DE10130164A1

DE10130164A1 - Brennstoffzellenstapel mit hoher Wirkungsgraddichte

Info

Publication number: DE10130164A1
Application number: DE10130164A
Authority: DE
Inventors: Norbert Alleborn; Max Brand; Ulrich Gebhardt; Joachim Grose; Bernd Genenger; Martin Ise; Manfred Poppinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2003-01-16
Also published as: WO2003001620A3; WO2003001620A2

Abstract

Es ist bekannt, einzelne Brennstoffzelleneinheiten über eine vorgebbare Stacklänge mechanisch aufeinanderzustapeln und elektrisch und strömungstechnisch hintereinanderzuschalten. Gemäß der Erfindung werden zur Gleichverteilung aller Medien, insbesondere der Reaktanden, in den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten strömungsmechanische Trägheitskräfte ausgenutzt sind in aufeinander abgestimmten geometrischen Abmessungen von Verteil- und/oder Reaktionskanälen umgesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel mit hoher Wirkungsgraddichte, wobei einzelne Brennstoffzelleneinheiten über eine vorgebbare Stacklänge mechanisch aufeinandergestapelt, elektrisch und strömungstechnisch aber hintereinandergeschaltet sind.

Bisher in der Praxis eingesetzte Konstruktionen von Brennstoffzellenstapeln zeichnen sich durch einen vergleichsweise hohen Druckverlust bei den Betriebsmedien aus. Die Betriebsmedien sind die Reaktionsgase (Reaktanden), wie Wasserstoff/wasserstoffreiche Gase und Sauerstoff/Luft, einerseits und Kühlmittel, wie Öl oder andere Kühlflüssigkeiten, andererseits. Der Druckverlust wird benötigt, um Gase und Flüssigkeiten gleichmäßig auf die einzelnen Zellen eines Stapels und auf die Fläche der einzelnen Zellen zu verteilen sowie um das Produktwasser auf der Kathodenseite auszutragen. Da die Betriebstemperatur kleiner als die Verdampfungstemperatur des Wassers beim Betriebsdruck der Brennstoffzellenstapel ist, liegt als Reaktionsprodukt von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) Produktwasser in flüssiger Form vor. Die Hauptströmungsrichtung der Reaktionsgase verläuft beim Stand der Technik stets diagonal über die Fläche der einzelnen Zellen. Beispiele für die Ausgestaltung herkömmlicher Systeme sind in der DE 197 43 067 C2 angegeben.

Bei derzeit gängigen Technologien, wie dem Einsatz von Graphit für die bei Brennstoffzellen notwendigen bipolaren Platten, ist aufgrund der vergleichsweise geringen mechanischen Stabilität des Graphits eine relativ große Materialstärke erforderlich. Dies wirkt sich nachteilig auf die Bauhöhe einer einzelnen Zelle und besonders auf die Gesamtlänge eines Stapels aus.

Bei der Montage und bei Betrieb eines Brennstoffzellenstapels treten mechanische und thermische Belastungen der Membranen auf, die zur Schädigung der Membranen führen können. Die Membranen müssen deshalb während des Stapelvorgangs besonders vorsichtig gehandhabt werden und sind für eine Lagerung einzeln zu verpacken, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Im Betrieb sind besondere Maßnahmen erforderlich, um Beschädigungen durch thermische und mechanische Belastungen zu vermeiden, wie sie beispielsweise durch Befeuchtung der Gase oder mechanische Abstützungen gegeben sind.

Derzeit umgesetzte Dichtungskonzepte nutzen Elastomere und Kleber als Dichtungen, die z. B. im Siebdruck oder in Einzelfertigung durch Vulkanisation auf Bauteile der Zellen aufgebracht werden. Die einzelnen Bauteile werden dann zu einem Stapel zusammengestellt. Da die Membran in derzeit üblichen Konstruktionen nicht geschützt sind, sind Beschädigungen bei der Montage und im Betrieb schwer zu vermeiden.

