EP-4205199-B1 - BIPOLAR PLATE HAVING INCLINED INFLOW DUCT PORTIONS FOR A FUEL CELL STACK, FUEL CELL SYSTEM AND MOTOR VEHICLE

Inventors

• Keitsch, Oliver
• Lippl, Fabian
• SIEBEL, Armin
• VOIGT, SEBASTIAN

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20220211

Claims (9)

1. Bipolar plate (12) for a fuel cell stack (10) of a fuel cell system having at least one main channel portion (14) which is configured for the supply of a fluid (R1, R2, K); multiple inflow channel portions (18) which branch off from the main channel portion (14); multiple distributor channel portions (24) which are fluidically connected to the inflow channel portions (18); wherein the inflow channel portions (18) are arranged along at least a portion of the circumferential contour (20) of the main channel portion (14) in such a manner that each inflow channel portion (18) with respect to a notional orthogonal (OT) to the circumferential contour (20) provided at that location in a respective connection region of the inflow channel portion (18) and main channel portion (14) is constructed to be inclined with respect to this orthogonal (OT) such that between the orthogonal (OT) and an inflow channel axis (EA) an angle of attack (α) is formed, wherein based on the inclined arrangement of the inflow channel portions (18) a twisted flow (DS) can be produced in the main channel portion (14) for the incoming fluid (R1, R2, K), characterized in that the inflow channel portions (18) are distributed along the entire circumferential contour (20) of the main channel portion (14).
2. Bipolar plate (12) according to claim 1, characterized in that the inflow channel portions (18) open in at least one collection channel portion (26) which is connected to the distributor channel portions (24).
3. Bipolar plate (12) according to claim 2, characterized in that the at least one collection channel portion (26) extends along a portion of the circumferential contour (20) of the main channel portion (18) or along the entire circumferential contour (20) of the main channel portion (18).
4. Bipolar plate (12) according to any one of the preceding claims, characterized in that the angle of attack (α) is in a range from 10° to 80°
5. Fuel cell stack (10) having multiple bipolar plates (12) according to any one of the preceding claims and having multiple membrane units which are arranged between two adjacent bipolar plates (12) in each case, wherein the respective main channel portions (14) of the bipolar plates (12) form a continuous main channel (16) for a fluid (R1, R2, K) of the fuel cell stack (10).
6. Fuel cell stack (10) according to claim 5, characterized in that the main channel (16) is connected to a fluid supply element (30) which is arranged at the input side, wherein the fluid supply element (30) is constructed in such a manner that the flow of the fluid (R1, R2, K) before or upon entry into the main channel (16) is at least proportionally caused to form a twisted flow (DS).
7. Fuel cell stack (10) according to claim 5 or 6, characterized in that at least the main channel portions (14) or the respective main channel (16) are constructed for the supply of the reagents (R1, R2), in particular hydrogen and air or oxygen, with inclined inflow channel portions (18) so that based on the inclined arrangement of the inflow channel portions (18) in the respective main channel (16) for the relevant reagents (R1, R2) a twisted flow (DS) for the incoming reagents (R1, R2) can be produced.
8. Fuel cell system having at least one fuel cell stack (10) according to any one of claims 5 to 7.
