DE102020203048A1

DE102020203048A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020203048A1
Application number: DE102020203048.0A
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

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (6), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine Gasdiffusionsschicht (9), wobei die Protonenaustauschermembran (6), die Anode (7) und die Kathode (8) eine Membranelektrodenanordnung (6) bilden, wenigstens einen Zuführkanal (43) als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), wenigstens einen Abführkanal (44) als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), wobei wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45, 46, 47) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Membranelektrodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 2, eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3 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. Zu- und Abführkanäle für Brennstoff und Kühlmittel sind in analoger Weise als Fluidöffnungen an den Abdichtplatten ausgebildet.
Der wenigstens eine Zuführkanal für Oxidationsmittel ist an einer Seite bzw. im Bereich eines Endes der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionssicht angeordnet und der wenigstens eine Abführkanal für Oxidationsmittel an einer anderen gegenüberliegenden Seite bzw. im Bereich eines anderen gegenüberliegenden Endes der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionssicht angeordnet. Das Oxidationsmittel muss damit bei einer Anordnung des wenigstens einen Zuführkanales und wenigstens einen Abführkanales an einer Längsseite die gesamte Querausdehnung des Gasraumes, d. h. die gesamte Querausdehnung der Kanäle für Oxidationsmittel und der Gasdiffusionsschicht für Oxidationsmittel, durchströmen, so dass dies zu großen Unterschieden in der Temperatur und der Feuchtigkeit in dem Gasraum für Oxidationsmittel führt. Ferner treten in nachteilige Weise ein großer Druckabfall und eine erhebliche Sauerstoffverarmung des Oxidationsmittels bis zum Ausströmen aus dem Gasraum auf. 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
Erfindungsgemäßes Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Bipolarplatte umfassend drei getrennte Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, vorzugsweise eine Abdichtplatte, wenigstens einen Zuführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, als Oxidationsmittelkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, insbesondere in wenigstens einen Kanal für Oxidationsmittel der Kanalstruktur, wenigstens einen Abführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, als Oxidationsmittelkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, insbesondere aus wenigstens einem Kanal für Oxidationsmittel der Kanalstruktur, wobei wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte angeordnet ist.
Erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Membranelektrodenanordnung umfassend eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise eine Abdichtplatte, wenigstens einen Zuführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung, als Oxidationsmittelkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Abführkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung als Oxidationsmittelkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wobei wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung, zwischen der Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte angeordnet.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen der Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnung angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal im Wesentlichen senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanales ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Oxidationsmittelkanal. Die Ausrichtung des wenigstens eine ersten Oxidationsmittelkanales im Wesentlichen senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens eine Oxidationsmittelkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal im Wesentlichen senkrecht zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanales ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Oxidationsmittelkanal. Die Ausrichtung des wenigstens eine ersten Oxidationsmittelkanales im Wesentlichen senkrecht zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens eine Oxidationsmittelkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.
Zweckmäßig unterteilt der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte die Kanalstrukturen in je einen ersten Teil der Kanalstrukturen und je einen zweiten Teil der Kanalstrukturen. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Kanalstrukturen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig in der Bipolarplatte ausgebildet.