Ein weiteres Problem bei Brennstoffzellenstapeln sind hohe Übergangswiderstände zwischen den einzelnen elektrisch hintereinandergeschalteten Zellen. Ein Teil des elektrischen Widerstands wird bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln durch ungleichmäßige Anpressung der bipolaren Platten und der Elektroden verursacht. Beim Stand der Technik werden die Anpresskräfte mechanisch über die Endplatten teilweise in Kombination mit Druckkissen aufgebracht.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die konstruktive Umsetzung von Brennstoffzellenstapeln, die Polymerelektrolytmembranen aufweisen und für Anwendung bei Temperaturen über 100°C geeignet sind, in die Praxis zu verbessern. Hierzu soll ein Brennstoffzellenstapel geschaffen werden, der bei einfachem Aufbau einen optimierten Wirkungsgrad hat.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Mit der Erfindung ergibt sich eine Nutzung komplexer strömungsmechanischer Zusammenhänge, wie insbesondere Impuls- und Massenbilanzen für Gasverteiler und Gassammler, Zellenströmung, Kühlmittelströmung, zur konstruktiven Umsetzung einer Zelle und eines Stapels mit hoher Leistungsdichte und hohem Systemwirkungsgrad. Insbesondere im Vergleich zu gängigen Konstruktionen mit Blechen als bipolare Platten wird die Baulänge des Stapels dadurch verringert, dass aufgrund von strömungstechnischen Berechnungen die Querschnittsfläche der Verteilkanäle so dimensioniert werden kann, dass eine möglichst große aktive Fläche bei kleinst möglichem Druckverlust für die Strömung von Reaktionsgasen und Kühlmittel erreicht wird. Damit werden vorteilhafterweise weniger Zellen zum Aufbau des Stapels als beim Stand der Technik benötigt, um eine vorgegebene elektrische Leistung bereitzustellen.

Vorzugsweise ist eine sog. C-Strömung aller Medien für eine optimale Verteilung bei minimalem Druckverlust und optimalem Gesamtwirkungsgrad realisiert. Dabei ist gleichermaßen eine konstruktive Umsetzung zu einfach zu fertigenden, zu lagernden und servicefreundlichen Bauteilen gewährleistet.

