DE102012221802A1 - Fuel cell e.g. polymer electrolyte fuel cell for driving hybrid motor car, has anode-cathode stack with fluid inlet ports arranged such that flow resistance of fluids flowing into ports along basic flow direction is made to increase - Google Patents

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Abstract

The fuel cell has an anode-cathode stack that is provided with lower and upper gas diffusion layers (14,20) and multiple fluid inlet ports (26,26a,26b). The flow resistance of fluids (30,34) flowing into the inlet ports along basic flow direction (27) is made to increase. A fluid outlet port (26c1) is provided with a side wall (36) which is aligned obliquely with respect to one of adjacent gas diffusion layer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)), die mindestens eine Gasdiffusionslage und eine Vielzahl daran angrenzender Fluideinlasskanäle umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug.The invention relates to a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)), which comprises at least one gas diffusion layer and a plurality of adjacent thereto fluid inlet channels. Furthermore, the invention relates to a use of such a fuel cell on a motor vehicle.

Brennstoffzellen, insbesondere solche von Hybrid-Kraftfahrzeugen, sind in bekannter Weise mit einem Anoden-Kathoden-Stapel (Bipolar-Plattenstapel) mit einer Vielzahl Anoden und Kathoden versehen, die jeweils mittels einer dazwischen angeordneten Membran getrennt sind. In der Membran findet ein Protonentransport statt, wofür an der einen Seite der Membran gasförmiger Wasserstoff und an der anderen Seite der Membran Luft als Reaktionsgase bereitgestellt werden. Die Bereitstellung erfolgt mittels je einer Gasdiffusionslage, zu der das jeweilige Fluid durch eine Vielzahl daran angrenzender Fluideinlasskanäle gefördert wird. Die Fluideinlasskanäle erstrecken sich eng nebeneinander über die Fläche der Gasdiffusionslage hinweg. Damit das Fluid in die Gasdiffusionslage eintritt, ist eine an die Gasdiffusionslage angrenzende Kanalwand vorgesehen, die von dem einströmenden Fluid zu überströmen ist. Beim Überströmen gelangt das Fluid so durch die Gasdiffusionslage hindurch und weiter in eine Fluidauslasskanal, um nachfolgend aus dem Anoden-Kathoden-Stapel abgeführt zu werden.Fuel cells, in particular those of hybrid motor vehicles, are provided in a known manner with an anode-cathode stack (bipolar plate stack) with a plurality of anodes and cathodes, which are each separated by means of a membrane arranged therebetween. Proton transport takes place in the membrane, for which purpose gaseous hydrogen is provided on one side of the membrane and air as reaction gases is provided on the other side of the membrane. The provision is effected by means of a respective gas diffusion layer, to which the respective fluid is conveyed through a plurality of adjoining fluid inlet channels. The fluid inlet channels extend closely adjacent each other across the surface of the gas diffusion layer. In order for the fluid to enter the gas diffusion layer, a channel wall adjoining the gas diffusion layer is provided, which is to be overflowed by the inflowing fluid. During overflow, the fluid thus passes through the gas diffusion layer and further into a fluid outlet channel to be subsequently discharged from the anode-cathode stack.

Mit dieser Gestaltung soll erreicht werden, dass das bereitgestellte Fluid möglichst gleichmäßig über die Fläche der Gasdiffusionslage hinweg verteilt wird. Dennoch ist die derartige Verteilung der Fluide an den Gasdiffusionslagen weiter verbesserungswürdig.With this design is to be achieved that the fluid provided is distributed as evenly as possible over the surface of the gas diffusion layer away. Nevertheless, the distribution of the fluids at the gas diffusion layers is in need of further improvement.

Gemäß der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, insbesondere zum Antreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, mit einem Anoden-Kathoden-Stapel geschaffen, der mindestens eine Gasdiffusionslage und eine Vielzahl daran angrenzender Fluideinlasskanäle umfasst. Dabei ist mindestens einer der Fluideinlasskanäle mit einem in Grundflussrichtung des darin entlang strömenden Fluides zunehmenden Strömungswiderstand gestaltet. Die derartigen Fluideinlasskanäle sind insbesondere zum Zuführen von Luft als Reaktionsgas zu der Gasdiffusionslage vorgesehen.According to the invention there is provided a fuel cell, in particular for driving a hybrid motor vehicle, comprising an anode-cathode stack comprising at least one gas diffusion layer and a plurality of fluid inlet channels adjacent thereto. In this case, at least one of the fluid inlet channels is designed with a flow resistance increasing in the direction of the base flow of the fluid flowing therealong. The fluid inlet passages of this kind are provided in particular for supplying air as reaction gas to the gas diffusion layer.