Zweckmäßig unterteilt der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnungen die Membranelektrodenanordnung in je einen ersten Teil der Membranelektrodenanordnung und je einen zweiten Teil der Membranelektrodenanordnung. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Membranelektrodenanordnungen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig in der Membranelektrodenanordnung ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Bipolarplatte in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Membranelektrodenanordnung in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene ausgerichtet. Vorzugsweise sind die Längsausdehnung der Bipolarplatten und/oder der Membranelektrodenanordnungen und/oder der Brennstoffzellen und/oder der Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20%, 10% oder 5%, identisch. Vorzugsweise sind die Querausdehnung der Bipolarplatten und/oder der Membranelektrodenanordnungen und/oder der Brennstoffzellen und/oder der Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20%, 10% oder 5%, identisch.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist als in Querrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte im Wesentlichen der Längsausdehnung der Bipolarplatte. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Kanalstrukturen sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Querrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist als in Querrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung im Wesentlichen der Längsausdehnung der Membranelektrodenanordnung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Protonenaustauschermembran, die Anode und der Kathode sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Querrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist als in Längsrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatte im Wesentlichen der Querausdehnung der Bipolarplatte. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Kanalstrukturen sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Längsrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist als in Längsrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung im Wesentlichen der Querausdehnungen der Membranelektrodenanordnung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Protonenaustauschermembran, die Anode und die Kathode sind somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Längsrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Bipolarplatte wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte, und wenigstens einen dritten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Bipolarplatte. Vorzugsweise ist der erstes und/oder zweite und/oder dritte Oxidationsmittelkanal der Bipolarplatte als Fluidöffnung in der Abdichtplatte der Bipolarplatte ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Membranelektrodenanordnung wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung, und wenigstens einen dritten Oxidationsmittelkanal, ausgebildet als Fluidöffnung in der Membranelektrodenanordnung. Vorzugsweise ist der erste und/oder zweite und/oder dritte Oxidationsmittelkanal der Membranelektrodenanordnung als Fluidöffnung in der Abdichtplatte der Membranelektrodenanordnung ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des ersten Teils der Kanalstrukturen angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des ersten Teils der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des zweiten Teils der Kanalstrukturen angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des zweiten Teils der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen ein Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Abführkanäle zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode ein Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Abführkanäle zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen ein Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Zuführkanäle zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode ein Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Zuführkanäle zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen.
Zweckmäßig ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel als Fluidöffnung in der Abdichtplatte der Bipolarplatte und/oder Membranelektrodenanordnung ausgebildet.
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 Bipolarplatte, eine Gasdiffusionsschicht, wobei die Protonenaustauschermembran, die Anode und die Kathode eine Membranelektrodenanordnung bilden, wenigstens einen Zuführkanal als Oxidationsmittelkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Abführkanal als Oxidationsmittelkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wobei wenigstens ein erster Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen angeordnet ist und/oder die Brennstoffzelleneinheit in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Bipolarplatten umfasst und/oder die Brennstoffzelleneinheit in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Membranelektrodenanordnungen umfasst. Das Oxidationsmittel legt damit eine kleine Wegstrecke beim Durchströmen des Gasraumes für Oxidationsmittel zurück, so dass das Oxidationsmittel während des Durchströmens des Gasraumes für Oxidationsmittel einen kleinen Druckabfall und eine niedrige Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Ausleiten in und aus dem Gasraum für Oxidationsmittel aufweist. Die Leistung der Brennstoffzelleneinheit kann damit erhöht werden bei einer kleinen Alterung aufgrund einer geringen Anreicherung des Gasraumes für Oxidationsmittel mit flüssigem und/oder gasförmigem Wasser.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanales ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Oxidationsmittelkanal. Die Ausrichtung des wenigstens eine ersten Oxidationsmittelkanales im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass der wenigstens eine Oxidationsmittelkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.