Das in der Erfindung umgesetzte Dichtungskonzept berücksichtigt Weiterhin letzteren Aspekt und realisiert bereits in einem frühen Stadium der Herstellung fertigungs- und betriebsgerechte Baugruppen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brennstoffzellenstapel zur Verdeutlichung der C-Strömung über die Stacklänge,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Verteilgüte der C- Strömung in Fig. 1 über einer normierten Stacklänge,
Fig. 3 bis Fig. 6 jeweils eine Draufsicht auf eine Brennstoffzellenfläche mit unterschiedlicher Ausbildung der Leitungen für die Betriebsmedien,
Fig. 7 einen sogenannten Weitwinkeldiffusor in Schnittdarstellung,
Fig. 8 ein Bauteil zur Kühlmittelverteilung über die Fläche in Schnittdarstellung,
Fig. 9 einen kompletten Brennstoffzellenstapel mit Endplatten in Schnittdarstellung mit Hinweis auf einen Teilausschnitt,
Fig. 10 den Teilausschnitt aus Fig. 9, der interne und externe Dichtungen der einzelnen Brennstoffzelleneinheiten verdeutlicht,
Fig. 11 und 12 jeweils eine Draufsicht auf die bipolare Platte gemäß Fig. 4 mit zwei unterschiedlichen Konzeptionen der Reaktandenströmung,
Fig. 13 eine graphische Darstellung der Verteilgüte in Abhängigkeit von der Lauflänge und
Fig. 14 eine graphische Darstellung des Druckverlustes über die relative Lauflänge.
In der Fig. 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt, der aus einer Vielzahl mechanisch aufeinandergestapelter Brennstoffzelleneinheiten 10, 10', . . . besteht. Von den Brennstoffzelleneinheiten 10, 10', . . . ist die Zelle 1, die Zelle i und die Zelle z im Einzelnen gekennzeichnet.
Der Brennstoffzellenstapel 1 wird mit Wasserstoff (H₂) als Brenngas, das gegebenenfalls über einen in der Fig. 1 nicht dargestellten Reformer erzeugt wird, und mit Sauerstoff (O₂) aus der Umgebungsluft betrieben. Es ist eine Leitung 2 für die Luft-/Wasserstoff-Zufuhr und eine Leitung 3 für die Abführung des Restgases vorhanden.
In der Fig. 1 ist dargestellt, dass die Zufuhr der Reaktionsgase mit einem Gasstrom ≙ erfolgt. Wenn mit einem solchen Gasstrom ≙ die Zufuhrleitung 2 beaufschlagt wird, ergibt sich an der Zelle 1 eine Gasbeladung q₁, an der Zelle i eine Gasbeladung q_i und an der letzten Zelle eine Gasbeladung q_z. Angestrebt wird eine gleichmäßige Gasverteilung an den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 10, 10', . . . im Brennstoffzellenstapel 1.
Im Gegensatz zu beim Stand der Technik verwendeten Konstruktionen wird die gleichmäßige Gasverteilung im Stapel und in den einzelnen Zellen nicht durch einen sehr hohen Druckverlust zwischen der Zu- und Abführseite sichergestellt. Vielmehr wird eine Gleichverteilung durch die Ausnutzung des Zusammenwirkens von Trägheitskräften und viskosen Kräften in der Strömung sowie deren Umsetzung in aufeinander abgestimmten geometrischen Abmessungen der Verteilkanäle einerseits und der Reaktionskanäle andererseits erreicht.
Eine Kombination aus Geometrie und günstiger Strömungsführung in kompakter Form führt zu einem besonders geringen Druckverlust bei besonders gleichmäßiger Verteilung der Reaktionsgase und des Kühlmittels. Der geringe Druckverlust und die Gleichverteilung werden in eine besonders hohe Leistungsdichte und in eine besonders geringe parasitäre Last umgesetzt. Sowohl für das anoden- als auch für das kathodenseitige Reaktionsgas können Durchsätze nahe dem stöchiometrischen Durchsatz realisiert werden, ohne dass ein Leistungsabfall des Brennstoffzellenstapels 1 auftritt.
Es lassen sich für Reformat Verteilungen im Bereich zwischen 1,05 und 1,2 erreichen. Für Luft als Reaktionsgas ergibt sich eine Verteilung zwischen 1,05 und 1,5. Dabei wird jeweils von einem Druckverlust von 0,5 bar ausgegangen.
In Fig. 2 ist das Verhältnis q/q_o der Gasverteilung über der genormten Stacklänge x/L aufgetragen, wobei q den Massenstrom durch eine Zelle und q_o den Mittelwert aller Massenströme angibt. Die Verteilgüte V_G gibt die maximale Abweichung des Massenstroms durch eine Zelle vom Mittelwert an und lässt sich im vorliegenden Fall definieren als:

