DE102020203040A1

DE102020203040A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020203040A1
Application number: DE102020203040.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Berger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-16
Also published as: WO2021180407A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht, eine Bipolarplatte (10) mit drei getrennten Kanalstrukturen (29) mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid und die Kanalstrukturen (29) einen Einlassbereich (37) und einen Auslassbereich (38) für das Oxidationsmittel, den Brennstoff und das Kühlfluid aufweisen, wenigstens einen Zuführkanal (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessfluid in die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Zuführkanal (48) zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessfluid in die Gasräume für Brennstoff der Brennstoffzellen, wenigstens einen Zuführkanal (50) für Kühlmittel als Prozessfluid zur Zuleitung des Kühlmittels in einen Kanal für Kühlmittel, Verteilungsstrukturen (45, 46) zur Leitung und Verteilung der Prozessfluide von den Zuführkanälen (43, 48, 50) in die Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatten (10), wobei in je einer Brennstoffzelle in einer Richtung von den Zuführkanälen (43, 48, 50) zu dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) eine erste Verteilungsstruktur (45) für zwei Prozessfluide als erstes und zweites Prozessfluid ausgebildet ist und in einer Richtung von den Zuführkanälen (43, 48, 50) zu dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) eine zweite Verteilungsstruktur (46) für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur (45) und zusätzlich für ein drittes Prozessfluid ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen übereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. An den Kathoden entsteht aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, sodass es dadurch an dem Gasraum für Oxidationsmittel, insbesondere an der Gasdiffusionsschicht, zu einer Anreicherung von Wasser bzw. Kondensat kommt. Die Anreicherung von Wasser im Bereich der Kathode, das heißt insbesondere an der Gasdiffusionsschicht für die Kathode, führt zu einer Unterversorgung der Katalysatorschicht mit Oxidationsmittel aufgrund der Flutung der Gasdiffusionsschicht mit Wasser, sodass dadurch die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung stark abnimmt. Ferner verursacht dies eine erhöhte Alterung der Brennstoffzelle aufgrund der Anreicherung mit Wasser. Aus diesem Grund wird versucht, derartige Anreicherungen von Wasser in dem Gasraum für Oxidationsmittel zu vermeiden. Die Luft aus der Umgebung wird mit einer Gasfördereinrichtung, beispielsweise einem Gebläse oder einem Kompressor, in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet.
Das Oxidationsmittel wird durch wenigsten einen Zuführkanal in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet und durch wenigstens einen Abführkanal aus den Gasräumen für Oxidationsmittel ausgebleitet. In den Bipolarplatten und den Membranelektrodenanordnungen sind Verlängerungen als Abdichtplatten ausgebildet und in den Abdichtplatten sind Fluidöffnungen eingearbeitet. Die Fluidöffnungen sind fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit ausgerichtet, so dass die Fluidöffnungen den wenigstens einen Zuführkanal und den wenigstens einen Abführkanal bilden. Zwischen den Abdichtplatten im Bereich der Fluidöffnungen sind Dichtungen angeordnet, damit das Oxidationsmittel nicht unkontrolliert in die Zwischenräume zwischen den Abdichtplatten gelangt. Das Oxidationsmittel wird in die Kanäle für Oxidationsmittel aus dem wenigstens einen Zuführkanal eingeleitet. Der Zuführkanal für Oxidationsmittel weist eine kleine Querausdehnung auf, so dass in einer Verteilungsstruktur zwischen dem Zuführkanal für Oxidationsmittel und einem Einlassbereich der Kanalstruktur mit den Kanälen für Oxidationsmittel eine große Querverteilung notwendig ist. Dies ist nachteilig, weil dadurch das Oxidationsmittel bereits mit einer unterschiedlichen Temperatur und Druck in die Kanäle für Oxidationsmittel einströmt. Dies gilt analog für das Kühlmittel und den Brennstoff als die weiteren Prozessfluide der Brennstoffzelle, so dass auch diese mit den genannten Nachteilen in die Kanäle für Kühlmittel und Brennstoff an den anderen Kanalstrukturen der Bipolarplatte einströmen. Zu- und Abführkanäle für Brennstoff und Kühlmittel sind in analoger Weise als Fluidöffnungen an den Abdichtplatten ausgebildet. Aufgrund der Einleitung je eines Prozessfluides nur an einem Teilbereich als Einlassbereich an einem Ende der Kanalstruktur, strömen die Prozessfluide nicht überall parallel durch die Kanalstruktur, so dass nur in einem geringen Umfang eine Wärmeübertragung zwischen den Prozessfluiden innerhalb der Kanalstrukturen möglich ist. Dies führt zu großen Unterschieden in der Temperatur und der Feuchtigkeit in den Gasräumen für Oxidationsmittel und Brennstoff. Damit nimmt die Leistung der Brennstoffzelle ab und die Alterung wird erhöht.