Zweckmäßig unterteilt der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen die Membranelektrodenanordnungen in je einen ersten Teil der Membranelektrodenanordnung an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Membranelektrodenanordnung an einer Brennstoffzelle. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Membranelektrodenanordnungen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung 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.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Längsrichtung wesentlich größer ist als in Querrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen im Wesentlichen der Längsausdehnung der Membranelektrodenanordnung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Membranelektrodenanordnung ist somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Querrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Querrichtung wesentlich größer ist als in Längsrichtung, dann entspricht vorzugsweise die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen im Wesentlichen den Querausdehnungen der Membranelektrodenanordnungen. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise eine Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die Membranelektrodenanordnung ist somit von dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal in Längsrichtung in den ersten und zweiten Teil unterteilt.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal und wenigstens einen dritten Oxidationsm ittelkanal.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des ersten Teils der Membranelektrodenanordnung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal bezüglich des zweiten Teils der Membranelektrodenanordnung angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen ein Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Abführkanäle zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen ein Abführkanal zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen der Brennstoffzellen und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal sind Zuführkanäle zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume der Brennstoffzellen.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Querrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Querrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzelle in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Längsrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Brennstoffzelle aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen der Protonenaustauschermembran, der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Querrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Längsrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu der von der Membranelektrodenanordnung aufgespannten fiktiven Ebene in Längsrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Längsrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Querrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Querrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
Falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal zwischen den Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Querrichtung wesentlich größer ist, insbesondere um das 2-Fache,- 3-Fache, oder 5-Fache größer ist, als in Längsrichtung, dann sind vorzugsweise wenigstens ein Zuführkanal und/oder wenigstens ein Abführkanal für Brennstoff und/oder Kühlmittel in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen in Längsrichtung nebeneinander angeordnet und an einer Seite wenigstens ein Zuführkanal für Brennstoff zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Kühlmittel angeordnet ist oder wenigstens ein Zuführkanal für Kühlmittel zwischen wenigstens zwei Zuführkanälen für Brennstoff angeordnet ist. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
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 zusätzlichen Variante ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen angeordnet.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen angeordnet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung unterteilt der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Gasdiffusionsschichten der Brennstoffzellen die Gasdiffusionsschichten in je einen ersten Teil der Gasdiffusionsschicht an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Gasdiffusionsschicht an einer Brennstoffzelle.
In einer ergänzenden Ausgestaltung unterteilt der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Brennstoffzellen die Kanalstrukturen in je einen ersten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Gasdiffusionsschichten angeordnet.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens ein erste Oxidationsmittelkanal in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80% oder 90%, zwischen den Gasdiffusionsschichten der Brennstoffzellen angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Querausdehnungen und/oder Längsausdehnungen der ersten Teile der Kanalstrukturen und/oder der ersten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder der ersten Teile der Gasdiffusionsschichten im Wesentlichen identisch. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die ersten Teile der Kanalstrukturen und/oder die ersten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder die ersten Teile der Gasdiffusionsschichten fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Längsausdehnungen der zweiten Teile der Kanalstrukturen und/oder der zweiten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder der zweiten Teile der Gasdiffusionsschichten im Wesentlichen identisch. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die zweiten Teile der Kanalstrukturen und/oder die zweiten Teile der Membranelektrodenanordnungen und/oder die zweiten Teile der Gasdiffusionsschichten fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit angeordnet.
Zweckmäßig unterteilt der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal zwischen den Kanalstrukturen der Bipolarplatten der Brennstoffzellen die Kanalstrukturen in je einen ersten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle und je einen zweiten Teil der Kanalstrukturen an einer Brennstoffzelle. Die Querausdehnungen des ersten und zweiten Teils der Kanalstrukturen sind vorzugsweise im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identisch. Der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal ist somit in Querrichtung im Wesentlichen mittig ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff in die Brennstoffzellen.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff aus den Brennstoffzellen.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Kühlmittel in die Brennstoffzellen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Kühlmittel aus den Brennstoffzellen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff in die Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Zuführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Zuführkanales.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff aus den Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Abführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Abführkanals.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Kühlmittel in die Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Zuführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Zuführkanales.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Kühlmittel aus den Brennstoffzellen im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Ausrichtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des wenigstens Abführkanales ist die Strömungsrichtung und/oder Längsachse des wenigstens einen Abführkanales.
In einer ergänzenden Variante sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt, insbesondere übereinander, angeordnet.