Der in Grundflussrichtung des in dem Fluideinlasskanal entlang strömenden Fluides zunehmende Strömungswiderstand ist bevorzugt mit einer in Grundflussrichtung sich verkleinernden Strömungsquerschnittsfläche gebildet. Der derartige Einlasskanal ist also in Grundflussrichtung sich verengend gestaltet.The flow resistance increasing in the basic flow direction of the fluid flowing in the fluid inlet channel is preferably formed with a flow cross-sectional area which decreases in the direction of the base flow. The inlet channel of this type is thus narrowing in the direction of the base flow.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Brennstoffzelle, insbesondere der oben genannten erfindungsgemäßen Art, mit einem Anoden-Kathoden-Stapel geschaffen, der mindestens eine Gasdiffusionslage und eine Vielzahl daran angrenzender Fluidauslasskanäle umfasst. Mindestens einer der Fluidauslasskanäle ist dabei mit einem in Grundflussrichtung des darin entlang strömenden Fluides abnehmenden Strömungswiderstand gestaltet.According to the invention, a fuel cell, in particular of the abovementioned type according to the invention, is furthermore provided with an anode-cathode stack which comprises at least one gas diffusion layer and a multiplicity of fluid outlet channels adjoining it. At least one of the fluid outlet channels is designed with a flow resistance decreasing in the direction of the base flow of the fluid flowing therealong.

Der in Grundflussrichtung des in dem Fluidauslasskanal entlang strömenden Fluides abnehmende Strömungswiderstand ist bevorzugt mit einer in Grundflussrichtung sich vergrößernden Strömungsquerschnittsfläche gebildet. Der derartige Auslasskanal ist also in Grundflussrichtung sich weitend gestaltet.The flow resistance decreasing in the basic flow direction of the fluid flowing in the fluid outlet channel is preferably formed with a flow cross-sectional area increasing in the direction of the base flow. The exhaust duct of this type is therefore designed to be wider in the direction of the basic flow.

Kanäle von Kanalstrukturen bekannter Brennstoffzellen sind mit so genannten Bipolarplatten gebildet und weisen innerhalb der zugehörigen aktiven Fläche der Gasdiffusionslage über die Strömungslänge hinweg einen stets gleich großen bzw. konstant großen Strömungswiderstand auf. Dieser konstante Strömungswiderstand ist in der Regel dadurch geschaffen, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche des jeweiligen Kanals über dessen Länge hinweg innerhalb dieser aktiven Fläche nicht ändert. Die Kanäle haben also überall identische Querschnittsflächen.Channels of channel structures of known fuel cells are formed with so-called bipolar plates and, within the associated active area of the gas diffusion layer, have a flow resistance that is always the same or constant over the flow length. This constant flow resistance is usually created by the fact that the flow cross-sectional area of the respective channel does not change over its length within this active area. The channels therefore have identical cross-sectional areas everywhere.

Es gibt dabei Kanalstrukturen, die als „durchgängige” Kanäle von einem Fluidzuführbereich zu einem Fluidabführbereich an dem Anoden-Kathoden-Stapel führen. Bei diesen durchgängigen Kanälen kann teilweise bei hohen Stromdichten der Bereich der zugehörigen Gasdiffusionslage unterhalb von zugehörigen Kanalwänden nicht mehr ausreichend mit Gasmolekülen versorgt werden. Dadurch sinkt das Potential, das an den Bipolarplatten abgegriffen wird, deutlich ab.There are channel structures that lead as "continuous" channels from a fluid delivery area to a fluid discharge area on the anode-cathode stack. In the case of these continuous channels, the area of the associated gas diffusion layer below associated channel walls can sometimes no longer be sufficiently supplied with gas molecules at high current densities. As a result, the potential, which is tapped at the bipolar plates, drops significantly.