Die DE 10 2006 019 114 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in zumindest zwei Stufen angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in jeder der zumindest zwei Stufen in einer parallelen Anordnung angeordnet sind und die Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei eine erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist und eine zweite Stufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei die erste Vielzahl von Brennstoffzellen eine größere Anzahl von Brennstoffzellen als die zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst; einem Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe; zumindest einem Einlass/Austragsverteiler für Anodengas, wobei der Einlass/Austragsverteiler für Anodengas ermöglicht, dass Anodenabgas die erste Stufe verlassen kann, und ermöglicht, dass das Anodenabgas in die zweite Stufe eintreten kann; und einem Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der zweiten Stufe.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht, eine Bipolarplatte mit drei getrennten Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid und die Kanalstrukturen einen Einlassbereich und einen Auslassbereich für das Oxidationsmittel, den Brennstoff und das Kühlfluid aufweisen, wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessfluid in die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessfluid in die Gasräume für Brennstoff der Brennstoffzellen, wenigstens einen Zuführkanal für Kühlmittel als Prozessfluid zur Zuleitung des Kühlmittels in einen Kanal für Kühlmittel, Verteilungsstrukturen zur Leitung und Verteilung der Prozessfluide von den Zuführkanälen in die Kanalstrukturen der Bipolarplatten, wobei in je einer Brennstoffzelle in einer Richtung von den Zuführkanälen zu dem Einlassbereich der Kanalstrukturen der Bipolarplatte eine erste Verteilungsstruktur für zwei Prozessfluide als erstes und zweites Prozessfluid ausgebildet ist und in einer Richtung von den Zuführkanälen zu dem Einlassbereich der Kanalstrukturen der Bipolarplatte eine zweite Verteilungsstruktur für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur und zusätzlich für ein drittes Prozessfluid ausgebildet ist.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die zweite Verteilungsstruktur zwischen der ersten Verteilungsstruktur und dem Einlassbereich der Kanalstrukturen der Bipolarplatte ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Verteilungsstruktur nur für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet, so dass in der ersten Verteilungsstruktur nur erste und zweite Verteilungskanäle für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet sind.
In einer zusätzlichen Variante sind die Zuführkanäle für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur in der ersten Verteilungsstruktur ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal für das dritte Prozessfluid, insbesondere ausschließlich, in der zweiten Verteilungsstruktur ausgebildet.
Vorzugsweise sind in der ersten Verteilungsstruktur getrennte erstes und zweite Verteilungskanäle für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet und die ersten und zweiten Verteilungskanäle sind in einer Richtung senkrecht zu von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen getrennt voneinander ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind in der zweiten Verteilungsstruktur getrennte erste, zweite und dritte Verteilungskanäle für das erste, zweite und dritte Prozessfluid ausgebildet.
In einer weiteren Variante sind zwei der ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen getrennt voneinander ausgebildet und/oder einer der ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ist neben einem der anderen ersten, zweiten oder dritten Verteilungskanal ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle als Längskanäle in der zweiten Verteilungsstruktur im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.