VG = 1 + max|(q/q_o|) - 1|. (Gl 1)
Angestrebt wird üblicherweise eine Verteilgüte nahe 1 zum störungsfreien Betrieb des Brennstoffzellenstapels. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass die Verteilgüte VG eine Abweichung von maximal 5% von einem Basiswert haben sollte.
Aus der Kurve 21 in Fig. 2 ergibt sich, dass die Verteilgüte VG am Stackanfang einen Wert von etwa 1,06 hat und am Ende der Stacklänge ein Wert von etwa 0,97 erreicht ist. Dies bedeutet für die Praxis, dass die Verteilgüte nicht auf einen unzulässigen Wert abfallen wird.
In den Fig. 3 bis 6 sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele für eine bipolare Platte 11 als Teil einer Brennstoffzelleneinheit 10 dargestellt. Dies bedeutet, dass jede Brennstoffzelleneinheit 10, 10', . . . des Stacks 1 eine eigene bipolare Platte 11, 11', . . . hat.
In den Fig. 3 bis 6 ist der mittlere Bereich der bipolaren Platte 11 ist der Reaktionsbereich zur einzelnen Brennstoffzelle 10. Hier findet die Reaktion des Brenngases mit Sauerstoff unter Protonenleitung in der Brennstoffzellenmembran und zur Erzeugung der Ladungsträger statt. Dafür sind an der oberen Seite der bipolaren Platte 11 Eingänge für die für die Reaktion notwendigen Medien vorhanden. Insbesondere befindet sich in der Fig. 3 ein Eingang 12 für Luft und ein Eingang 13 für Reformergas, die beide kreisförmig ausgebildet sind. Zwischen diesen beiden Eingängen ist weiterhin ein Zugang 14 für ein Kühlmedium vorhanden, wobei der Zugang 14rechteckförmig ausgebildet ist. An der gegenüberliegenden Seite sind entsprechende Ausgänge 15 bis 17 für die Reaktanden und das Kühlmittel vorhanden, wobei jeweils eine direkt gegenüberliegende Anordnung realisiert ist. Es wird so für die Reaktanden eine C-förmige Strömungsmittelführung sowohl über die Stacklänge als auch über die Fläche einer Brennstoffzelleneinheit realisiert.
Speziell in Fig. 3 sind die Leitungen für die Reaktanden kreisförmig und die Leitung für das Kühlmedium rechteckförmig ausgebildet. Es sind auch andere geometrische Ausführungen möglich, die anhand der Fig. 4 bis 6 - bei prinzipiell gleichem Aufbau der bipolaren Platte 11 - verdeutlicht werden.
In der Fig. 4 sind die Zugänge 12' bis 14' und die Abgänge 15' bis 17' für die Betriebsmedien jeweils rechteckig mit gleicher Querschnittsfläche ausgebildet. Fig. 5 ist insoweit abgewandelt, als dass gleiche Zugänge 12" und 13" bzw. Abgänge 15" und 16" für die Reaktanden vorhanden sind, aber das Kühlmittel seitlich mit Zugang 14" und Abgang 17" geführt wird. Schließlich ist in Fig. 6 eine Abwandlung mit Zugängen 12''' bis 14''' und Abgängen 15''' bis 17''' für die Betriebsmedien dargestellt, wobei die Zu- und Abgänge jeweils einen runden Querschnitt haben. Für das Kühlmittel sind dabei jeweils drei Leitungen vorgesehen.
Es ergeben sich also vier Varianten für die bipolaren Platten 11, die sich durch eine unterschiedliche Flächennutzung und damit spezifisch angepasste Leistung auszeichnen.
Für ein gutes Leistungsverhalten der Brennstoffzellen ist also die relative Nutzfläche der bipolaren Platten mit den Medien-Zuleitungen und -Ableitungen im Verhältnis zum Stackvolumen zu optimieren. Dies bedeutet, dass die relative Stackleistungsdichte angepasst werden muss. In nachfolgender tabellarischer Zusammenstellung sind für die vier in den Fig. 3 bis 6 angegebenen Varianten der bipolaren Platten die relativen Stackleistungsdichten angegeben. Tabelle
Es ist ersichtlich, dass die Variante III entsprechend der Fig. 5 eine besonders günstige relative Stackleistungsdichte abdeckt.
Konstruktive Besonderheit der Kühlmittelversorgung ist ein in eine der Endplatten integrierter Strömungsverteiler, der gemäß Fig. 7 vorteilhafterweise als sog. Weitwinkeldiffusor ausgeführt ist. In Fig. 7 ist ein derartiger Weitwinkeldiffusor 40 mit äußeren Wänden 41 und inneren Wänden 42 dargestellt, die jeweils einen Winkel α < 15° einschließen. Von einem engen Kühlmitteleintritt 43 wird das Kühlmittel zu einem breiten Kühlmittelaustritt 44 gleichmäßig verteilt. Damit kann das Kühlmittel gleichmäßig über die Breite eines rechteckigen Kühlmittelkanals verteilt werden.
