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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Membranmodul, welches eine protonenleitende Membran umfasst, wobei die protonenleitende Membran einen elektrochemisch aktiven Bereich als einen ersten Bereich bildet, mit einem Kathodenplattenmodul zur Bereitstellung eines Oxidanten für den ersten Bereich, wobei das Kathodenplattenmodul eine Strömungsstruktur mit ersten und zweiten Kanälen zur Führung des Oxidanten aufweist, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle mit einem Oxidanten durchströmt werden, wobei die ersten und die zweiten Kanäle in der Strömungsstruktur in Paaren benachbart zueinander angeordnet sind, sodass ein Wärmeübertrag zwischen den ersten Kanälen zu den zweiten Kanälen erfolgen kann, wobei die Strömungsrichtungen von einem ersten und einem zweiten Kanal eines Paares in einem Normalbetrieb der Brennstoffzellenanordnung gegengleich ausgerichtet sind.
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Brennstoffzellensysteme dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie in mobilen oder stationären Anwendungen. Die Brennstoffzellensysteme beruhen auf einem elektrochemischen Prozess, in dem ein Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Umgebungsluft, umgesetzt wird, so dass chemische Energie in elektrische Energie gewandelt wird. Ein interessantes Einsatzgebiet ist der Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen zur Erzeugung der Antriebsenergie.
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In der Druckschrift
DE 10 2006 017 943 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, wird eine Brennstoffzellenkonstruktion mit einem integriertem Wärmetauscher und einer integrierten Gasbefeuchtungseinheit offenbart. In dieser Offenlegungsschrift ist detailliert dargestellt, wie unterschiedliche Fluide in den Brennstoffzellen den Kathoden- bzw. Anodenbereichen zugeführt werde. Es wird insbesondere erläutert, dass die Brennstoffzellen vier unterschiedliche Fluide, nämlich einen Oxidant, einen Brennstoff, ein Kühlmittel sowie ein Oxidationsmittelkühlmittel nutzen. Bei dem Oxidationsmittelkühlmittel handelt es sich ebenso wie bei dem Oxidationsmittel um Umgebungsluft, jedoch mit dem Unterschied, dass die Umgebungsluft zunächst in geschlossenen Oxidationsmittelkühlmittelkanälen als Oxidationsmittelkühlmittel durch die Brennstoffzelle geführt wird und nachfolgend in zu einer Membran der Brennstoffzelle geöffneten Oxidationsmittelkanälen als Oxidationsmittel nochmals durch die Brennstoffzelle geführt wird. In der Brennstoffzelle sind jeweils zwei dieser Kanäle zueinander benachbart angeordnet, sodass ein Wärmeübertrag von dem Oxidationsmittel auf das Oxidationsmittelkühlmittel oder in Gegenrichtung erfolgen kann. Die Oxidationsmittelkühlmittelkanäle sind in den Brennstoffzellen gegenüber den Oxidationsmittelkanälen strömungstechnisch isoliert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, welche zur Integration in einem Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Antriebsenergie in einem Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. In einem derartigen Brennstoffzellensystem kann eine Mehrzahl derartiger Brennstoffzellenanordnungen, vorzugsweise geordnet als Stapel (Stacks) angeordnet sein.
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Die Brennstoffzellenanordnung umfasst ein Membranmodul, wobei das Membranmodul eine protonenleitende Membran – auch PEM Proton Exchange Membrane oder Polymer Electrolyte Membrane genannt – aufweist. Beispielsweise ist die Membran aus Nafion des Chemiekonzerns DuPont gefertigt. Die protonenleitende Membran bildet einen elektrochemisch aktiven Bereich als einen ersten Bereich in der Brennstoffzellenanordnung aus. In dem elektrochemisch aktiven Bereich findet der elektrochemische Prozess zur Umsetzung von einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, mit einem Oxidanten, insbesondere Umgebungsluft statt. Der elektrochemisch aktive Bereich ist räumlich insbesondere durch einen Katalysatorbereich auf oder an der Membran definiert. Im speziellen ist die Membran mit dem Katalysatormaterial in dem elektrochemisch aktiven Bereich beschichtet oder kontaktiert.
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Das Membranmodul kann optional ergänzend einen Rahmen aufweisen oder eine zusätzliche Gasdiffusionslage aufweisen, welche aus einem porösen Material wie zum Beispiel Kohlenstoff besteht. Die Gasdiffusionslage – auch gas diffusion layer genannt – dient zur Verteilung der Arbeitsgase, insbesondere des Oxidanten, auf der Membran.
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Anodenseitig kann die Brennstoffzellenanordnung beliebig ausgebildet sein, insbesondere weist sie auf der Anodenseite ein Anodenplattenmodul auf, welches den Brennstoff bereitstellt.