Zweckmäßig weist die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere die Brennstoffzellen, in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht bei einer Ausbildung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur zwischen einer Querseite der Brennstoffzelleneinheit und der Kanalstruktur der Bipolarplatte die Querausdehnung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur im Wesentlichen der Querausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das erste Prozessfluid das Oxidationsmittel, das zweite Prozessfluid das Kühlmittel ist und das dritte Prozessfluid der Brennstoff ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Zuführkanäle in Längsrichtung nebeneinander und in Querrichtung im Wesentlichen mittig angeordnet, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Querrichtung zwischen der Querseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen mittig bedeutet vorzugweise, dass in einem Schnitt parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen die Mittelpunkte oder Schwerpunkte der Zuführkanäle einen Abstand zu einer zentrischen Längsmittelgerade der Brennstoffzellen aufweisen, der kleiner ist als 30%, 20% oder 10% der Hälfte der Querausdehnung der Brennstoffzellen.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Oxidationsmittel im Wesentlichen der Querausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Querrichtung zwischen der Querseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Es ist somit im Wesentlichen keine Querverteilung des Oxidationsmittels von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur notwendig.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Zuführkanäle in Querrichtung nebeneinander und in Längsrichtung im Wesentlichen mittig angeordnet, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Längsrichtung zwischen der Längsseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen mittig bedeutet vorzugweise, dass in einem Schnitt parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen die Mittelpunkte oder Schwerpunkte der Zuführkanäle einen Abstand zu einer zentrischen Quermittelgerade der Brennstoffzellen aufweisen, der kleiner ist als 30%, 20% oder 10% der Hälfte der Längsausdehnung der Brennstoffzellen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in Längsrichtung von der Querseite zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur der Bipolarplatte zuerst der wenigstens eine Zuführkanal für Oxidationsmittel und anschließend der wenigstens eine Zuführkanal für Kühlmittel ausgebildet in der ersten Verteilungsstruktur und darauffolgend in Längsrichtung der wenigstens eine Zuführkanal für Brennstoff in der zweiten Verteilungsstruktur.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht bei einer Ausbildung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur zwischen einer Längsseite der Brennstoffzelleneinheit und der Kanalstruktur der Bipolarplatte die Längsausdehnung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur im Wesentlichen der Längsausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in Querrichtung von der Längsseite zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur der Bipolarplatte zuerst der wenigstens Zuführkanal für Oxidationsmittel und anschließend der wenigstens eine Zuführkanal für Kühlmittel ausgebildet in der ersten Verteilungsstruktur und darauffolgend in Querrichtung der wenigstens eine Zuführkanal für Brennstoff in der zweiten Verteilungsstruktur.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Brennstoff im Wesentlichen der Längsausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Längsrichtung zwischen der Längsseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Es ist somit im Wesentlichen keine Längsverteilung des Brennstoffes von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur notwendig.
Zweckmäßig ist die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Kühlmittel kleiner ist als 90%, 70% oder 50% der Querausdehnung der Einlassbereiches der Kanalstruktur.
In einer weiteren Variante ist die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Brennstoff kleiner ist als 90%, 70% oder 50% der Querausdehnung der Einlassbereiches der Kanalstruktur.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Prozessfluides in dem Zuführkanal und/oder Abführkanal. Im Wesentlichen senkrecht bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Querausdehnung des Einlassbereiches im Wesentlichen der Querausdehnung der Kanalstruktur bei einer Ausbildung des Einlassbereiches zwischen den Querseiten der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Längsausdehnung des Einlassbereiches im Wesentlichen der Längsausdehnung der Kanalstruktur bei einer Ausbildung des Einlassbereiches zwischen den Längsseiten der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind sämtliche Kanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in den Kanalstrukturen der Bipolarplatten dahingehend ausgebildet, so dass das Oxidationsmittel, der Brennstoff und das Kühlmittel die Kanäle im Wesentlichen parallel durchströmen.
Im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff aus den Brennstoffzellen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Kühlmittel aus den Brennstoffzellen.
