DE102006025109A1

DE102006025109A1 - Reduzierung von Spannungsverlusten aufgrund eines Pendelns der Spannung durch die Verwendung speziell geformter bipolarer Platten

Info

Publication number: DE102006025109A1
Application number: DE102006025109A
Authority: DE
Inventors: Bernd Krause; Jörg Roth
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: US20060275644A1; DE102006025109B4; US7955752B2

Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst speziell ausgebildete bipolare Platten, die das Reaktandengasströmungsfeld in einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle in Primärströmungskanäle und Sekundärströmungskanäle trennen. Bei einer Ausführungsform sind die Primärströmungskanäle über den gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzelle in Gebrauch, und die Sekundärströmungkanäle sind nur bei hohen Zellenstromabgaben in Gebrauch. Bei niedrigen Leistungsanforderungen arbeiten die Primärkanäle bei einer Spannung unter 0,8 Volt und sehen eine Gasstromdichte von mehr als 0,2 A/cm·2· vor. Die Sekundärströmungskanäle weisen keine Gaslieferung auf und arbeiten bei massentransportbegrenzten Bedingungen. Aufgrund dieser Konstruktion wird ein Pendeln der Spannung erheblich verringert oder beseitigt, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein eine Brennstoffzelle, die Spannungsverluste aufgrund eines Pendelns der Spannung reduziert, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine bipolare Platte enthält, die das Plattenströmungsfeld in dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle in ein Primärgebiet und ein Sekundärgebiet trennt, um so das Pendeln der Spannung der Brennstoffzelle zu reduzieren.

Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und effizient dazu verwendet werden kann, Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung wie auch eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).

Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor gedrängt wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoff zellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Strömungsfeldplatten oder bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der bipolaren Platte sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite jeder MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platte sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite jeder MEA strömen kann. Die bipolaren Platten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten können. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.

Es ist entdeckt worden, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel einen Spannungsverlust oder eine Spannungsdegradation über die Lebensdauer des Stapels aufweist. Es ist gut bekannt, dass die Degradation des Brennstoffzellenstapels unter anderem ein Ergebnis eines Pendelns der Spannung des Stapels ist. Das Pendel der Spannung erfolgt, wenn die Platinkatalysatorpartikel dazu verwendet werden, den elektrochemischen Reaktionsübergang zwischen einem oxidierten Zustand und einem nicht oxidierten Zustand zu fördern, was ein Lösen der Partikel zur Folge hat. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels kleiner als etwa 0,8 Volt ist, werden die Platinpartikel nicht oxidiert und bleiben ein Metall. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels über etwa 0,8 Volt ansteigt, beginnen die Platinpartikel zu oxidieren. Eine niedrige Last an dem Stapel kann bewirken, dass die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels über 0,8 Volt ansteigt. Die 0,8 Volt entsprechen abhängig von der Energiedichte der MEA einer Stromdichte von 0,2 A/cm², wobei eine Stromdichte oberhalb dieses Wertes den Platinoxidationszustand nicht ändert. Die Oxidationsspannungsschwelle kann für verschiedene Stapel und verschiedene Katalysatoren verschieden sein.

Wenn die Platinpartikel von einem Metallzustand in einen oxidierten Zustand übergehen, können sich die oxidierten Ionen in dem Platin von der Oberfläche der MEA in Richtung zu und wahrscheinlich in die Membran bewegen. Wenn sich die Partikel zurück in den Metallzustand umwandeln, befinden sie sich nicht mehr in der Position, die elektrochemische Reaktion zu unterstützen, wodurch die aktive Katalysatoroberfläche reduziert wird und die Folge eine Spannungsdegradation des Stapels ist.

Die bekannte Strömungsfeldkonstruktion der bipolaren Platten in dem Stapel bewirkt, dass die Reaktandengase gleichmäßig über den gesamten aktiven Bereich der Brennstoffzelle verteilt werden, so dass ein homogener Gebrauch des Katalysators und damit eine maximale Leistungsabgabe erreicht werden. Bei Anwendungen, bei denen die Leistungsanforderung des Stapels dynamisch ist, erfolgt eine dynamische Änderung der Zellenspannung. Diese dynamische Änderung der Zellenspannung hat einen signifikanten Einfluss auf die Alterung der Zellen aufgrund der Spannungsdegradation.