9. Motor vehicle, in particular an at least partially electrically driven motor vehicle, having a fuel cell system according to claim 8.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einem Hauptkanalabschnitt, der für die Zufuhr von einem Fluid eingerichtet ist; mehreren von dem Hauptkanalabschnitt abzweigenden Einströmkanalabschnitten; und mit mehreren mit den Einströmkanalabschnitten in Fluidverbindung stehenden Verteilkanalabschnitten. Aus der DE 10 2019 001 337 A1 ist eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel bekannt, bei der ausgangsseitige Ausströmkanalabschnitte, die mit einem Hauptkanal für die Abfuhr von einem Fluid verbunden sind, derart angeordnet sind, dass im Abfuhrhauptkanal eine strömungsbedingte Flüssigkeitsabscheidung erfolgen kann. Aus der CN 105839136 A ist eine kreisförmige Bipolarplatte bekannt, mit spiralförmig angeordneten Verteilkanälen. In der US 2017 / 0 033 373 A1 wird eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems beschrieben, bei der geneigt angeordnete Einströmkanalabschnitte vorliegen. In der EP 2 299 527 A1 wird eine Bipolarplatte beschrieben, bei der die Einströmkanalabschnitte unter einem Anstellwinkel zur Erzeugung einer Drallströmung ausgerichtet sind. Die EP 1 942 546 A1 beschreibt eine Bipolarplatte mit einer internen Verteilstruktur zur Erzeugung einer Drallströmung. Die DE 10 2019 001 337 A1 beschreibt eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei ausweislich der Figur 2 Einströmkanalabschnitte von wenigstens einem Teil der Umfangskontur des Hauptkanalabschnitts geneigt zu der orthogonalen zu einem Sammelkanalabschnitt geführt sind. Der Sammelkanalabschnitt ist parallel zu einer Seite des Hauptkanalabschnitts ausgerichtet und erstreckt sich nahezu über die gesamte Breite der Separatorplatte, um eine gleichmäßige Befüllung des entsprechend dimensionierten Flussfeldes zu ermöglichen. In Brennstoffzellen werden zur Medienversorgung der elektrochemisch aktiven Flächen sogenannte Bipolarplatten verwendet. Die Bipolarplatten und elektrochemisch aktive Membraneinheiten werden abwechselnd zu sogenannten Brennstoffzellenstapeln zusammengebaut, um eine möglichst hohe Spannung durch Reihenschaltung der Einzelzellen zu erreichen. Die Verteilung der Reaktionsmedien (Reaktanden) auf die üblicherweise mehreren hundert Einzelzellen erfolgt dabei über eine alle Einzelzellen durchstoßende Öffnung (Hauptkanalabschnitt), welche zur Bildung eines Hauptkanals für das betreffende Medium bzw. den betreffenden Reaktanden führt. Von diesen Hauptkanälen ausgehend werden die üblicherweise drei Medien bzw. Fluide (zwei Reaktanden und ein Kühlmittel) über radial orientierte Öffnungen in Richtung des Aktivbereichs eingeleitet. Der Hauptkanal muss aufgrund der aus wirtschaftlichen Gründen in gleicher Geometrie gefertigten Einzelzellen einen konstanten Querschnitt über seinen Verlauf besitzen. Daher ist die Einströmung von Fluid, insbesondere von Reaktanden in die ersten Einzelzellen des Stapels aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Hauptkanal (am Anfang des Hauptkanals, wo der vollständige Massenstrom des betreffenden Fluids anliegt) meist sehr schlecht. Durch den konstanten Querschnitt des Hauptkanals ist eine Optimierung der Gleichverteilung von Fluid auf die verschiedenen Einzelzellen nur erschwert möglich. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Bipolarplatte anzugeben, bei der die Medien bzw. Fluide, insbesondere die Reaktanden, beim Einströmen bzw. bei der Zufuhr in die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstapel besser verteilt werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte, ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Vorgeschlagen wird also eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einem Hauptkanalabschnitt, der für die Zufuhr von einem Fluid eingerichtet ist; mehreren von dem Hauptkanalabschnitt abzweigenden Einströmkanalabschnitten; und mit mehreren mit den Einströmkanalabschnitten in Fluidverbindung stehenden Verteilkanalabschnitten. Dabei ist vorgesehen, dass die Einströmkanalabschnitte entlang von wenigstens einem Teil der Umfangskontur des Hauptkanalabschnitts derart angeordnet sind, dass jeder Einströmkanalabschnitt bezogen auf eine in einem jeweiligen Verbindungsbereich von Einströmkanalabschnitt und Hauptkanalabschnitt gedachte Orthogonale zu der dort vorhandenen Umfangskontur, geneigt zu dieser Orthogonalen ausgeführt ist, derart dass zwischen der Orthogonalen und einer Einströmkanalachse ein Anstellwinkel gebildet ist, wobei basierend auf der geneigten Anordnung der Einströmkanalabschnitte im Hauptkanalabschnitt eine Drallströmung für das einströmende Fluid erzeugbar ist. Durch eine geneigte Anordnung der Einströmkanalabschnitte, die auch als quasi-tangentiale Ausrichtung der Einströmkan