Als weitere konstruktive Besonderheit der Einrichtungen zur Kühlmittelverteilung ist ein Bauteil 35 mit definiertem Druckverlust montiert, das die Verteilung über die Fläche der einzelnen Zellen und auf die einzelnen Zellen des Gesamtstacks sicherstellt. Ein solches Bauteil 35 ist in Fig. 8 dargestellt und ist im Wesentlichen durch eine Lochplatte 36 zur Kühlmittelverteilung gebildet. Mittels einer Kühlmittelzufuhr 37 wird das Kühlmittel über die Fläche 38 verteilt und dient zur gleichmäßigen Kühlung der Fläche 38.
Die Abmessungen des Bauteils 35 sind abgestimmt auf den Abstand zwischen zwei Zellen, der für einen optimalen Wärmeübergang bei maximalem Wirkungsgrad des Gesamtsystems gestaltet ist. Zellen mit geringem Abstand können aufgrund des höheren Wärmeübergangskoeffizienten bereits mit kleineren Kühlmittelmassenströmen sicher gekühlt werden. Um diese kleinen Kühlmittelmassenströme gleichmäßig zu verteilen, ist der Druckverlust des Einbauteils auf den Druckverlust der Spaltströmung abgestimmt.
In der Fig. 9 ist das Dichtungskonzept des Brennstoffzellenstapels 1 gemäß Fig. 1 verdeutlicht. Wesentlich ist hier, dass neben den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 10, 10', . . . und den Zuführungen 2 und den Abführungen 3 entsprechend Fig. 1 Endplatten 60, 60' vorhanden sind, die ihrerseits wieder Zuführstutzen 61 bis 64 für die Betriebsmedien aufweisen. Dabei kommt es darauf an, dass der betriebsmäßig eingesetzte Brennstoffzellenstapel eine in sich dichte Einheit bildet, aber gleichermaßen modular darauf aufgebaut ist, dass einzelne Brennstoffzelleneinheiten für sich dicht sind.
Letzteres wird aus dem Ausschnitt x der Fig. 9 gemäß Fig. 10 deutlich: In der vergrößerten Darstellung ist wesentlich, dass jeweils zwischen bipolaren Platten 70, 70' Membranelektrodeneinheiten 90, 90' (MEA = Membrane Electrode Assembly) aus Membran und Elektroden dicht eingefügt sind. In den Elektrodenräumen der einzelnen Zellen erfolgt die Gasverteilung für die Zelle, wobei die Durchbrüche 91, 91' die Gasverteilung für den Stapel verdeutlichen. Dazu sind sowohl intern in jeder Zelle als auch extern an der Zelle, also am Stack, Dichtungen vorhanden.
Im Einzelnen sind die internen Dichtungen zur Abdichtung von MEA 90 und bipolarer Platte 70 mit 95 bezeichnet. Außen hat jede Montageeinheit aus einer einzelnen Brennstoffzelle eine äußere Dichtung 96, welche das Dichtungskonzept komplettiert.
Das beschriebene Dichtungskonzept ist wesentlicher Bestandteil der vorstehend erläuterten Konzeption des Brennstoffzellenstapels, das vormontierte Einheiten zusammenstellt, die ohne besondere Schutzmaßnahmen gelagert und weiterverarbeitet werden können. Die an einzelnen Bauteilen aufgebrachten Dichtungen verbinden jeweils mehrere Funktionselemente zu Lager- und Montageeinheiten, in denen die besonders empfindliche Membran geschützt ist. Solche vormontierten Einheiten sind insbesondere die beiden Elektroden, zwischen denen die Polymermembran eingelegt ist, oder ganze Zellen einschließlich der Einrichtungen zur Verteilung der Reaktionsgase und des Kühlmittels. Somit sind erhebliche Einsparungen bei der Lagerung, bei der Montage des Stapels sowie aufgrund der besonders betriebssicheren Ausführung bei der Gewährleistung möglich.
Um den Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Systemen zu steigern, wird das Druckniveau des Kühlmittels angehoben. Durch diese isostatische Anpressung werden bipolare Platten und Elektroden gleichmäßig über die gesamte Fläche einer jeden Brennstoffzelle des Stapels miteinander verpresst. Daraus resultiert eine deutliche Verminderung des elektrischen Übergangswiderstands. Gleichzeitig ist dabei der Druck des Kühlmittels deutlich höher und zwar bis zu 5 × höher als der Druck der Reaktanden in der Brennstoffzelle.