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 Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 eine Draufsicht einer Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel,
8 einen Schnitt A-A gemäß 6 der Bipolarplatte sowie der auf der Bipolarplatte aufliegenden Gasdiffusionsschicht,
9 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
10 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit in einem dritten 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: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

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 übereinander 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 durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 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 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels 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. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend 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 Membranelektrodenanordnungen 6 (6 und 7) 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 8 ist eine Brennstoffzelle 2 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Bipolarplatte 10 ist aus drei umgeformten Platten 69, 70, 71 aufgebaut, nämlich einer oberen Platte 69, einer mittleren Platte 70 und einer unteren Platte 71 (8). Die Fluidöffnungen 42 an den Abdichtplatten 41 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 sind fluchtend übereinander angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Kanäle 43 bis 51 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 41 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 42 gebildeten Kanäle 43 bis 51. Die Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (7) sind im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung 59 als Länge 59 in einer Längsrichtung 57 auf und eine Querausdehnung 60 in einer Querrichtung 58 auf. Die im Wesentlichen schichtförmigen Bipolarplatten 10, Membranelektrodenanordnungen 6, Gasdiffusionsschichten 9 und Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen 52 auf. Die Zeichenebenen der 6 und 7 sowie 9 und 10 sind in den fiktiven Ebenen 52 bzw. parallel zu diesen ausgerichtet.
Die Membranelektrodenanordnung 6 mit der Protonenaustauschermembran 5 und der Anoden 7 und Kathode 8, d. h. ohne der Abdichtplatte 41, ist in einen ersten Teil 53 und einen zweiten Teil 54 unterteilt. Anlog ist die Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 in einen ersten Teil 55 und einen zweiten Teil 56 unterteilt. Zwischen dem ersten Teil 53, 55 und dem zweiten Teil 54, 56 ist eine schlitzförmige Fluidöffnung 42 ausgebildet, welche einen Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel als ersten Oxidationsmittelkanal 45 ausbildet. Analog ist auch die Gasdiffusionsschicht 9 in einem ersten und zweiten Teil (nicht dargestellt) unterteilt. Aus dem ersten Oxidationsmittelkanal 45, welcher senkrecht zu den fiktiven Ebenen 52 ausgerichtet ist, strömt die Luft als das Oxidationsmittel in die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel in Querrichtung 58 zwischen der oberen und mittleren Platte 69, 70 der Bipolarplatte 10 zu einem Abführkanal 44 für Oxidationsmittel als einem zweiten Oxidationsmittelkanal 46. Außerdem strömt die Luft aus dem ersten Oxidationsmittelkanal 45 durch die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel in Querrichtung 58 zwischen der oberen und mittleren Platte 69, 70 der Bipolarplatte 10 zu einem Abführkanal 44 für Oxidationsmittel als einem dritten Oxidationsmittelkanal 47. Die Querrichtung 58 ist parallel zur Zeichenebene von 8 ausgerichtet. Der zweite und dritte Oxidationsmittelkanal 46, 47 ist schlitzförmig ausgebildet. Der erste Oxidationsmittelkanal 45 unterteilt die Kanalstruktur 29 und die Membranelektrodenanordnung 6 in den ersten Teil 53, 55 und den zweiten Teil 54, 56 und die Gasdiffusionssicht 9 in einen nicht dargestellten ersten und zweiten Teil.
Die Längsausdehnung 61 des ersten Oxidationsmittelkanales 45 entspricht im Wesentlichen der Längsausdehnung 63 (7) des ersten und zweiten Teils 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 und entspricht ferner im Wesentlichen der Längsausdehnung 66 (6) des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29. Dadurch ist beim Ausströmen des Oxidationsmittels aus dem ersten Oxidationsmittelkanal 45 in die Kanäle 13 im Wesentlichen keine Verteilung des Oxidationsmittels in der Längsrichtung 59 notwendig. Analog ist beim Einströmen des Oxidationsmittels aus den Kanälen 13 in den ersten und zweiten Oxidationsmittelkanal 46, 47 im Wesentlichen keine Verteilung des Oxidationsmittels in der Längsrichtung 59 notwendig. Die Querausdehnung 62 des ersten Oxidationsmittelkanales 45 entspricht im Wesentlichen dem Abstand in der Querrichtung 58 zwischen dem ersten und zweite Teil 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 und dem ersten und zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29. Die Längsausdehnung 61 des ersten Oxidationsmittelkanales 45 ist wesentlich größer als die Querausdehnung 62 des ersten Oxidationsmittelkanales 45. Der erste Oxidationsmittelkanal 45 ist senkrecht zu der Zeichenebene von 6 und 7 und/oder der fiktiven Ebene 52 ausgerichtet, d. h. das Oxidationsmittel strömt senkrecht zu der Zeichenebene von 6 und 7 durch den ersten Oxidationsmittelkanal 45.