In einer weiteren Variante sind in der ersten Verteilungsstruktur und/oder zweiten Verteilungsstruktur die ersten Verteilungskanäle und/oder zweiten Verteilungskanäle und/oder dritten Verteilungskanäle in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen getrennt voneinander in zwei oder drei Ebenen ausgebildet.
In einer weiteren Variante sind in der ersten Verteilungsstruktur und/oder zweiten Verteilungsstruktur die ersten Verteilungskanäle und/oder zweiten Verteilungskanäle und/oder dritten Verteilungskanäle in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen neben einem anderen ersten, zweiten oder dritten Verteilungskanal in wenigstens einer Ebene ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens ein, insbesondere sind sämtliche Merkmale, offenbart in diesem Schutzrecht bezüglich einer Brennstoffzelle bei sämtlichen Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt, insbesondere übereinander.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder eine Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 V erbi ndu ngsvorrichtu ngen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 eine vergrößerte Draufsicht der Bipolarplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel,
8 einen Schnitt A-A gemäß 7 der Bipolarplatte,
9 einen Schnitt B-B gemäß 7 der Bipolarplatte,
10 einen Schnitt C-C gemäß 7 der Bipolarplatte und
11 eine vergrößerte Draufsicht der Bipolarplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit in dem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 gestapelt angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen 42 an Abdichtplatten 41 als Verlängerung am Endbereich der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6 und 7) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
Die 1 bis 5 dienen lediglich zur Darstellung der grundlegenden Funktionsweise von Brennstoffzellen 2 und erfindungswesentliche Merkmale sind in den 1 bis 5 teilweise nicht abgebildet.
In den 6 bis 10 ist eine Brennstoffzelle 2 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Bipolarplatte 10 ist aus zwei umgeformten Platten aufgebaut, nämlich einer oberen Platte und einer unteren Platte (2 und 3), so dass sich in der Bipolarplatte 10 die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29 ausbilden. Die Fluidöffnungen 42 an den Abdichtplatten 41 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 43, 44, 48, 49, 50, 51 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 41 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 42 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 43, 44, 48, 49, 50, 51. Die Bipolarplatten 10 (6 und 7) und Membranelektrodenanordnungen 6 sind im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung als Länge in einer Längsrichtung 57 auf und eine Querausdehnung in einer Querrichtung 58 auf. Die im Wesentlichen schichtförmigen Bipolarplatten 10, Membranelektrodenanordnungen 6 und Gasdiffusionsschichten 9 spannen fiktive Ebenen 52 auf. Eine Richtung 53 ist senkrecht zu den fiktiven Ebenen 52 ausgerichtet. Die Zeichenebenen der 6 und 7 sind in den fiktiven Ebenen 52 bzw. parallel zu diesen ausgerichtet.
Die Brennstoffzelleneinheit 1, die Brennstoffzellen 2 und die Bipolarplatten 10 mit den Abdichtplatten 41 weisen zwei gegenüberliegende Längsseiten 55 gegenüberliegend in Querrichtung 58 als Enden in Querrichtung 58 und zwei gegenüberliegende Querseiten 56 gegenüberliegend in Längsrichtung 57 als Enden in Längsrichtung 57 auf. Zwischen der in 6 und 7 links dargestellten Querseite 56 und einem Einlassbereich 37 an der Kanalstruktur 29 zum Einleiten eines ersten Prozessfluides als das Oxidationsmittel in die Kanäle 13, eines zweiten Prozessfluides als das Kühlmittel in den Kanäle 14 und eines dritten Prozessfluides als den Brennstoff in den Kanäle 12 sind eine erste Verteilungsstruktur 45 und eine zweite Verteilungsstruktur 46 ausgebildet. In der ersten Verteilungsstruktur 45 ist ein Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel und ein Zuführkanal 50 für Kühlmittel angeordnet. In der zweiten Verteilungsstruktur 46 ist ein