1 ist ein Schaubild mit einer Anzahl von Pendelvorgängen der Spannung an der horizontalen Achse und einer normalisierten Platinoberfläche an der vertikalen Achse, das zeigt, dass, wenn die Anzahl von Pendelvorgängen der Spannung zwischen dem Oxidationszustand und dem Metallzustand zunimmt, die Platinoberfläche abnimmt, was die Spannungsde gradation des Stapels zur Folge hat. Die Degradation kann für verschiedene Typen von Katalysatoren verschieden sein, einschließlich Katalysatoren verschiedener Partikelgrößen, -konzentrationen und – zusammensetzungen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle offenbart, die speziell ausgestaltete Strömungsfeldplatten oder bipolare Platten umfasst, die das Reaktandengasströmungsfeld in einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle in ein Primärgebiet und ein Sekundärgebiet trennen. Bei einer Ausführungsform sind die Reaktandengasströmungskanäle in Primärströmungskanäle und Sekundärströmungskanäle getrennt, wobei die Primärströmungskanäle bei niedrigen Durchsätzen (niedriger Stromdichte) einen geringeren Druckabfall als die Sekundärströmungskanäle besitzen. Die Primärströmungskanäle stehen über den gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzelle in Gebrauch, und die Sekundärströmungskanäle stehen nur bei hohen Zellenstromausgängen in Gebrauch. Bei niedrigen Leistungsanforderungen arbeiten die Primärkanäle bei einer Spannung unter 0,8 Volt und sehen eine Stromdichte von mehr als 0,2 A/cm² vor. Die Sekundärströmungskanäle nehmen keine signifikante Reaktandengasströmung auf und arbeiten unter massentransportbeschränkten Bedingungen. Aufgrund dieser Konstruktion wird das Pendeln der Spannung erheblich reduziert oder beseitigt, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht wird.

Bei einer Ausführungsform umfasst die Strömungsfeldplatte einen Düsenabschnitt, der begrenzte Kanalteile aufweist, um die Reaktandengasströmung an die Primärströmungskanäle und die Sekundärströmungskanäle zu liefern. Die Kanalteile bewirken, dass die Reaktandenströmung bei relativ niedrigen Durchsätzen an die Primärströmungskanäle gelenkt wird und bei relativ hohen Durchsätzen sowohl an die Primärströmungskanäle als auch an die Sekundärströmungskanäle gelenkt wird.

Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaubild mit einer Anzahl von Pendelvorgängen der Spannung an der horizontalen Achse und einer Platinoberfläche an der vertikalen Achse, das die Beziehung zwischen dem Pendeln der Spannung und der Verringerung der Platinoberfläche in einer Brennstoffzelle zeigt;
2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die eine bipolare Platte umfasst, die das Strömungsfeld in der Brennstoffzelle in ein Primärgebiet und ein Sekundärgebiet trennt, um so ein Pendeln der Spannung zu reduzieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Teil einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle, die Primärströmungsfeldkanäle, Sekundärströmungsfeldkanäle und einen speziell ausgestalteten Gasverteilungsabschnitt umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Schaubild mit dem Strom an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse, das Polarisierungskurven für ein Primärgebiet und ein Sekundärgebiet eines Strömungsfeldes in einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die eine bipolare Platte aufweist, deren Reaktandengasströmungskanäle in Primärströmungskanäle und Sekundärströmungskanäle unterteilt sind, um ein Pendeln der Spannung der Brennstoffzelle zu reduzieren, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des oben beschriebenen Typs ist. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14, die durch eine Elektrolytmembran 16 getrennt sind. An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 vorgesehen. Ähnlicherweise ist an der Anodenseite 14 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen, und zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 ist eine Anodenkatalysatorschicht 26 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu der MEA und einen Wassertransport von der MEA sorgen. Es sind verschiedene Techniken bekannt, um die Katalysatorschichten 22 und 26 an den Diffusionsmediumschichten 20 bzw. 24 oder an der Membran 16 abzuscheiden.
An der Kathodenseite 12 ist eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte 18 vorgesehen, und an der Anodenseite 14 ist eine anoden seitige Strömungsfeldplatte oder bipolare Platte 30 vorgesehen. Die bipolaren Platten 18 und 30 sind zwischen den Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel positioniert. Eine Wasserstoffgasströmung von den Strömungskanälen 28 in der bipolaren Platte 30 reagiert mit der Katalysatorschicht 16, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von den Strömungskanälen 36 in der bipolaren Platte 18 reagiert mit der Katalysatorschicht 22. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 16 hindurch ausbreiten, wo sie elektrochemisch mit der Luftströmung und den zurückkehrenden Elektronen in der Katalysatorschicht 22 reagieren, um Wasser als ein Nebenprodukt zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung ist das Strömungsfeld der bipolaren Platten in einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 10 in ein Primärgebiet und ein Sekundärgebiet getrennt, die verschiedene Strömungseigenschaften besitzen. Eine mögliche Ausführung eines derartigen Strömungsfeldes ist in 3 gezeigt. 3 ist eine Draufsicht eines Teils eines Strömungsfeldes 50 für entweder die bipolare Platte 18 oder 30. Das Strömungsfeld 50 umfasst einen Primärströmungskanal 52 und Sekundärströmungskanäle 54 und 56, die eine Serie abwechselnder Primär- und Sekundärströmungskanäle in der bipolaren Platte repräsentieren. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Primärströmungskanal 52 einen kleineren Durchmesser als die Sekundärströmungskanäle 54 und 56, um den gewünschten Druckabfall in dem aktiven Bereich des Strömungsfeldes vorzusehen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Die Strömungskanäle 52 – 56 nehmen ein Reaktandengas von einem Einlassrohr 58 auf, das durch einen Düsenabschnitt 60 strömt, der Teil des Gasverteilungsabschnitts der bipolaren Platte ist. Der Düsenabschnitt 60 umfasst ein reduziertes begrenztes Rohrteil 62 zwischen dem Einlass rohr 58 und dem Primärkanal 52, wo das Reaktandengas sein Moment erhöht, wenn es von dem Einlassrohr 58 zu den Kanälen 52 – 56 strömt. Ferner ist ein begrenztes Kanalteil 64 zwischen dem Rohrabschnitt 62 und dem Sekundärströmungskanal 54 vorgesehen, und ein begrenztes Kanalteil 66 ist zwischen dem Rohrteil 62 und dem Sekundärkanal 56 vorgesehen, um Einlassrohre zu den Sekundärströmungskanälen 54 und 56 vorzusehen, wie gezeigt ist. Der Düsenabschnitt 60 ist auf eine Weise ausgebildet, so dass der Primärströmungskanal 52 einen geringeren Druckabfall als die Sekundärströmungskanäle 54 und 56 besitzt.