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Die Brennstoffzellenanordnung umfasst ein Kathodenplattenmodul, welches zur Bereitstellung eines Oxidanten für den ersten Bereich ausgebildet ist. In dem Kathodenplattenmodul ist eine Strömungsstruktur (Flow-Field) eingebracht, zum Beispiel eingeformt, welche zur Führung des Oxidanten ausgebildet ist und hierzu eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kanälen aufweist. Das Kathodenplattenmodul kann beispielsweise, insbesondere im Bereich der Strömungsstruktur, aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein. Die ersten Kanäle sind mit einem Oxidanten insbesondere von einem Oxidanteneingang durchströmt. Insbesondere werden die ersten Kanäle ausgehend von dem Oxidanteneingang, insbesondere als Verteiler, strömungstechnisch parallel mit dem Oxidanten durchströmt. Bei dem Oxidanten handelt es sich besonders bevorzugt um Umgebungsluft. Insbesondere werden die ersten Kanäle ohne Zwischenschaltung der zweiten Kanäle mit dem Oxidanten durchströmt. Die zweiten Kanäle werden ebenfalls mit einem oder dem Oxidanten durchströmt. Hierbei können die zweiten Kanäle beispielsweise ebenfalls unmittelbar von dem Oxidanteneingang versorgt werden oder schließen sich strömungstechnisch seriell an die ersten Kanäle an und werden somit von dem Oxidanten aus den ersten Kanälen durchströmt. Besonders bevorzugt werden die Ausgänge der zweiten Kanäle zusammengefasst und bilden einen Oxidantenausgang. Ausgehend von dem Oxidantenausgang, insbesondere als Sammelausgang, sind die zweiten Kanäle strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet.
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In einer sehr einfachen Umsetzung der Erfindung wird der Oxidant somit von dem Oxidanteneingang durch den ersten Kanal und den zweiten Kanal zu dem Oxidantenausgang geführt, wobei das Kathodenplattenmodul bzw. die Strömungsstruktur eine Vielzahl derartiger erster und zweiter Kanäle aufweist. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann der Oxidant auch zunächst durch einen ersten Kanal, dann durch einen Zwischenkanal und dann durch den zweiten Kanal geführt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform werden die ersten und die zweiten Kanäle von dem Oxidanteneingang gespeist. Bevorzugt erstrecken sich die ersten und zweiten Kanäle über die gesamte Länge des ersten Bereichs.
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Die ersten und die zweiten Kanäle sind in der Strömungsstruktur in Paaren benachbart zueinander angeordnet, sodass in einem Paar ein erster und ein zweiter Kanal benachbart zueinander angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mehrzahl oder alle der Kanäle in derartigen Paaren geordnet. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es jedoch auch sinnvoll sein, dass jeweils zwei erste und zwei zweite Kanäle benachbart zueinander angeordnet sind, sodass jeder erste Kanal nur einen einzigen zweiten Kanal als Nachbar hat und mit diesem das Paar ausbildet. Die ersten und zweiten Kanäle der Paare sind bevorzugt über die gesamte Länge des ersten und ggf. des zweiten und dritten Bereichs parallel zueinander ausgerichtet. In einer einfachen Ausführungsform können die Kanäle alle gerade verlaufen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kanäle schlangenlinienartig oder mäandernd verlaufen, wobei jedoch erste und zweite Kanäle zueinander parallel verlaufen.
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Somit sind pro Paar mindestens ein erster und mindestens ein zweiter Kanal benachbart, vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, sodass ein Wärmeübertrag von dem ersten Kanal zu dem zweiten Kanal oder in Gegenrichtung erfolgen kann. Der Wärmeübertrag wird dadurch gefördert, dass die ersten und zweiten Kanäle in einem wärmeleitenden Werkstoff, wie z. B. einem metallischen Werkstoff angeordnet sind.
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Die Strömungsrichtungen des Oxidanten von einem ersten Kanal und einem zweiten Kanal eines Paares sind gegengleich ausgerichtet. Innerhalb eines Paares wird somit eine bidirektionale oder gegenläufige Strömung realisiert.
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Es ist es prinzipiell möglich, dass ein Wärmeübertrag von den zweiten Kanälen zu den ersten Kanälen erfolgt, wenn die Eingangstemperatur des Oxidanten an dem Oxidanteneingang geringer als die Ausgangstemperatur des Oxidanten an dem Oxidantenausgang bzw. nach den zweiten Kanälen ist. Die gegengleiche Strömungsrichtung führt dazu, dass an dem einen Ende der Oxidant mit einer sehr niedrigen Temperatur, nämlich der Eingangstemperatur, benachbart zu dem Oxidanten mit einer hohen Temperatur, nämlich der Ausgangstemperatur, liegt. Damit wird der eintretende Oxidant effektiv durch den austretenden Oxidanten vorgewärmt.
