenströmen um etwa 10% bis 20% zu.
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Die Abführungskanäle 45 weisen ebenso wie die Zuführungskanäle 39 einen sich im Wesentlichen von den Auslassöffnungen 47 in Richtung des Mittelpunktes M2 reduzierenden Querschnitt auf, wobei in den Abführungskanälen 45 eine im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Abführungskanäle 45 verlaufende Zwischenstruktur 49 ausgebildet ist.
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Die Zwischenstrukturen 40 und 49 der Zuführungskanäle 39 und der Abführungskanäle 45 haben die Aufgabe einen Gasvolumenstrom gleichmäßig auf die Verbindungskanäle 41 zu verteilen bzw. Verwirbelungen in den Zuführungskanälen 39 und den Abführungskanälen 45 zu vermeiden. Weiterhin bilden sie eine Stütze zur Sicherstellung einer guten elektrischen Kontaktierung.
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Jeder Einlassöffnung 37 sind vorliegend zwei gegenüber den Einlassöffnungen 37 kleinere Auslassöffnungen 47 zugeordnet, wobei sich von den Zuführungskanälen 39 symmetrisch zu beiden Seiten Verbindungskanäle 41 in Richtung von zwei Abführungskanälen 45 erstrecken. Zwischen zwei Auslassöffnungen 47, welche mit zwei aneinander angrenzenden Abführungskanälen 45 zusammenwirken, liegt ein Winkel von etwa 30 Grad.
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Um eine möglichst gute Verteilung eines Volumenstromes des sauerstoffhaltigen Gases auf die Verbindungskanäle 41 zu ermöglichen, sind in den Verbindungsbereichen 43 der Zuführungskanäle 39 mit den Verbindungskanälen 41 teilweise mehrere Verbindungskanäle 41 über einen gemeinsamen Einlass 51 zusammengefasst. Im radial äußeren Bereich des zweiten Strömungsfeldes 9 vorgesehene Einlässe 51 wirken dabei mit mehreren Verbindungskanälen 41 zusammen als in einem radial inneren Bereich des zweiten Strömungsfeldes 9 vorgesehene Einlässe 51, welche teilweise mit nur einem einzigen Verbindungskanal 41 zusammenwirken.
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Der äußerste Einlass 51 wirkt vorliegend mit vier Verbindungskanälen 41 zusammen, die folgenden fünf, in Richtung des Mittelpunktes M2 verlagerten Einlässe 51 mit drei Verbindungskanälen 41, die nächsten zwei Einlässe 51 mit zwei Verbindungskanälen 41 und die innersten drei Einlässe 51 mit jeweils einem Verbindungskanal 41. Hierbei kann eine Kanalbreite der jeweiligen Einlässe 51 variieren, wobei insbesondere bei benachbarten Einlässen 51, welche mit der gleichen Anzahl von Verbindungskanälen 41 zusammenwirken, ein dem Mittelpunkt M2 zugewandter Einlass 51 eine größere Kanalbreite als ein dem Mittelpunkt M2 abgewandter Einlass 51 aufweist. Eine Formgestaltung der Einlässe 51 ist derart gewählt, dass eine gleichmäßige Aufteilung des gesamten Gasvolumenstroms über die Einlässe 51 auf sämtliche Verbindungskanäle 41 erfolgt.
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In Anbindungsbereichen der Verbindungskanäle 41 an die Abführungskanäle 45 sind die Verbindungskanäle 41 ebenso über Auslässe 53 zusammengefasst. Jeder Verbindungskanal 41 wirkt entsprechend mit einem Einlass 51 und einem Auslass 53 zusammen, welche einen vergleichbaren Abstand von dem Mittelpunkt M2 des zweiten Strömungsfeldes 9 aufweisen. Durch die konzentrisch zu dem Mittelpunkt M2 ausgebildete Form der Verbindungskanäle 41 zwischen den Einlässen 51 und den Auslässen 53 ist eine Weglänge von einer Einlassöffnung 37 zu einer Auslassöffnung 47 über jeden Verbindungskanal 41 im Wesentlichen gleich groß. Die Verbindungskanäle 41 sind jeweils über einen Steg voneinander getrennt, welche insbesondere eine der Kanalbreite der Verbindungskanäle 41 entsprechende Breite von etwa 1 mm aufweisen.