Die Reaktandengasströmung wird in dem begrenzten Rohrteil 62 und den Kanalteilen 64 und 66 des Düsenabschnitts 60 beschleunigt, so dass ihr Moment erhöht wird. Aufgrund der Strömungsträgheit ist eine relativ große Kraft erforderlich, um die Reaktandengasströmung durch die Kanalteile 64 und 66 an die Sekundärkanäle 54 bzw. 56 zu lenken. Mit anderen Worten ist, da der Düsenabschnitt 60 einen geringeren Druckabfall über den Primärkanal 52 vorsieht, eine zusätzliche Kraft erforderlich, um zu bewirken, dass das Reaktandengas in die Kanalteile 64 und 66 strömt. Der Druckabfall über die Kanalteile 64 und 66 muss gleich oder geringfügig kleiner als der Druckabfall über die Strömungskanäle 62 sein.
Bei geringen Durchsätzen strömt der größte Teil des Reaktandengases in den Primärströmungskanal 52. Wenn die Leistungsanforderung erhöht wird, wird der Durchsatz von dem Einlassrohr 58 erhöht, so dass der Druckabfall in dem Primärströmungskanal 52 erhöht wird. Diese Erhöhung des Reaktandengasdurchsatzes in dem Primärströmungskanal 52 führt zu einem steigenden Druckabfall, der die Energie vorsieht, die erforderlich ist, um die Trägheit zu überwinden, und lenkt die Reaktandengasströmung in die Kanalteile 64 und 66 und in die Kanäle 54 und 56, die nun einen kleineren Druckabfall als der Primärströmungskanal 52 und das Rohrteil 62 haben. Es können auch andere Konstruktionen des Gasverteilungsabschnittes innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung dieselbe Änderung des Druckabfalls zwischen dem Primärströmungskanal 52 und den Sekundärströmungskanälen 54 und 56 vorsehen, um dasselbe Ergebnis zu erreichen.
Bei einer Ausführungsform sind die Primärströmungskanäle über den gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzelle 10 in Gebrauch, und die Sekundärströmungskanäle sind nur bei relativ hohen Zellenstromausgängen oder hohen Stapelleistungsanforderungen in Gebrauch. Mit anderen Worten wird für Niedriglastanforderungen an den Brennstoffzellenstapel Reaktandengas nur an die Primärströmungskanäle geliefert, so dass die elektrochemische Reaktion in jeder Brennstoffzelle in dem Stapel in einem solchen Ausmaß verringert ist, dass verhindert wird, dass die Ausgangsspannung über den Stapel größer als etwa 0,8 Volt wird. Bei niedrigen Leistungsanforderungen arbeiten die Primärkanäle bei einer Spannung unter 0,8 Volt und sehen eine Gasstromdichte von mehr als etwa 0,2 A/cm² vor. Die Sekundärströmungskanäle sehen bei niedrigen Anforderungen keine Gaslieferung vor und arbeiten bei massentransportbegrenzten Bedingungen. Aufgrund dieser Konstruktion wird ein Pendeln der Spannung erheblich verringert oder beseitigt, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 erhöht wird. Mit anderen Worten macht es das durch die bipolare Platte vorgesehene Strömungsfeld möglich, die Anzahl von Pendelvorgängen der Spannung der Brennstoffzelle 10 über 0,8 Volt und unter 0,8 Volt zu reduzieren, wodurch geringere Zellendegradationsverluste vorgesehen werden. Da die Sekundärströmungskanäle bei demselben Spannungspotential wie die Primärströmungskanäle sind, wird eine Zellenumkehr verhindert.
4 ist ein Schaubild mit dem Strom an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse, das eine Polarisierungskurve 72 für die Primärströmungskanäle und eine Polarisierungskurve 74 für die Sekundärströmungskanäle in dem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle für niedrige Durchsätze zeigt. Die Polarisierungskurve 72 gilt sowohl für die Primärströmungskanäle als auch die Sekundärströmungskanäle für hohe Durchsätze.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden leicht aus einer solchen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzelle, mit zumindest einer Strömungsfeldplatte, die eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die eine Reaktandengasströmung aufnehmen, wobei die Strömungskanäle in Primärströmungskanäle und Sekundärströmungskanäle getrennt sind, wobei die Primärströmungskanäle eine Strömungseigenschaft besitzen und die Sekundärströmungskanäle eine andere Strömungseigenschaft besitzen, so dass die Primärströmungskanäle und die Sekundärströmungskanäle verschiedene Reaktandengasströmungsverteilungen besitzen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei bei niedrigen Durchsätzen ein Druckabfall der Primärströmungskanäle geringer als der Druckabfall der Sekundärströmungskanäle ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Primärströmungskanäle über einen gesamten Stromabgabebetriebsbereich der Brennstoffzelle im Betrieb sind und die Sekundärströmungskanäle nur für hohe Stromabgaben der Brennstoffzelle in Betrieb sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Spannungsabgabe über die Brennstoffzelle unter etwa 0,8 Volt gehalten wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der Sekundärströmungskanäle größer als der Durchmesser der Primärströmungskanäle ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ferner ein Düsenabschnitt vorgesehen ist, der begrenzte Kanalteile vorsieht, um die Reaktandengasströmung an die Primärströmungskanäle und die Sekundärströmungskanäle zu liefern, wobei die Kanalteile bewirken, dass die Reaktandenströmung bei relativ niedrigen Durchsätzen an die Primärströmungskanäle gelenkt wird und bei relativ hohen Durchsätzen sowohl an die Primärströmungskanäle als auch an die Sekundärströmungskanäle gelenkt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Primärströmungskanäle und die Sekundärströmungskanäle ein Pendeln der Spannung der Brennstoffzelle reduzieren.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanäle eine Anodenwasserstoffreaktandengasströmung vorsehen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanäle eine Kathodenreaktandengasströmung vorsehen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels ist.