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In einem anderen Betriebszustand, nämlich wenn die Eingangstemperatur des Oxidanten höher ist als die Ausgangstemperatur des Oxidanten, wird – mit analoger Begründung – der eintretende Oxidant am Eingang am effektivsten gekühlt. Eine höhere Eingangstemperatur als die Ausgangstemperatur kann zum einen beim Betriebsstart der Brennstoffzellenanordnung. Zum anderen kann die höhere Eingangstemperatur in einem Normalbetrieb vorliegen, wenn der Oxidant aufgrund einer Kompression zur Druckerhöhung des Oxidanten erwärmt, also geladen wird, ist. In diesem bevorzugten Betriebszustand setzt die Brennstoffzellenanordnung einen integrierten Ladeluftkühler um.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenanordnung einen zweiten Bereich aufweist, der benachbart zu dem ersten Bereich angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Kanal eines Paares in dem zweiten Bereich miteinander wasser- oder wasserdampfdiffusionsoffen gekoppelt sind. In diesem zweiten Bereich wird es ermöglicht, dass Wasser oder Wasserdampf von dem Oxidanten in dem zweiten Kanal auf den Oxidanten in dem ersten Kanal übertragen werden kann. Eine Kommunikationsöffnung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal in dem zweiten Bereich ist nicht vorhanden, die beiden Kanäle sind voneinander strömungstechnisch isoliert.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass durch diese konstruktive Ausgestaltung die Funktion eines Befeuchtungsmoduls, insbesondere eines Luft-zu-Luft-Befeuchters, in die Brennstoffzellenanordnung integriert werden kann. Durch diese Ausgestaltung kann der Feuchtigkeitshaushalt in der Brennstoffzellenanordnung reguliert werden und das Betriebsverhalten der Brennstoffzellenanordnung verbessert werden. Zudem ergibt sich – im Vergleich mit Brennstoffzellenanordnungen mit einem externen Befeuchtungsmodul – die Einsparung von Bauteilen und somit ein Platz- sowie Kostengewinn.
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Insbesondere für den Fall, dass die Eingangstemperatur des Oxidanten höher ist als die Ausgangstemperatur des Oxidanten ist, ist in dem zweiten Bereich ein effektiver Wasserübertrag zu erwarten. Der Oxidant mit der hohen Eingangstemperatur kann nämlich eine große Menge an Wasser bzw. Wasserdampf aufnehmen, der Oxidant am Ausgang des zweiten Kanals ist dagegen durch das im Betrieb der Brennstoffzelle aufgrund der elektrochemischen Reaktion entstandene Wassers und der vergleichsweise niedrigen Temperatur gedrängt, das Wasser zumindest teilweise an den Oxidanten im ersten Kanal zu übertragen.
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Die Integration der externen Systemkomponenten, wie den Ladeluftkühler und/oder den Luft-zu-Luft Befeuchter in die Brennstoffzellenanordnung, kann auch zu einem verbesserten Betriebsverhalten bei einem Froststart führen. Während es bislang stets notwendig war, die Brennstoffzellen, den Ladeluftkühler und den Luft-zu-Luft-Befeuchter einzeln und unabhängig voneinander aufzutauen, kann dies nun zentral in der Brennstoffzellenanordnung erfolgen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Kanal eines Paares in dem zweiten Bereich zueinander gasdicht, insbesondere sauerstoffdicht isoliert. Durch diese Weiterbildung soll sichergestellt werden, dass der Partialdruck für Sauerstoff in dem Oxidanten in dem ersten Kanal, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird, nicht durch Diffusionsvorgänge von Sauerstoff in den zweiten Kanal reduziert wird. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass die Bereitstellung des Oxidanten bei einem Brennstoffzellensystem energieaufwendig ist. Um eine wirtschaftliche oder energiesparsame Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems zu erreichen, wird somit versucht, nur soviel wie nötig an Oxidanten in die Brennstoffzellenanordnung zu bringen. Tritt nun in dem zweiten Bereich Sauerstoff von dem ersten in den zweiten Kanal über, wird dieser nachfolgend über den Oxidantenausgang ausgeschieden und geht somit verloren. Durch diese Weiterbildung wird somit die Effektivität der Brennstoffzellenanordnung erhöht.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Kathodenplattenmodul dritte Kanäle auf oder ist mit diesen gekoppelt, wobei durch die dritten Kanäle eine Kühlflüssigkeit durchgeführt wird, bzw. durchführbar ist und wobei die dritten Kanäle zur insbesondere unmittelbaren Kühlung des ersten und des zweiten Bereichs angeordnet sind. Insbesondere sind die dritten Kanäle so angeordnet, dass diese in einer Draufsicht von oben auf die Brennstoffzellenanordnung deckungsgleich mit dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet sind. Die Kühlung des ersten Bereichs dient zur Abführung von Wärme, welche während des elektrochemischen Prozesses entsteht. Die Kühlung des zweiten Bereichs durch die dritten Kanäle hat zwei Gründe:
Zum einen wird der eintretende Oxidant temperiert. Betrachtet man wieder das Beispiel, dass der Oxidant von einem Kompressor zur Verfügung gestellt wird und eine Eingangstemperatur größer als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, also größer als z. B. 80°C aufweist, so führt die Kühlung des zweiten Bereichs zu einer frühen Temperierung des Oxidanten. Zum zweiten verkleinert die Kühlung des zweiten Bereichs die Gefahr einer Vereisung der Brennstoffzelle, da gerade bei einem Froststart der Brennstoffzellenanordnung, d. h. bei Temperaturen unter 0°C das Kühlmittel in den dritten Kanälen besonders früh angewärmt wird und – entgegen seinem Namen – die Brennstoffzellenanordnung im Bereich des zweiten und dritten Bereichs aufwärmt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die dritten Kanäle gewinkelt, insbesondere senkrecht zu den ersten und den zweiten Kanälen angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die durch die dritten Kanäle gebildete Kühlfläche homogen gekühlt wird und über den gesamten ersten Bereich homogene Betriebsverhältnisse für die elektrochemische Reaktion umgesetzt werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Brennstoffzellenanordnung einen dritten Bereich auf, der benachbart zu dem zweiten Bereich angeordnet ist, insbesondere so dass der zweite Bereich zwischen dem ersten und dritten Bereich positioniert ist. In dem dritten Bereich sind der erste und der zweite Kanal eines Paares voneinander gasdicht, insbesondere gasdiffusionsdicht, und wasserdiffusionsdicht voneinander getrennt. Es kann somit weder Wasser bzw. Wasserdampf noch Sauerstoff von einem Kanal zum nächsten übertreten. Allerdings ist in diesem Bereich ein Wärmeübertrag möglich, sodass der dritte Bereich eine Vorwärmzone bzw. Vorkühlzone für den Oxidanten bildet.
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Die gegengleiche Strömung ist besonders im Normalbetrieb der Brennstoffzellenanordnung vorteilhaft. Allerdings kann es in einem Sonderbetriebszustand der Brennstoffzellenanordnung auch vorteilhaft sein, dass die Strömungsrichtung von dem ersten und dem zweiten Kanal eines Paars gleichgerichtet sind. Insbesondere kann der Sonderbetriebszustand bei einem Start und bei Abschaltvorgängen der Brennstoffzellenanordnung eintreten. Es wird deshalb vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenanordnung eine Verteilereinrichtung zur Umschaltung der Strömungsrichtung aufweist, welche beispielsweise als eine oder mehrere Ventile ausgebildet sind, sodass in dem Sonderbetriebszustand die Strömungsrichtungen von dem ersten und dem zweiten Kanal eines Paares gleichgerichtet sind.
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Betrachtet man nochmals den ersten Bereich, so ist es besonders bevorzugt, dass der erste und der zweite Kanal eines Paares in dem ersten Bereich zueinander wasser- oder wasserdampfdiffusionsoffen und/oder sauerstoffdiffusionsoffen miteinander gekoppelt sind. Insbesondere in dem ersten Bereich wird somit erlaubt, dass sowohl ein Wasserübertrag als auch ein Sauerstoffübertrag erfolgt. Der Sauerstoffübertrag ist hier sinnvoll, da zu Beginn des ersten Kanals der Partialdruck des Sauerstoffs am höchsten ist und am Ende des zweiten Kanals am niedrigsten ist. Durch die sauerstoffdiffusionsoffene Kopplung erfolgt zwar ein gewisser stöchiometrischer Kurzschluss, jedoch werden die Betriebsbedingungen und insbesondere der Partialdruck des Sauerstoffs über die Lauflänge des ersten und zweiten Kanals homogenisiert, sodass ein gleichmäßigerer Betrieb der Brennstoffzellenanordnung ermöglicht ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal eines Paares in dem ersten Bereich durch Zwischenschaltung einer bzw. der Gasdiffusionslage und/oder des Membranmoduls selbst.