In den Abdichtplatten 41 ist an einer Seite ein Zuführkanal 48 für Brennstoff und an einer anderen, gegenüberliegenden Seite in Längsrichtung 59 ein Abführkanal 49 für Brennstoff ausgebildet. Die eine und andere, gegenüberliegende Seite befindet sich im Bereich oder in der Nähe der Kanalstruktur 29 bzw. Kanalstrukturen 29 und der Membranelektrodenanordnung 6, jedoch außerhalb der Kanalstruktur 29 bzw. Kanalstrukturen 29 und außerhalb der Membranelektrodenanordnung 6. Aus dem Zuführkanal 48 wird der Brennstoff den Kanälen 12 (in 6 strichliert dargestellt) in dem ersten und zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 zugeleitet und strömt in Längsrichtung 57 zu dem Abführkanal 49 für Brennstoff. Außerdem sind an der einen Seite der Abdichtplatten 41 zwei Zuführkanäle 50 für Kühlmittel und an der anderen Seite zwei Abführkanäle 51 für Kühlmittel ausgebildet. Der Zuführkanal 48 für Brennstoff ist zwischen den zwei Zuführkanälen 50 für Kühlmittel an einer Seite positioniert und analog ist der Abführkanal 49 für Brennstoff zwischen den zwei Abführkanälen 51 für Kühlmittel an der anderen Seite angeordnet.
Die Querausdehnung 67 des ersten Teils 55 der Kanalstruktur 29 entspricht im Wesentlichen der Querausdehnung des oberen Zuführkanales 50 und des oberen Abführkanales 51 für Kühlmittel gemäß 6 und 7, so dass beim Einleiten des Kühlmittels aus dem oberen Zuführkanal 50 in die Kanäle 14 für Kühlmittel im Wesentlichen keine oder nur einer geringfügige Verteilung in der Querrichtung 58 notwendig ist. Analog ist beim Ausleiten des Kühlmittels aus den Kanälen 14 für Kühlmittel in den oberen Abführkanal 51 im Wesentlichen keine oder nur eine geringfügige Verteilung in der Querrichtung 58 notwendig ist. Dies gilt analog für den unteren Zuführkanal 50, den zweiten Teil 56 der Kanalstruktur 29 mit der Querausdehnung 68 und den unteren Abführkanal 51.
Die Längsausdehnung 63 des ersten und zweiten Teils 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Längsausdehnung 66 des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29. Die Querausdehnung 64 des ersten Teils 53 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Querausdehnung 67 des ersten Teils 55 der Kanalstruktur 29. Die Querausdehnung 65 des zweiten Teils 54 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht im Wesentlichen der Querausdehnung 68 des zweiten Teils 56 der Kanalstruktur 29. Die Querausdehnungen 64, 65, 67 und 68 sowie die Längsausdehnungen 63, 66 sind im Wesentlichen identisch, so dass die ersten und zweiten Teile 53, 54, 55, 56 eine im Wesentlichen identische Fläche und Form in Richtung der fiktiven Ebenen 52 aufweisen.