Die Fig. 11 und 12 zeigen entsprechend den Fig. 3 bis 6 die Draufsicht auf die bipolare Platten 11 mit den entsprechenden Zuführungen für Luft, Kühlmittel und Reformergas, wie es im Wesentlichen auch bereits in den Fig. 3 bis 6 dargestellt ist. In Anpassung an Fig. 4 sind in den Fig. 10 und 11 die Zugänge und Abgänge für Luft, Kühlmittel und Reformergas jeweils als Rechteckkanäle gleichen Querschnittes dargestellt.
In Fig. 11 verdeutlichen die parallel geführten Pfeile 101, 101', . . . die Strömungsverteilung, beispielsweise der Luft, vom Einlass 12' zum Auslass 15'. Beim Stand der Technik ergibt sich durch die konstruktive Auslegung der strömungsführenden Bauteile, dass entlang der bipolaren Platte 11 insgesamt eine diagonale Strömungsverteilung entsprechend Pfeil 105 gebildet ist, die auch als Z-Strömung bezeichnet wird. Entsprechendes gilt für das Reformergas, welches mit der Luft in der Brennstoffzelle reagiert. Vom Einlass 13' zum Auslass 16' wird in Fig. 10 ebenfalls eine Z-Strömung mit diagonaler Strömungsverteilung realisiert.
Anhand Fig. 12 wird im Vergleich zu Fig. 11 verdeutlicht, dass nunmehr der Reaktand, beispielsweise das Reformergas in der bipolaren Platte 11 ausgehend vom Einlass 14' entlang den parallelen Pfeilen 102, 102', . . . zum gegenüberliegenden Auslasse 16' so geführt wird, dass sich eine in etwa C-förmige Strömungsverteilung entsprechend dem Pfeil 110 ergibt. Entsprechendes gilt wiederum für die Luft als Reaktionsgas vom Einlass 13' zum Auslass 16'.
Insgesamt wird also bei der vorstehend beschriebenen Einrichtung erreicht, dass in jedem Brennstoffzellenstapel einerseits über die Längsrichtung der aufeinanderfolgenden Zellen eine C-förmige Strömung der Luft und/oder des Brenngases vorliegt. Darüber hinaus wird aber andererseits auch eine C- förmige Strömung jeweils in der Fläche der bipolaren Platten 11 realisiert, wie sie beispielhaft anhand der Fig. 12 für das Reformergas verdeutlicht ist. In der Kombination dieser Maßnahmen ist eine entscheidende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik gegeben.
In der Fig. 13 ist entsprechend Fig. 2 die Verteilgüte in Abhängigkeit von der normierten Lauflänge dargestellt. Hier entspricht die Kurve 121 im Wesentlichen der Kurve 21 aus Fig. 2. Zum Vergleich hierzu ist eine weitere Kurve 52 eingetragen, die sich bei der vom Stand der Technik meist angewandten Z-Strömung ergibt. Man erkennt, dass bei der Vergleichskurve ein einheitlicher Wert für die Verteilgüte kaum erreichbar ist. Um also im Mittenbereich eine Verteilgüte von 1 zu erreichen, ist am Anfang des Brennstoffzellenstapels 1 die Verteilgüte geringer und am Ende des Brennstoffzellenstapels 1 die Verteilgüte höher.
Im Wesentlichen entsprechende Ergebnisse ergeben sich aus Fig. 14, in der der Druckverlust in Abhängigkeit von der relativen Lauflänge dargestellt ist. Dabei bedeuten die Kennlinie 131 den Druckverlust über einer Lochplatte und die Kennlinie 132 den Druckverlust über den Versorgungskanälen. Es ergibt sich, dass über der gesamten Lauflänge bei den konstruktiv beschriebenen Ausführungen ein in etwa konstanter Druckverlust vorliegt. Somit ergeben sich keine Verschlechterungen in der Brennstoff- bzw. Gasversorgung.
Gemeinsam bei dem anhand der einzelnen Beispiele beschriebenen Brennstoffzellenstapel ist, dass die Strömungsführung aller Medien über die Stacklänge der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten C-förmig erfolgt. Weiterhin ist die Strömungsführung der Reaktanden über die Fläche einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit C-förmig. Durch diese Strömungsführung sind für das anodenseitige und/oder das kathodenseitige Reaktionsgas Gleichverteilungen nahe dem stöchiometrischen Durchsatz realisiert.