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Konstruktiv wird dies besonders bevorzugt dadurch umgesetzt, dass die ersten und die zweiten Kanäle zumindest im ersten Bereich als Nuten mit Öffnungsbereichen ausgebildet sind, wobei die Öffnungsbereiche in Richtung des Membranmoduls geöffnet sind. In dieser Ausgestaltung wird das Membranmodul sowohl durch den Oxidanten in dem ersten Kanal als auch über den Oxidanten in dem zweiten Kanal versorgt, wobei zugleich Ausgleichsprozesse hinsichtlich des Wasseranteils und des Partialdrucks des Sauerstoffs zwischen den Oxidanten in dem ersten und dem zweiten Bereich umgesetzt werden. Derartige Diffusionsprozesse wurden bislang stets als Verlustprozesse gesehen, werden jedoch bei dieser Ausführungsform der Erfindung zum Ausgleich des Partialdrucks bzw. zur Befeuchtung des Oxidanten eingesetzt.
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In einer konstruktiven Realisierung der Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass in dem zweiten Bereich die Öffnungsbereiche des ersten und des zweiten Kanals durch ein wasser- und/oder wasserdampfdiffusionsoffenes Material abgedeckt ist.
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Bei einer ersten möglichen Ausführungsform der Realisierung erstreckt sich die Gasdiffusionslage bis in den zweiten Bereich, wohingegen jedoch der elektrochemisch aktive Bereich auf den ersten Bereich begrenzt ist. Dies wird beispielsweise durch eine Begrenzung der Katalysatorschicht bzw. des Katalysatorbereichs umgesetzt. In diesem Fall ist es jedoch so, dass in dem zweiten Bereich sowohl und wie gewünscht Wasser bzw. Wasserdampf von einem Kanal zum anderen Kanal übertreten kann, jedoch auch – unerwünscht – Sauerstoff von einem Kanal zu dem anderen Kanal diffundiert.
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Bei einer zweiten möglichen Ausführungsform ist es möglich, dass als Material der Membranwerkstoff genutzt, so dass in dem zweiten Bereich die Offnungsbereiche durch die Membran des Membranmoduls, z. B. sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE), wie z. B. Nafion des Unternehmens DuPont, abgedeckt wird, wobei jedoch der für die Brennstoffzellenfunktion notwendige Katalysatorschicht weggelassen wurde.
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Als weitere Materialien kommen beispielsweise die folgenden Werkstoffe in Frage:
Polyimid (PI)
Polyphylsulfon (PPSU)
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Diese Werkstoffe sind besonders bevorzugt, da diese wasser- oder wasserdampfdiffusionsoffenen, aber sauerstoffdicht, insbesondere sauerstoffdiffusionsdicht sind.
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Konstruktiv betrachtet ist es möglich, dass die Gasdiffusionslage sowie das wasser- und/oder wasserdampfdiffusionsoffene Material im zweiten Bereich einteilig ausgeführt ist, wobei sich jedoch das Material in dem ersten und dem zweiten Bereich unterscheiden kann. In diesem Beispiel ist damit vorgesehen, dass sich an die Gasdiffusionslage ein Materialabschnitt aus einem anderen Material anschließt. Die einteilige Ausführungsform verbessert die Montagefreundlichkeit der Brennstoffzellenanordnung.
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Ein weiterer, möglicher Gegenstand der Erfindung bildet ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einem Oxidanteneingang, einem Oxidantenausgang sowie eine Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bzw. wie diese zuvor beschrieben wurde. Der Oxidanteneingang wird durch einen Kompressor gebildet, welcher den Oxidanten auf einen Überdruck von mindestens 200 Millibar, vorzugsweise mindestens 500 Millibar und insbesondere mindestens 800 Millibar lädt. Ausgehend von dem Oxidanteneingang bzw. dem Kompressor werden die ersten Kanäle in der Brennstoffzellenanordnung parallel mit dem Oxidanten durchströmt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1a eine schematische Blockdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b in gleicher Darstellung wie in 1 eine Brennstoffzellendarstellung als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Möglichkeit die Strömungsrichtung in den Kanälen mit Hilfe von Ventilen von gegensinnig auf gleichsinnig zu ändern;
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1c die Brennstoffzellenanordnung in der 1b mit auf gleichsinnige Strömungsrichtung umgeschalteten Kanälen;
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1d in gleicher Darstellung wie in 1a eine Brennstoffzellendarstellung als ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen schematischen Querschnitt durch die Brennstoffzellenanordnung zur Erläuterung des Aufbaus;
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3a, b, c drei schematische Querschnitte durch drei Bereiche der Brennstoffzellenanordnung.
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In der 1a ist stark schematisiert eine Brennstoffzellenanordnung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Brennstoffzellenanordnung 1 ist beispielsweise ein Teil eines Brennstoffzellensystems, wie dies zur Erzeugung von Antriebsenergie für ein Fahrzeug eingesetzt wird.
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In der Brennstoffzellenanordnung 1 wird ein elektrochemischer Prozess umgesetzt, wobei Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, mit einem Oxidanten, zum Beispiel Umgebungsluft, verarbeitet wird, um aus der chemischen Energie des Brennstoffs zusammen mit dem Oxidanten elektrische Energie zu erzeugen.