In den 9 ist die Brennstoffzelle 2 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 bis 8 beschrieben. Der erste Oxidationsmittelkanal 45, der zweite Oxidationsmittelkanal 46 und der dritte Oxidationsmittelkanal 47 sind in der Längsrichtung 57 in je drei Teiloxidationsmittelkanäle 45, 46, 47 unterteilt. Die Längsausdehnung 61 (nicht dargestellt) beispielsweise des ersten Oxidationsmittelkanales 45 ergibt sich somit aus der Summe der Längsausdehnungen der drei ersten Teiloxidationsmittelkanäle 45. Dies gilt analog für den zweiten Oxidationsmittelkanal 46 und den dritten Oxidationsmittelkanal 47. In den Abdichtplatten 41 sind an einer Seite ein Zuführkanal 48 für Brennstoff und zwei Zuführkanäle 50 für Kühlmittel ausgebildet analog dem ersten Ausführungsbeispiel. An der anderen, gegenüberliegenden Seite in Längsrichtung 57 ist ein Abführkanal 51 für Kühlmittel zwischen zwei Abführkanälen 49 für Brennstoff ausgebildet. Die Querausdehnung des Abführkanales 51 für Kühlmittel ist wesentlich größer als die Summe der Querausdehnungen der zwei Abführkanäle 49 für Brennstoff, insbesondere um das 2- oder 3-fache größer als die Summe der Querausdehnungen der zwei Abführkanäle 49 für Brennstoff.
In den 10 ist die Brennstoffzelle 2 der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 beschrieben. Die Kanäle 12 für Brennstoff in der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 von dem Zuführkanal 48 an der einen Seite zu den zwei Abführkanälen 49 an der anderen Seite sind nicht geradlinig und parallel zu einander in der Längsrichtung 57 ausgerichtet wie in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, sondern mäanderförmig und S-förmig. Damit weist der je eine Einleitungsbereich von dem Zuführkanal 48 für Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff lediglich eine Querausdehnung von ungefähr einem Drittel der Querausdehnung 67, 68 des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29 auf. In 6 und 9 entspricht die Querausdehnung der Einleitungsbereiche den Querausdehnungen 67, 68 der Teile 55, 56 der Kanalstruktur 29. An dem ersten und zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 tritt jeweils ein Einleitungsbereich auf. Dies gilt analog für den Ausleitungsbereich aus der Kanalstruktur 29 in die zwei Abführkanäle 49 für Brennstoff.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10, der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung 6, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Der erste Oxidationsmittelkanal 45 als Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel ist im Wesentlichen mittig zwischen dem ersten und zweiten Teil 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 und dem ersten zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 angeordnet. Das Oxidationsmittel strömt bezüglich des Volumenstromes jeweils zur Hälfte durch den ersten zweiten Teil 55, 56 der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 in entgegengesetzter Richtung. Damit legt das Oxidationsmittel bei der Durchströmung durch die zwei Teile 55, 56 Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 und die zwei Teile (nicht dargestellt) der Gasdiffusionssicht 9 einen sehr kurzen Weg in Querrichtung 58 zurück, welcher der Querausdehnung 64, 65, 67, 68 des ersten und zweiten Teils 55, 56 der Kanalstruktur 29 und des ersten und zweiten Teils 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 entspricht. Damit tritt während des Durchleitens des Oxidationsmittels durch die Kanalstruktur 29 eine geringe Sauerstoffreduzierung und ein kleiner Druckabfall auf. Ferner ist in vorteilhafter Weise die Temperaturdifferenz zwischen den in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel einströmenden und ausströmenden Oxidationsmittel klein. Die Brennstoffzelleneinheit 1 weist damit, insbesondere bei großen angeforderten elektrischen Leistungen, eine nur geringfügig ansteigende Temperatur des Oxidationsmittels und eine kleine Reduzierung des Sauerstoffgehaltes in dem Gasraum 32 für Brennstoff sowie eine geringe Anreicherung von Wasser auf. Ferner wird das Oxidationsmittel, nämlich aus der Umgebung von der Gasfördereinrichtung 22 komprimierte Luft, in dem zentrischen ersten Oxidationsmittel 45 vorgewärmt auf eine optimale Betriebstemperatur. Damit kann mit der Brennstoffzelleneinheit 1 eine große elektrische Leistung pro Masseneinheit der Brennstoffzelleneinheit 1 erreicht werden bei einer hohen Zuverlässigkeit und einer geringen Alterung. Diese Vorteile sind insbesondere bei mobilen Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik wichtig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006019114 A1 [0006]

Claims

Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (2) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Bipolarplatte (10) umfassend - drei getrennte Kanalstrukturen (29) mit Kanälen (12, 13, 14) für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid, - eine Abdichtplatte (41), - wenigstens einen Zuführkanal (43), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Bipolarplatte (10), als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), insbesondere in wenigstens einen Kanal (13) für Oxidationsmittel der Kanalstruktur (29), - wenigstens einen Abführkanal (44), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Bipolarplatte (10), als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), insbesondere aus wenigstens einem Kanal (13) für Oxidationsmittel der Kanalstruktur (29), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Bipolarplatte (10), zwischen den Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) angeordnet ist.