Zuführkanal 48 für Brennstoff ausgebildet. Die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur 29 entspricht der Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur 29 und ist geringfügig kleiner als die Querausdehnung der Bipolarplatte 10, d. h. dem Abstand in Querrichtung 58 zwischen den beiden Längsseiten 55. Die Querausdehnungen 69, 70 entsprechen der Querausdehnung 68 der Kanalstruktur 29, d. h die Ein- und Auslassbereiche 37, 38 sind an den gesamten Endbereich in Längsrichtung 57 der Kanalstruktur 29 ausgebildet. Die Längsausdehnung 67 der Kanalstruktur 29 beträgt ungefähr 60% bis 90% der Längsausdehnung der Bipolarplatte 10. Die Längsausdehnung 71 der ersten Verteilungsstruktur 45 ist wesentlich größer, ungefähr um das 2-Fache größer, als die Längsausdehnung 73 der zweiten Verteilungsstruktur 46, da in der ersten Verteilungsstruktur 45 in Längsrichtung 57 nebeneinander der Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel und der Zuführkanal 50 für Kühlmittel angeordnet sind. Die Querausdehnung 72 der ersten Verteilungsstruktur 45 entspricht der Querausdehnung 74 der zweiten Verteilungsstruktur 46 und die Querausdehnungen 72, 74 der ersten und zweiten Verteilungsstrukturen 45, 46 sind im Wesentlichen identisch zu der Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur 29.
Die Querausdehnung 85 des Zuführkanales 43 für Oxidationsmittel ist nur geringfügig kleiner als die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Oxidationsmittels von dem Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel, welche an dem Einlassbereich 37 beginnen, im Wesentlichen keine Querverteilung des Oxidationsmittels in Querrichtung 58, sondern im Wesentlichen nur eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57 notwendig ist. Aus diesem Grund sind von dem Zuführkanal 43 zu den Einlassbereich 37 im Wesentlichen nur erste Verteilungskanäle 59 als erstes Längsverteilungskanäle 62 geführt für das erste Prozessfluid als das Oxidationsmittel. Die ersten Verteilungskanäle 59 als die ersten Längsverteilungskanäle 62 sind in der ersten Verteilungsstruktur 45 und der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet.
Die Querausdehnung 86 des Zuführkanales 50 für Kühlmittel ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Kühlmittels von dem Zuführkanal 50 für Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel, welche an dem Einlassbereich 37 beginnen, sowohl eine Querverteilung des Kühlmittels in Querrichtung 58 als auch eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57 notwendig ist. Aus diesem Grund sind von dem Zuführkanal 50 zu den Einlassbereich 37 zweite Verteilungskanäle 60 als zweite Längsverteilungskanäle 63 in Längsrichtung 57 und zweite Querverteilungskanäle 64 in Querrichtung 58 geführt für das zweite Prozessfluid als das Kühlmittel. Die zweiten Querverteilungskanäle 64 sind nur in der ersten Verteilungsstruktur 45 ausgebildet und die zweiten Längsverteilungskanäle 63 sind in der ersten und zweiten Verteilungsstruktur 45,46 ausgebildet. Die zweiten Querverteilungskanäle 64 münden in den Zuführkanal 50 für Kühlmittel, so dass das Kühlmittel aus dem Zuführkanal 50 zuerst in die zweiten Querverteilungskanäle 64 strömt und anschließend in die zweiten Längsverteilungskanäle 63.
In der ersten Verteilungsstruktur 45 sind die ersten Verteilungskanäle 59 und die zweiten Verteilungskanäle 60 in der Richtung 53 senkrecht zu den von den Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen 52 getrennt voneinander ausgebildet in zwei unterschiedlichen Ebenen (8). In der zweiten Verteilungsstruktur 46 sind die ersten und zweiten Verteilungskanäle 59, 60 nebeneinander in Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 52 in einer Ebene angeordnet (9 und 10). In der zweiten Verteilungsstruktur 46 sind einerseits die die ersten und zweiten Verteilungskanäle 59, 60 und andererseits die dritten Verteilungskanäle 61 in der Richtung 53 senkrecht zu den von den Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen 52 getrennt voneinander ausgebildet in zwei unterschiedlichen Ebenen (10).