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Zur graphischen Vereinfachung ist in der 1 nur die Oxidantenzuführung 2 dargestellt, wohingegen auf die Brennstoffzuführung verzichtet wurde. Die Oxidantenzuführung 2 kann auch einen Bestandteil der Brennstoffzellenanordnung 1 bilden.
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Der Oxidant, insbesondere die Umgebungsluft, wird von einem Normaldruck über einen Kompressor 3 verdichtet, so dass an einem Oxidanteneingang 4 der Oxidant mit einem Überdruck von mindestens 200 millibar und im Volllastbetrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 von zum Beispiel 2 bar Überdruck vorliegt. Durch die Verdichtung wird der Oxidant erwärmt, jedoch ist ein externer bzw. separat zur Brennstoffzellenanordnung 1 angeordneter Ladeluftkühler zur Kühlung des Oxidanten nicht vorgesehen.
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Ferner ist ein Oxidantenausgang 5 dargestellt, der den durch die Brennstoffzellenanordnung 1 durchgeführten und teilverbrauchten Oxidant in die Umwelt entlässt. Nachdem der Oxidant auch am Oxidantenausgang 5 gegenüber der Umwelt mit einem Überdruck und einer höheren Temperatur vorliegt, ist dem Oxidantenausgang 5 eine Turbine 6 nachgeschaltet, um dessen Energieinhalt zu nutzen und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung 1 und damit des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
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In der 2 ist ein schmaler Ausschnitt eines Querschnitts durch die Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt, wobei sich in der Darstellung wieder auf die Kathodenseite, also die Oxidanteseite, beschränkt wird. Zentral ist ein Membranmodul 7 angeordnet, welches plattenförmig ausgebildet ist und welches eine protonenleitende Membran aufweist. Als Beschichtung auf der Membran ist ein Katalysatorbereich 8 angeordnet. Die Membran mit dem Katalysatorbereich 8 definiert einen elektrochemisch aktiven Bereich I in der Brennstoffzellenanordnung. Als weitere Lage weist die Brennstoffzellenanordnung 1 eine Gasdiffusionslage 9 auf, welche aus einem porösen Material aufgebaut ist. Als Material kommt beispielsweise ein Graphitpapier in Frage. Auf der Gasdiffusionslage 9 ist ein Kathodenplattenmodul 10 angeordnet, welches eine Strömungsstruktur zur Führung des Oxidanten aufweist. Im Betrieb wird durch das Kathodenplattenmodul 10 der Oxidant in der Strömungsstruktur bereitgestellt, diffundiert durch die Gasdiffusionslage 9 bzw. wird durch diese verteilt und wird von dem Katalysatorbereich 8 umgesetzt.
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Wie in der 1a dargestellt ist, umfasst die Strömungsstruktur in dem Kathodenplattenmodul 10 eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kanälen 11a, b. Die Eingänge der ersten und zweiten Kanäle 11a, b sind strömungstechnisch parallel mit dem Oxidanteneingang 4 verbunden. Die Ausgänge der ersten und zweiten Kanäle 11a, b sind strömungstechnisch parallel mit dem Oxidantenausgang 5 verbunden. Die ersten und zweiten Kanäle 11a, b sind abwechselnd angeordnet, wobei jeweils ein erster Kanal 11a mit einem benachbarten zweiten Kanal 11b ein Kanalpaar 13 bildet. Die ersten und zweiten Kanäle 11a, b sind parallel zueinander angeordnet, wobei die Strömungsrichtung in dem ersten und dem zweiten Kanal 11a, b eines Kanalpaars 13 gegenläufig ist, wie dies mit Pfeilen dargestellt ist.
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In der Kanalerstreckungsrichtung der ersten und zweiten Kanäle 11a, b ergeben sich drei Bereiche I, II, III, wobei der erste Bereich I zentral angeordnet ist, der zweite Bereich II benachbart zu dem ersten Bereich I angeordnet ist und diesen beidseitig umschließt und der dritte Bereich III wiederum den zweiten Bereich II umgreift.
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Der Weg des Oxidanten durch die Brennstoffzelleanordnung lässt sich kurz wie folgt skizzieren: Oxidanteneingang 4, erster Kanal 11a mit der Bereichsfolge III-II-I-II-III, Oxidantenausgang 5 bzw. Oxidanteneingang 4, zweiter Kanal 11b mit der Bereichsfolge III-II-I-II-III, Oxidantenausgang 5. In der Bereichsfolge III-II-I-II-III verlaufen der erste und der zweite Kanal 11a, b unmittelbar benachbart, so dass ein Wärmeaustausch zwischen den Kanälen 11a, b eines Kanalpaares 13 in jedem der Bereiche I, II, III erfolgt.