Membranelektrodenanordnung (6) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (2) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, die Membranelektrodenanordnung (6) umfassend - eine Protonenaustauschermembran (5), - eine Anode (7), - eine Kathode (8), - eine Abdichtplatte (41) - wenigstens einen Zuführkanal (43), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Membranelektrodenanordnung (6), als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Abführkanal (44), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Membranelektrodenanordnung (6), als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45), ausgebildet als Fluidöffnung (42) in der Membranelektrodenanordnung (6), zwischen der Protonenaustauschermembran (5), Anode (7) und Kathode (8) der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (6), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10), eine Gasdiffusionsschicht (9), wobei die Protonenaustauschermembran (5), die Anode (7) und die Kathode (8) eine Membranelektrodenanordnung (6) bilden, - wenigstens einen Zuführkanal (43) als Oxidationsmittelkanal (45) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), - wenigstens einen Abführkanal (44) als Oxidationsmittelkanal (46, 47) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erster Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) angeordnet ist und/oder die Brennstoffzelleneinheit (1) Bipolarplatten (10) gemäß Anspruch 1 umfasst und/oder die Brennstoffzelleneinheit (1) Membranelektrodenanordnungen (6) gemäß Anspruch 2 umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52), insbesondere zu wenigstens 70'%, 80% oder 90%, zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) die Membranelektrodenanordnungen (6) in je einen ersten Teil (53) der Membranelektrodenanordnung (6) an einer Brennstoffzelle (2) und je einen zweiten Teil (54) der Membranelektrodenanordnung (6) an einer Brennstoffzelle (2) unterteilt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1), insbesondere die Brennstoffzellen (2), in einer Längsrichtung (57) eine Längsausdehnung (59) und in einer Querrichtung (58) eine Querausdehnung (60) 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 7, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) in Längsrichtung (57) wesentlich größer ist als in Querrichtung (59), dann entspricht die Längsausdehnung (61) oder die Summe der Längsausdehnungen (61) des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) im Wesentlichen den Längsausdehnung (63) der Membranelektrodenanordnung (6).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass falls die Ausdehnung oder die Summe der Ausdehnungen des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) in Querrichtung (58) wesentlich größer ist als in Längsrichtung (57), dann entspricht die Querausdehnung (62) oder die Summe der Querausdehnungen (62) des wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanals (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) der Brennstoffzellen (2) im Wesentlichen den Querausdehnung der Membranelektrodenanordnung (6).
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens einen zweiten Oxidationsmittelkanal (46) und wenigstens einen dritten Oxidationsmittelkanal (47) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Oxidationsmittelkanal (46) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) bezüglich des ersten Teils (53) der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal (47) in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) gegenüberliegend zu dem wenigstens einen ersten Oxidationsmittelkanal (45) bezüglich des zweiten Teils (54) der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) ein Zuführkanal (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) der Brennstoffzellen (2) ist und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal (46, 47) Abführkanäle (44) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) der Brennstoffzellen (2) sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Oxidationsmittelkanal (45) zwischen den Membranelektrodenanordnungen (6) ein Abführkanal (44) zur Ableitung von Oxidationsmittel aus den Gasräumen (32) der Brennstoffzellen (2) ist und der wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Oxidationsmittelkanal (46, 47) Zuführkanäle (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel in die Gasräume (32) der Brennstoffzellen (2) sind.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) 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 (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 14 ausgebildet ist.