Die Querausdehnung 87 des Zuführkanales 48 für Brennstoff ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Brennstoffes von dem Zuführkanal 48 für Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff, welche an dem Einlassbereich 37 beginnen, sowohl eine Querverteilung des Kühlmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, als auch eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Zuführkanal 48 zu den Einlassbereich 37 dritte Verteilungskanäle 61 als dritte Längsverteilungskanäle 65 in Längsrichtung 57 und dritte Querverteilungskanäle 66 in Querrichtung 58 geführt für das dritte Prozessfluid als der Brennstoff. Die dritten Verteilungskanäle 61 als die dritten Längsverteilungskanäle 65 und die dritten Querverteilungskanäle 66 sind nur an der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet, weil der Zuführkanal 48 für Brennstoff in der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet ist. Die dritten Querverteilungskanäle 66 münden in den Zuführkanal 48 für Brennstoff, so dass der Brennstoff aus dem Zuführkanal 48 zuerst in die dritten Querverteilungskanäle 66 strömt und anschließend in die dritten Längsverteilungskanäle 65.
Die Prozessfluide, nämlich das Oxidationsmittel, das Kühlmittel und der Brennstoff, werden an dem Endbereich der zweiten Verteilungsstruktur 46 von den ersten Längsverteilungskanälen 62 für das Oxidationsmittel in die Kanäle 13 eingeleitet, von den zweiten Längsverteilungskanälen 63 für das Kühlmittel in die Kanäle 14 eingeleitet und von den dritten Längsverteilungskanäle 65 für den Brennstoff in die Kanäle 12 eingeleitet. Nachdem die Prozessfluide die Kanäle 12, 13, 14 durchströmt haben, treten diese, d. h. die Prozessfluide, wieder an dem Auslassbereich 38 aus der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 aus. Zwischen dem Auslassbereich 38 und der in 6 und 7 rechts dargestellten Querseite 56 sind eine erste Sammlungsstruktur 75 und eine zweite Sammlungsstruktur 76 ausgebildet. Die erste Sammlungsstruktur 75 ist im Wesentlichen achsensymmetrisch und/oder komplementär zu der ersten Verteilungsstruktur 45 ausgebildet und die zweite Sammlungsstruktur 76 ist im Wesentlichen achsensymmetrisch und/oder komplementär zu der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet. In der ersten Sammlungsstruktur 75 sind deshalb der Abführkanal 44 für Oxidationsmittel und der Abführkanal 51 für Kühlmittel angeordnet. In der zweiten Sammlungsstruktur 76 ist der Abführkanal 49 für Brennstoff ausgebildet.
Die Querausdehnung des Abführkanales 44 für Oxidationsmittel ist nur geringfügig kleiner als die Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur 29, so dass für das Leiten des Oxidationsmittels von den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche an dem Auslassbereich 38 enden, zu dem Abführkanal 44 für Oxidationsmittel im Wesentlichen keine Querverteilung des Oxidationsmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, sondern im Wesentlichen nur eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Auslassbereich 38 zu dem Abführkanal 44 im Wesentlichen nur erste Sammlungskanäle 77 als erste Längssammlungskanäle 80 geführt für das erste Prozessfluid als das Oxidationsmittel. Die ersten Sammlungskanäle 77 als die ersten Längssammlungskanäle 80 sind in der ersten Sammlungsstruktur 75 und der zweiten Sammlungsstruktur 76 ausgebildet.