Es gibt auch Kanalgeometrien mit einem so genannten „Dead-End” bzw. „toten Ende”, die also wie eine Sackgasse gestaltet sind. Bei diesen als Fluideinlasskanal wirkenden Kanälen wird das eintretende Fluid über die zugehörige Kanalwand hinweg in die dort angrenzende Gasdiffusionslage gezwungen, weil ja das Fluid am Ende dieses Kanals nicht entweichen kann. Aus der Gasdiffusionslage gelangt das Fluid dann in einen benachbarten zweiten Kanal, der als Fluidauslasskanal wirkt und sich in der Regel parallel zum erstgenannten Kanal sowie dessen Kanalwand erstreckt. Dieser zweite Kanal ist dann mit dem zugehörigen Fluidabführbereich verbunden, um das dann „verbrauchte” Fluid aus dem aktiven Bereich des Anoden-Kathoden-Stapels abzuführen. Bei dieser Struktur wird also an gewissen Positionen im Flussfeld der Fluss bzw. die Strömung durch die Gasdiffusionslage erzwungen. An diesen Positionen sinkt dann der elektrische Stromfluss nicht ab. Allerdings wird durch die hohe Strömung durch diese Bereiche der Druckverlust durch die gesamte Kanalstruktur stark vergrößert. Ferner ist der Vorteil nur an vergleichsweise wenigen Positionen vorhanden.There are also channel geometries with a so-called "dead-end" or "dead end", which are thus designed as a dead end. In these channels, which act as a fluid inlet channel, the incoming fluid is forced into the adjacent gas diffusion layer via the associated channel wall, because the fluid at the end of this channel can not escape. The fluid then passes from the gas diffusion layer into an adjacent second channel, which acts as a fluid outlet channel and generally extends parallel to the first-mentioned channel and its channel wall. This second channel is then connected to the associated Fluidabführbereich to remove the then "spent" fluid from the active region of the anode-cathode stack. In this structure, therefore, the flow or the flow through the gas diffusion layer is forced at certain positions in the flow field. At these positions then the electric current does not decrease. However, the high flow through these areas greatly increases the pressure loss through the entire channel structure. Furthermore, the advantage is only present in comparatively few positions.

Erfindungsgemäße Kanäle weisen hingegen einen sich über deren Strömungslänge verändernden Strömungswiderstand, insbesondere einen in Grundflussrichtung innerhalb des jeweiligen Kanals zunehmenden Strömungswiderstand auf. Dieser sich erhöhende Strömungswiderstand kann mittels Einbauten im Kanal realisiert sein. Besonders einfach ist der Strömungswiderstand aber durch eine entsprechende Kanalverengung gestaltet, die über die Strömungslänge hinweg auf der Einströmseite der Flächenschicht stetig zunimmt und insbesondere auf der Abströmseite der Flächenschicht stetig abnimmt. Gemäß der Erfindung werden vorzugsweise also z. B. in Grundflussrichtung konische Kanäle verwendet, die sich entlang der Flussrichtung verengen. Dadurch wird entlang des Kanals kontinuierlich ein gewisser Fluss von Fluid durch die Gasdiffusionslage erzwungen. Vorteilhaft weiten sich die Auslasskanäle in gleicher Weise, wie sich die Eingangskanäle verengen. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Nutzung der aktiven Fläche der zugehörigen Gasdiffusionslage bzw. der Katalysatorschicht sowie der Membranfläche (Membran Electrode Assembly, MEA) möglich.By contrast, channels according to the invention have a flow resistance which changes over their flow length, in particular a flow resistance which increases in the direction of the base flow within the respective channel. This increasing flow resistance can be realized by means of internals in the channel. However, the flow resistance is particularly simple by a corresponding channel constriction, which steadily increases over the flow length on the inflow side of the surface layer and, in particular, steadily decreases on the outflow side of the surface layer. According to the invention are therefore preferably z. B. used in the direction of flow conical channels narrowing along the direction of flow. This forces a certain flow of fluid through the gas diffusion layer continuously along the channel. Advantageously, the outlet channels widen in the same way as the input channels narrow. Thereby, a particularly uniform use of the active surface of the associated gas diffusion layer or the catalyst layer and the membrane surface (membrane Electrode Assembly, MEA) is possible.