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Der genaue Aufbau der drei Bereiche I, II, III wird anhand der 3a, b, c erläutert, die jeweils einen Querschnitt durch einen Bereich zeigen, wobei in den 3, b, c nur noch die Unterschiede zu den vorhergehenden Querschnitten erläutert werden, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Die 3a zeigt einen Querschnitt durch den Bereich I, wobei wieder das Membranmodul 7, der Katalysatorbereich 8, die Gasdiffusionslage 9 und das Kathodenplattenmodul 10, dieses Mal jedoch mit mehr Einzelheiten zu erkennen ist. Insbesondere ist zu erkennen, dass der Oxidant in den ersten und die zweiten Kanäle 11a, b jeweils unterschiedliche Strömungsrichtungen hat.
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Die ersten und zweiten Kanäle 11a, b sind als Nuten ausgeführt, deren Öffnungen in Richtung des Membranmoduls 7 geöffnet sind. In der Darstellung ist das Kathodenplattenmodul 10 mit seiner Unterseite aus grafischen Gründen beabstandet zu der Gasdiffusionslage 9 gezeigt. Bei einer tatsächlichen Ausführungsform liegt das Kathodenplattenmodul 10 auf der Gasdiffusionslage 9 auf. Nachdem die Gasdiffusionslage 9 eine Diffusion von Sauerstoff und von Wasserdampf oder Wasser erlaubt, tritt gemäß der Pfeile 14 auch ein Austausch von Sauerstoff und Wasser zwischen den ersten und zweiten Kanälen 11a, b auf, wie dies schematisiert dargestellt ist. Allerdings werden diese Stoffe nicht nur – wie grafisch vereinfacht dargestellt – zwischen den Kanälen 11a, b eines Paares 13 ausgetauscht, sondern auch zwischen ersten und zweiten Kanälen 11a, b von unterschiedlichen Kanalpaaren 13.
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Nachdem die ersten und zweiten Kanäle 11a, b zueinander benachbart angeordnet sind, tritt ergänzend ein Wärmeaustausch gemäß Pfeil 15 auf. Der Wärmeaustausch ist besonders effektiv, da das Grundmaterial des Kathodenplattenmoduls ein metallischer Werkstoff ist, insbesondere sind die Kanäle 11a, b in den metallischen Werkstoff eingeformt.
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Zudem verlaufen Kühlkanäle als dritte Kanäle 16 in ihrer Erstreckungsrichtung senkrecht oder zumindest gewinkelt zu der Erstreckungsrichtung der ersten und zweiten Kanäle 11a, b. Der erste Bereich I beschränkt sich auf den elektrochemisch aktiven Bereich, also auf den Bereich, der durch die Flächenerstreckung des Katalysatorbereichs 8 definiert ist.
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In der 3b ist ein Querschnitt aus dem Bereich II dargestellt, welcher sich maßgeblich von dem ersten Bereich I dadurch unterscheidet, dass kein Katalysatorbereich 8 vorgesehen ist. Auch in diesem zweiten Bereich II liegt das Kathodenplattenmodul 10 auf einer Zwischenschicht 17 auf, welche entweder als die Gasdiffusionslage 9 ausgebildet ist oder aus einem zweiten Material ausgebildet ist. Falls die Zwischenschicht 17 als die Gasdiffusionslage 9 ausgebildet ist, werden im zweiten Bereich II sowohl Sauerstoff als auch Wasser zwischen den ersten und zweiten Kanälen 11a, b eines Kanalpaares 13 gemäß den Pfeilen 14 ausgetauscht. Statt der Gasdiffusionslage 9 kann jedoch auch ein anderes Material gewählt werden, welches nur eine Wasserdiffusionsfähigkeit, jedoch eine Sauerstoffdichtigkeit aufweist, so dass ein Sauerstoffaustausch verhindert ist. Auch dieser zweite Bereich II wird durch die dritten Kanäle 16 gekühlt.
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In dem in der 3c gezeigten dritten Bereich III ist im Gegensatz zu den vorhergehenden Figuren keine Wasserkühlung vorgesehen. Statt der Zwischenschicht 17 ist eine Abschlussschicht 18 angeordnet, die die ersten und zweiten Kanäle 11a, b abdichtet, die sowohl wasserdicht als auch gasdicht ausgebildet. Somit ist ein Austausch von Sauerstoff und Wasser verhindert, es ist jedoch ein Wärmeaustausch gemäß der Pfeile 15 möglich.