Die Querausdehnung des Abführkanales 51 für Kühlmittel ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Kühlmittels von den Kanälen 14 für Kühlmittel, welche an dem Auslassbereich 38 enden, in den Abführkanal 51 für Kühlmittel, sowohl eine Quersammlung des Kühlmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, als auch eine Längssammlung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Auslassbereich 38 in den Abführkanal 51 zweite Sammlungskanäle 78 als zweite Längssammlungskanäle 81 in Längsrichtung 57 und zweite Quersammlungskanäle 82 in Querrichtung 58 geführt für das zweite Prozessfluid als das Kühlmittel. Die zweiten Quersammlungskanäle 82 sind nur in der ersten Sammlungsstruktur 75 ausgebildet und die zweiten Längssammlungskanäle 81 sind in der ersten und zweiten Sammlungsstruktur 75, 76 ausgebildet. Die zweiten Quersammlungskanäle 82 münden in den Abführkanal 51 für Kühlmittel, so dass das Kühlmittel aus den Kanälen 14 zuerst in die zweiten Längssammlungskanäle 81, anschließend in die zweiten Quersammlungskanäle 82 und von den zweiten Quersammlungskanälen 82 in den Abführkanal 51 für Kühlmittel einströmt.
Die Querausdehnung des Abführkanales 49 für Brennstoff ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Brennstoffes von den Kanäle 12 für Brennstoff, welche an dem Auslassbereich 38 enden, in den Abführkanal 49 für Brennstoff sowohl eine Querverteilung des Kühlmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, als auch eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Auslassbereich 38 zu dem Abführkanal 49 dritte Sammlungskanäle 79 als dritte Längssammlungskanäle 83 in Längsrichtung 57 und dritte Quersammlungskanäle 84 in Querrichtung 58 geführt für das dritte Prozessfluid als der Brennstoff. Die dritten Sammlungskanäle 79 als die dritten Längssammlungskanäle 83 und die dritten Quersammlungskanäle 84 sind nur an der zweiten Sammlungsstruktur 76 ausgebildet, weil der Abführkanal 49 für Brennstoff in der zweiten Sammlungsstruktur 76 ausgebildet ist.
Die dritten Quersammlungskanäle 84 münden in den Abführkanal 49 für Brennstoff, so dass der Brennstoff aus Kanälen 12 zuerst in die dritten Längssammlungskanäle 83 einströmt, anschließend in die dritten Quersammlungskanäle 84 und von den dritten Quersammlungskanälen 84 in den Abführkanal 49 für Brennstoff eingeleitet wird.
In dem oben beschriebenen, ersten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Verteilungsstruktur 45, 46 zwischen den Querseiten 56 und der Kanalstruktur 29 angeordnet, so dass die Prozessfluide in Längsrichtung 57 im Wesentlichen parallel durch die Kanalstruktur 29 strömen und der Ein- und Auslassbereich 37, 38 erstreckt sich in Querrichtung. Im ersten Ausführungsbeispiel entspricht die Querausdehnung des Ein- und Auslassbereiches 37, 38 im Wesentlichen der Querausdehnung 68 der Kanalstruktur 29.
In 11 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel bei einer geometrisch anderen Anordnung des Zuführkanales 48 für Brennstoff, des Zuführkanales 50 für Kühlmittel, des Abführkanales 49 für Brennstoff und des Abführkanales 51 für Kühlmittel.