Der mindestens eine Fluideinlasskanal bzw. Fluidauslasskanal weist vorteilhaft eine Seitenwand auf, die zu einer, von der angrenzenden Gasdiffusionslage gebildeten Ebene schräg ausgerichtet ist. Mit der derartigen Gestaltung ist zwischen der Kanalwand und der Gasdiffusionslage ein „Trichter” gebildet, in den hinein das Fluid über der Kanalwand in die Gasdiffusionslage gedrängt wird.The at least one fluid inlet channel or fluid outlet channel advantageously has a side wall, which is aligned obliquely to a plane formed by the adjacent gas diffusion layer. With such a design, a "funnel" is formed between the channel wall and the gas diffusion layer into which the fluid is forced over the channel wall into the gas diffusion layer.

Die oben erläuterte, erfindungsgemäße Zunahme und/oder Abnahme des Strömungswiderstands ist vorteilhaft mit der oben genannten „Dead-End-Struktur” kombiniert. Der mindestens eine Fluideinlasskanal bzw. Fluidauslasskanal ist dabei bevorzugt mit einem zugehörigen Kanalendbereich versehen, der spitz gestaltet ist. Das derartige Ende ist also nicht als stumpfes Ende gestaltet, sondern der Effekt des sich vergrößernden Strömungswiderstands ist konsequent auch bis zum letzten Ende des jeweiligen Kanals geführt. Entsprechend wird auch am Ende das Fluid aus dem Kanal über einen großen Flächenbereich gleichmäßig in die Gasdiffusionslage gedrängt.The above-explained increase and / or decrease of the flow resistance according to the invention is advantageously combined with the abovementioned dead-end structure. The at least one fluid inlet channel or fluid outlet channel is preferably provided with an associated channel end region, which is pointed. The end of this type is therefore not designed as a blunt end, but the effect of increasing flow resistance is consistently led to the last end of the respective channel. Accordingly, even at the end, the fluid is forced out of the channel over a large surface area uniformly in the gas diffusion layer.

Darüber hinaus führt bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorteilhaft mindestens ein Fluidzuführbereich in zwei zugehörige Fluideinlasskanäle bzw. zwei Fluidauslasskanäle führen in mindestens einen zugehörigen Fluidabführbereich. Die oben erläuterte, in Längsrichtung des Kanals konische Verengung eines Fluideinlasskanals bzw. Aufweitung eines Fluidauslasskanals führt auch bei einer Anordnung mehrerer solcher Kanäle nebeneinander zu einer vorteilhaften Strömungssituation. An der Aufteilung und am Zusammenstrom der Einzelströmungen ergeben sich dann nämlich spitz auseinanderlaufende bzw. zusammenlaufende Strömungswege mit entsprechend vorteilhaften laminaren Strömungen.In addition, in the fuel cell according to the invention, at least one fluid feed region advantageously leads into two associated fluid inlet channels or two fluid outlet channels lead into at least one associated fluid discharge region. The above-described, in the longitudinal direction of the channel conical constriction of a fluid inlet channel or expansion of a fluid outlet channel leads to an advantageous flow situation even with an arrangement of several such channels side by side. At the division and at the confluence of the individual flows then arise namely divergent divergent or confluent flow paths with correspondingly advantageous laminar flows.

Zwischen einem Fluideinlasskanal und einem nebengeordneten Fluidauslasskanal ist bevorzugt ein Kühlmittelkanal vorgesehen. Der Kühlmittelkanal kann in diesem Bereich platzsparend untergebracht und an den zugehörigen Bipolarplatten in vorteilhafter Weise angeströmt werden. Der Kühlmittelkanal ist vorzugsweise in Grundflussrichtung eines in dem Kühlmittelkanal entlang strömenden Kühlmittels mit einem gleich bleibenden Strömungswiderstand, insbesondere einer in Grundflussrichtung gleich groß bleibenden Strömungsquerschnittsfläche gebildet. Der Strömungskanal ist damit insbesondere für das Durchströmen mit einem flüssigen und damit weitgehend inkompressiblen Medium optimiert.Between a fluid inlet channel and a secondary fluid outlet channel, a coolant channel is preferably provided. The coolant channel can be accommodated in a space-saving manner in this area and can be flowed on the associated bipolar plates in an advantageous manner. The coolant channel is preferably formed in the basic flow direction of a coolant flowing along in the coolant channel with a constant flow resistance, in particular a flow cross-sectional area which remains the same size in the direction of the base flow. The flow channel is thus optimized in particular for the passage through a liquid and therefore largely incompressible medium.