Brennstoffzelle mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite, wobei die Brennstoffzelle umfasst: eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte mit einer Vielzahl von Kathodenströmungskanälen, die eine Luftströmung aufnehmen, wobei die Kathodenströmungskanäle in Primärkathodenströmungskanäle und Sekundärkathodenströmungskanäle getrennt sind, und wobei ein Druckabfall der Primärkathodenströmungskanäle geringer als der Druckabfall der Sekundärkathodenströmungskanäle ist; eine anodenseitige Strömungsfeldplatte mit einer Vielzahl von Anodenströmungskanälen, die eine Wasserstoffgasströmung aufnehmen, wobei die Anodenströmungskanäle in Primäranodenströmungskanäle und Sekundäranodenströmungskanäle getrennt sind, und wobei ein Druckabfall der Primäranodenströmungskanäle geringer als der Druckabfall der Sekundäranodenströmungskanäle ist; und eine Elektrolytmembran, die zwischen der kathodenseitigen Strömungsfeldplatte und der anodenseitigen Strömungsfeldplatte positioniert ist, wobei die Membran die Luftströmung und die Wasserstoffgasströmung aufnimmt, wobei die Primäranoden- und -kathodenströmungskanäle über einen gesamten Stromabgabebetriebsbereich der Brennstoffzelle in Betrieb sind, und die Sekundäranoden- und -kathodenströmungskanäle für hohe Stromabgaben der Brennstoffzelle in Betrieb sind, um so ein Pendeln der Spannung der Brennstoffzelle zu reduzieren.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei eine Abgabespannung der Brennstoffzelle bei einer Spannung von weniger als 0,8 Volt gehalten wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei der Durchmesser der Primäranoden- und -kathodenströmungskanäle kleiner als der Durchmesser der Sekundäranoden- und -kathodenströmungskanäle ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ferner ein Düsenabschnitt vorgesehen ist, der begrenzte Kanalteile umfasst, um die Reaktan dengasströmung an die Primärströmungskanäle und die Sekundärströmungskanäle in sowohl der kathodenseitigen Strömungsfeldplatte als auch der anodenseitigen Strömungsfeldplatte zu liefern, wobei die Kanalteile bewirken, dass die Reaktandenströmung bei relativ geringen Durchsätzen an die Primärströmungskanäle gelenkt wird, und bei relativ hohen Durchsätzen sowohl an die Primärströmungskanäle als auch die Sekundärströmungskanäle gelenkt wird.
Verfahren zum Reduzieren eines Pendelns der Spannung in einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Strömungsfeldplatte vorgesehen wird, die eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die in Primärströmungskanäle und Sekundärströmungskanäle getrennt sind, wobei die Primärströmungskanäle eine Strömungseigenschaft besitzen und die Sekundärströmungskanäle eine andere Strömungseigenschaft besitzen; und ein Reaktandengas entlang der Vielzahl von Strömungskanälen geführt wird, so dass das Reaktandengas über den gesamten Stromabgabebetriebsbereich der Brennstoffzelle durch die Primärströmungskanäle strömt und nur für hohe Stromabgaben der Brennstoffzelle durch die Sekundärströmungskanäle strömt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Vorsehen einer Strömungsfeldplatte umfasst, dass die Sekundärströmungskanäle mit einem größeren Durchmesser als die Primärströmungskanäle vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Führen eines Reaktandengases entlang der Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, dass ein Reaktandengas entlang eines Düsenabschnitts geführt wird, der be grenzte Kanalteile umfasst, um die Reaktandengasströmung an die Primärströmungskanäle und die Sekundärströmungskanäle zu führen, wobei die Kanalteile bewirken, dass die Reaktandenströmung bei relativ niedrigen Durchsätzen an die Primärströmungskanäle gelenkt wird und bei relativ hohen Durchsätzen an sowohl die Primärströmungskanäle als auch die Sekundärströmungskanäle gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Führen eines Reaktandengases entlang der Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, dass ein Wasserstoffreaktandengas entlang der Strömungskanäle geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Führen eines Reaktandengases entlang der Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, dass Kathodenluft entlang der Strömungskanäle geführt wird.