In einem zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Verteilungsstruktur 45, 46 zwischen den Längsseiten 55 und der Kanalstruktur 29 angeordnet, so dass die Prozessfluide in Querrichtung 58 im Wesentlichen parallel durch die Kanalstruktur 29 strömen und der Ein- und Auslassbereich 37, 38 erstreckt sich in Längsrichtung. Im zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Längsausdehnung des Ein- und Auslassbereiches 37, 38 im Wesentlichen der Längsausdehnung 67 der Kanalstruktur 29.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Sämtliche Prozessfluide werden in der ersten und zweiten Verteilungsstruktur 45, 46 auf die gesamte Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 verteilt, so dass sämtliche Prozessfluide bezüglich des Volumenstromes gleichmäßig verteilt über die Querrichtung 58 in den Einlassbereich 37 der Kanalstruktur 29 parallel zueinander einströmen. Damit können die Prozessfluide die gesamten Kanalstrukturen 29 bezüglich des Volumenstromes gleichmäßig verteilt über die Querrichtung 58 durch die Kanalstrukturen 29 durchströmen und in dieser Weise aus dem Auslassbereich 38 wieder austreten in die erste und zweite Sammlungsstruktur 75, 76. In vorteilhafter Weise treten damit kleine Unterschiede in der Temperatur und der Feuchtigkeit in den Gasräumen 31, 32 für Oxidationsmittel und Brennstoff sowie in den Kanälen 14 für Kühlmittel auf. Damit weist die Brennstoffzelleneinheit 1 eine große Leistung pro Masseneinheit auf bei einer geringfügigen Alterung während des Betriebes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006019114 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9), eine Bipolarplatte (10) mit drei getrennten Kanalstrukturen (29) mit Kanälen (12, 13, 14) für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid und die Kanalstrukturen (29) einen Einlassbereich (37) und einen Auslassbereich (38) für das Oxidationsmittel, den Brennstoff und das Kühlfluid aufweisen, - wenigstens einen Zuführkanal (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessfluid in die Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Zuführkanal (48) zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessfluid in die Gasräume (31) für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Zuführkanal (50) für Kühlmittel als Prozessfluid zur Zuleitung des Kühlmittels in einen Kanal (14) für Kühlmittel, - Verteilungsstrukturen (45, 46) zur Leitung und Verteilung der Prozessfluide von den Zuführkanälen (43, 48, 50) in die Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatten (10), dadurch gekennzeichnet, dass in je einer Brennstoffzelle (2) in einer Richtung von den Zuführkanälen (43, 48, 50) zu dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) eine erste Verteilungsstruktur (45) für zwei Prozessfluide als erstes und zweites Prozessfluid ausgebildet ist und in einer Richtung von den Zuführkanälen (43, 48, 50) zu dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) eine zweite Verteilungsstruktur (46) für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur (45) und zusätzlich für ein drittes Prozessfluid ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verteilungsstruktur (46) zwischen der ersten Verteilungsstruktur (45) und dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilungsstruktur (45) nur für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet ist, so dass in der ersten Verteilungsstruktur (45) nur erste und zweite Verteilungskanäle (59, 60) für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (43, 48, 50) für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur (45) in der ersten Verteilungsstruktur (45) ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zuführkanal (43, 48, 50) für das dritte Prozessfluid, insbesondere ausschließlich, in der zweiten Verteilungsstruktur (46) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verteilungsstruktur (45) getrennte erste und zweite Verteilungskanäle (59, 60) für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet sind und die ersten und zweiten Verteilungskanäle (59, 60) in einer Richtung (53) senkrecht zu von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) getrennt voneinander ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Verteilungsstruktur (46) getrennte erstes, zweite und dritte Verteilungskanäle (59, 60, 61) für das erste, zweite und dritte Prozessfluid ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle (59, 60, 61) in einer Richtung (53) senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) getrennt voneinander ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle (59, 60, 61) als Längsverteilungskanäle (62, 63, 65) in der zweiten Verteilungsstruktur (46) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1), insbesondere die Brennstoffzellen (2), in einer Längsrichtung (57) eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung (58) eine Querausdehnung aufweist und die Längsrichtung (57) und Querrichtung (58) zueinander senkrecht und parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) ausgerichtet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur (45, 46) zwischen einer Querseite (56) der Brennstoffzelleneinheit (1) und der Kanalstruktur (29) der Bipolarplatte (29) die Querausdehnung (72, 74) der ersten und zweiten Verteilungsstruktur (45, 46) im Wesentlichen der Querausdehnung (69) des Einlassbereiches (37) der Kanalstruktur (29) entspricht.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prozessfluid das Oxidationsmittel ist, das zweite Prozessfluid das Kühlmittel ist und das dritte Prozessfluid der Brennstoff ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (43, 48, 50) in Längsrichtung (57) nebeneinander und in Querrichtung im Wesentlichen mittig angeordnet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querausdehnung (85) oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales (43) für Oxidationsmittel im Wesentlichen der Querausdehnung (69) des Einlassbereiches (37) der Kanalstruktur (29) entspricht.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen (2), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit als eine Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.