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Eine Form der Zuführungskanäle 39 mit den Zwischenstrukturen 40, der Einlässe 51, der Auslässe 53 und der Abführungskanäle 45 mit den Zwischenstrukturen 49 ist derart aufeinander abgestimmt, dass die Verteilerkanäle 41 auch bei variierenden Eingangsmassenströmen des sauerstoffhaltigen Gases gleichmäßig mit dem Gas versorgt werden und ein Druck und eine Geschwindigkeit des Gases an sämtlichen Einlässen 51 im Wesentlichen gleich ist, um ein zeitgleiches Durchströmen der Verbindungskanäle 41 zu erreichen. Ausgehend von dem Umfang des zweiten Strömungsfeldes 9 wird den Zuführungskanälen 39 durch die Verbindungskanäle 41 Gasvolumen entzogen. Durch den sich in Richtung des Mittelpunktes M2 verjüngenden Querschnitt der Zuführungskanäle 39 kann eine Geschwindigkeit des Gases in den Zuführungskanälen 39 und somit auch eine Geschwindigkeit des Gases in den in Richtung Mittelpunkt M2 folgenden Verbindungskanälen 41 dabei im Wesentlichen konstant gehalten werden.
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Auf einer bezüglich des Mittelpunktes M2 abgewandten Seite der Verbindungskanäle 41 sind jeder Auslassöffnung 47 zwei Kühlkanäle 55 zugeordnet, welche über jeweils eine gemeinsame Zuführung 57 mit den Zuführungskanälen 39 und über eine gemeinsame Abführung 59 mit den Abführungskanälen 45 in vergleichbarer Weise wie die Verbindungskanäle 41 zusammenwirken. Eine Kanalbreite der Kühlkanäle 55 zweier benachbarter Kühlkanäle 55 ist vorliegend 0,5 mm und somit kleiner als die Breite der Verbindungskanäle 41, wodurch eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Kühlkanälen 55 größer als eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Verbindungskanälen 41 ist. Hierdurch wird ein guter Kühleffekt erzielt. Ein Abstand der Kühlkanäle 55 zueinander beträgt vorliegend 0,5 mm.
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Über einen durch die Kühlkanäle 55 fließenden Volumenstrom des sauerstoffhaltigen Gases wird Wärme von der Bipolarplatte 3 abtransportiert, ohne dass hierfür separate Kühlstrukturen nötig sind. Der Wärmeabtransport über die Kühlkanäle 55 ist besonders günstig, da der Kathodenbereich 11 insgesamt etwas größer als der Anodenbereich 7 ausgebildet ist. Bei alternativ ausgebildeten Bipolarplatten kann eine Kühlung auch mittels einer separaten Kühlstruktur vorgenommen werden.
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Zur Bildung einer Brennstoffzelle wird die Zelle mit einer nicht näher dargestellten Flächendichtung abgedichtet, welche vorzugsweise teflonhaltig ist. Die Flächendichtung deckt die gesamten Zuführungskanäle 39 ab und lässt lediglich einen 117 mm großen, das zweite Strömungsfeld 9 umfassenden runden Bereich um den Mittelpunkt M2 frei.
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In 4 ist eine Draufsicht auf den Anodenbereich 7 der Bipolarplatte 3 gezeigt, wobei ersichtlich ist, wie die Einlassöffnungen 37 und die Auslassöffnungen 47 des Kathodenbereichs 11 hierzu angeordnet sind. Die Einlassöffnungen 37 sind auf einer Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Einströmbereichen 15 und entsprechend auf einer Orthogonalen zu den Auslasskanälen 23 angeordnet. Zwei um einen 30 Gradwinkel zueinander versetzte Auslassöffnungen 47 sind jeweils symmetrisch zu den Auslasskanälen 23 angeordnet und weisen einen größeren Abstand von den deckungsgleichen Mittelpunkten M1 und M2 als die Ausströmöffnungen 25 auf.
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Sämtliche Einlassöffnungen 37, Auslassöffnungen 47, Einströmöffnungen 13 und Ausströmöffnungen 25 sind als Bohrungen ausgebildet und befinden sich außerhalb der Strömungsfelder 5 und 9. Durch deren beschriebene Anordnung insbesondere im Zusammenwirken mit den jeweiligen Einströmbereichen 15 bzw. Zuführungskanälen 39 wird eine gute Strömungsverteilung der Gase und eine große Effektivität der Bipolarplatte 3 erzielt.
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Die sechseckige Bipolarplatte 3 weist vorliegend eine Kantenlänge von 100 mm auf, woraus sich eine maximale Diagonalerstreckung der Bipolarplatte 3 von 200 mm ergibt. Eine Verspannung der Brennstoffzelle wird vorliegend mit Schrauben mit einem Durchmesser von 7 mm durchgeführt. Um einen elektrischen Kurzschluss hierbei zu vermeiden, werden die Schrauben mit einer elektrisch nicht leitenden Hülse versehen.
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Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 3 ist gegenüber herkömmlichen Bipolarplatten bei der Stapelung zu den sogenannten Stacks vorteilhaft, da eine hierzu nötige Verspannung an den Rändern der Bipolarplatten 3 lediglich zu einer geringen Verformung der Bipolarplatten 3 führt. Eine Dichtung zwischen den Bipolarplatten 3 ist entsprechend einfach möglich.