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Im Betrieb tritt der aufgrund der Verdichtung angewärmter Oxidant in den Oxidanteneingang 4 ein und durchläuft den dritten Bereich III. In dem dritten Bereich III wird Wärme zwischen benachbarten Kanälen 11a, b ausgetauscht. So ergibt sich ein Luft/Luft-Gegenstromwärmetauscher. Anders ausgedrückt tritt heiße Ladeluft aus dem Kompressor 3 in das Kathodenplattenmodul 10 ein und wird dabei durch den austretenden, gekühlten Oxidanten vorgekühlt. Der dritte Bereich III übernimmt somit die Funktion des Ladeluftkühlers, sodass ein separater Ladeluftkühler eingespart werden kann. Danach tritt der vorgekühlte Oxidant in den zweiten Bereich II ein.
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Der zweite Bereich II wird durch die dritten Kanäle 16 aktiv gekühlt. Hier wird der vorgekühlte Oxidant aus dem Oxidanteneingang 5 weiter herunter gekühlt und zwar auf eine für den elektrochemisch aktiven Bereich, also den ersten Bereich I, zulässige Temperatur. Dadurch, dass der zweite Bereich II stromabwärts vom dritten Bereich III angeordnet ist, kann eine Vereisung der ersten und zweiten Kanäle 11a, b bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt vermieden werden.
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Der erste Bereich I wird durch die dritten Kanäle 16 ebenfalls aktiv gekühlt. Der erste Bereich I ist deckungsgleich zum elektrochemisch aktiven Bereich, welcher durch den Katalysatorbereich 8 definiert ist. Hier steigt die Temperatur des Oxidanten beim Durchlaufen durch die ersten Kanäle 11a in Folge der Brennstoffzellenabwärme an.
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Nach Verlassen des ersten Bereichs I strömt der Oxidant wieder in den zweiten Bereich II und wird durch den Kühlkreislauf gekühlt, durchläuft den dritten Bereich III und tritt in den Oxidantenausgang 5 ein.
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Nachdem der Oxidant den ersten Bereich bereits durchquert hat, ist der Partialdruck an Sauerstoff im Vergleich seinem Zustand vor dem ersten Durchlauf gesunken. Dagegen ist der Wasser- oder Wasserdampfanteil gestiegen. In dem ersten Bereich I kann nun ein gewisser Ausgleich in Bezug auf den Sauerstoffpartialdruck und den Wasser- bzw. Wasserdampfanteil zwischen dem Oxidanten in dem ersten Kanal 11a und dem zweiten Kanal 11b erfolgen, so dass die Prozessbedingungen für den elektrochemischen Prozess in dem Bereich I verbessert werden.
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In der 1b ist eine abgewandelte Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung 1 in der 1a gezeigt, wobei in der 1b ergänzend vier Ventile 12 sowie einige Zwischenverbindungen integriert sind. Bei der in der 1b gezeigten Stellung der Ventile 12 wird der Oxidant so geleitet, wie in Zusammenhang mit der 1a beschrieben. Diese Ventilstellung wird insbesondere im Normalbetrieb, insbesondere Dauerbetrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 eingesetzt. In der 1c sind die Ventile 12 dagegen so geschaltet, dass die ersten und zweiten Kanäle 11a und 11b gleichsinnig von dem Oxidanten durchströmt werden. Diese Schaltstellung wird in Sonderbetriebsständen, wie z. B. einem Gefrierstart oder beim Abschalten der Brennstoffzellenanordnung 1 gewählt. Beim Gefrierstart wird die Brennstoffzellenanordnung 1 in der Schaltstellung besonders schnell aufgewärmt.
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Die 1d zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Oxidant von dem Oxidanteneingang 4 in die ersten Kanäle 11a geleitet wird und in einem Randbereich oder nach dem ersten Bereich I in die zweiten Kanäle 11b umgelenkt wird. Somit wird der Oxidant wie folgt geführt: Oxidanteneingang 4, erste Kanäle 11a über Bereich III, Bereich II und Bereich I, Umlenkung in die zweiten Kanäle 11b und Weiterführung über Bereich I, Bereich II und Bereich III, Oxidantenausgang 5. Dieses Ausführungsbeispiel ist aufgrund der geringeren Anforderungen an die Oxidantenführung außerhalb des Kathodenplattenmoduls 10 besonders einfach zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenanordnung
- 2
- Oxidantenzuführung
- 3
- Kompressor
- 4
- Oxidanteneingang
- 5
- Oxidantenausgang
- 6
- Turbine
- 7
- Membranmodul
- 8
- Katalysatorbereich
- 9
- Gasdiffusionslage
- 10
- Kathodenplattenmodul
- 11a, b
- Kanäle
- 12
- Ventile
- 13
- Kanalpaar
- 14
- Pfeile
- 15
- Pfeile
- 16
- Kühlkanäle
- 17
- Zwischenschicht
- 18
- Abschlussschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006017943 A1 [0003]