Claims

1. Brennstoffzellenstapel mit hoher Wirkungsgraddichte, wobei einzelne Brennstoffzelleneinheiten über eine vorgebbare Stacklänge mechanisch aufeinander gestapelt, elektrisch und strömungstechnisch aber hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gleichverteilung aller Betriebsmedien, insbesondere der Reaktanden (H₂), in den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten (10, 10', . . .) das Zusammenwirken von Trägheitskräften und viskosen Kräften in der Verteilströmung ausgenutzt werden und in aufeinander abgestimmten geometrischen Abmessungen von Verteil- und/oder Reaktionskanälen (2, 3; 12 bis 14, 15 bis 17) umgesetzt sind.

2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung der Betriebsmedien über die Stacklänge (L) der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten (10, 10', . . .) C-förmig erfolgt.

3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung der Reaktanden (O₂, H₂) über die Fläche einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit (10, 10', . . .) C-förmig erfolgt.

4. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das anodenseitige und/oder das kathodenseitige Reaktionsgas (H₂, O₂) Gleichverteilungen nahe dem stöchiometrischen Durchsatz realisiert sind.

5. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Reformat als Reaktionsgas eine Verteilung besser als 1, 2 und vorzugsweise bei 1,05 bei einem Druckverlust von 0,2 bar vorliegt.

6. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Luft als Reaktionsgas eine Verteilung besser 1,5, und zwar vorzugsweise bei 1,05, einem Druckverlust von 0,2 bar vorliegt.

7. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlmittelversorgung ein in einer der Endplatten (40, 40') integrierter Strömungsverteiler (41) vorhanden ist.

8. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, mit einem rechteckigen Kühlmittelkanal, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsverteiler ein Weitwinkeldiffusor (40), mit dem Kühlmittel (KM) gleichmäßig über die Breite (b) des rechteckigen Kühlmittelkanals (13) verteilt wird.

9. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlmittelverteilung in der Fläche (30) einer Brennstoffzelleneinheit (10, 10') eine Lochplatte als Bauteil (35) mit definiertem Druckverlust verwendet wird.

10. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Bauteils (35) auf den Abstand (d) zwischen zwei Brennstoffzelleneinheiten (10, 10', 10", . . .) abgestimmt sind.

11. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichmäßigen Verteilung der Massenströme des Kühlmittels (KM) der Druckverlust des Bauteils (35) auf den Druckverlust der Spaltströmung zwischen zwei Brennstoffzelleneinheiten (10, 10', . . .) abgestimmt ist.

12. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vormontierte Brennstoffzelleneinheiten (10, 10') mit Dichtungen (95, 96) zusammengefügt sind.

13. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass innere Dichtungen (95) in der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit (10') die Membranelektrodeneinheit (90) gegen bipolaren Platten (62, 63) und äußere Dichtungen (96) eine komplette Brennstoffzelleneinheit (10, 10') nach außen abdichten.

14. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (95, 96) jeweils mehrere Funktionselemente (10, 10') zu Lager- und Montagemodulen, in denen die Membran (91) geschützt angeordnet ist, verbinden.

15. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine vormontierte Brennstoffzelleneinheit (10, 10') aus zwei Elektroden (92, 93), zwischen denen die Membran (91) eingelegt ist und deren Elektrodenräume zur Gasverteilung von bipolaren Platten (70, 70') abgeschlossen werden, besteht.

16. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vormontierte Brennstoffzelleneinheit (10, 10') alle Einrichtungen zur Verteilung der Reaktionsgase (H₁, O₂) und des Kühlmittels (KM) umfasst.

17. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein inkompressibles Medium als Kühlmittel verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erhöhung des Druckes des Kühlmittels (KM) eine isostatische Anpressung der bipolaren Platten (11, 11') auf die Elektroden erfolgt.

18. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Kühlmittels (KM) höher ist als der Druck der Reaktanden (L, BG) in der Brennstoffzelle (10, 10').

19. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überdruck des Kühlmittels gegenüber den Reaktanden zwischen 1 bis 8 bar, vorzugsweise etwa 5 bar, vorliegt.