Die Erfindung ist auch auf eine Verwendung einer derartigen, erfindungsgemäßen Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug gerichtet.The invention is also directed to a use of such a fuel cell according to the invention on a motor vehicle.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Lösungen näher erläutert. Es zeigt:An exemplary embodiment of the solution according to the invention will be explained in more detail below with reference to the attached schematic solutions. It shows:

1 eine perspektivische, aufgebrochene Ansicht einer Flächenschicht eines Anoden-Kathoden-Stapels einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik, 1 3 is a perspective, broken away view of a surface layer of an anode-cathode stack of a fuel cell according to the prior art,

2 eine vergrößerte Ansicht des Schnitts II-II in 1, 2 an enlarged view of the section II-II in 1 .

3 eine Ansicht gemäß 2 eines ersten Ausführungsbeispiels einer Flächenschicht eines Anoden-Kathoden-Stapels einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung und 3 a view according to 2 a first embodiment of a surface layer of an anode-cathode stack of a fuel cell according to the invention and

4 eine Ansicht gemäß 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Flächenschicht eines Anoden-Kathoden-Stapels einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung. 4 a view according to 2 of a second embodiment of a surface layer of an anode-cathode stack of a fuel cell according to the invention.

In 1 ist eine Flächenschicht 10 eines weiter nicht veranschaulichten Anoden-Kathoden-Stapels einer Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybridkraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht. Die Flächenschicht 10 umfasst in aufeinanderliegenden Schichten eine untere Membran 12 als „Membran Electrode Assembly”, eine untere Gasdiffusionslage 14, eine untere Bipolarplatte 16, eine obere Bipolarplatte 18, eine obere Gasdiffusionslage 20 und eine obere Membran 22. Die Membranen 12 und 22 sowie die Gasdiffusionslagen 14 und 20 erstrecken sich dabei über eine aktive Fläche, innerhalb der die Bipolarplatten 16 und 18 eine Kanalstruktur 24 mit einer Vielzahl Kanälen 26 bilden. Die Bipolarplatten 16 und 18 sind jeweils aus einer Metallfolie mittels Stanzen bzw. Prägen geformt. Der Kanalstruktur 24 vorgelagert befinden sich eine Verteilerstruktur 28, die ebenfalls mit den Bipolarplatten 16 und 18 gebildet ist. Die Verteilerstruktur 28 dient dazu, insgesamt drei Fluide, nämlich Luft 30, flüssiges Kühlmittel 32 sowie gasförmigen Wasserstoff 34 (H2) möglichst gleichmäßig in die Kanalstruktur 24 zu verteilen.In 1 is a surface layer 10 a further not illustrated anode-cathode stack of a fuel cell for a motor vehicle, in particular a hybrid motor vehicle according to the prior art illustrated. The surface layer 10 comprises in lower layers a lower membrane 12 as "Membrane Electrode Assembly", a lower gas diffusion layer 14 . a lower bipolar plate 16 , an upper bipolar plate 18 , an upper gas diffusion layer 20 and an upper membrane 22 , The membranes 12 and 22 as well as the gas diffusion layers 14 and 20 extend over an active area within which the bipolar plates 16 and 18 a channel structure 24 with a variety of channels 26 form. The bipolar plates 16 and 18 are each formed from a metal foil by means of stamping or embossing. The channel structure 24 upstream are a distribution structure 28 also with the bipolar plates 16 and 18 is formed. The distribution structure 28 serves a total of three fluids, namely air 30 , liquid coolant 32 as well as gaseous hydrogen 34 (H 2 ) as evenly as possible in the channel structure 24 to distribute.

In der 2 ist die Kanalstruktur 24 aus 1 nochmals im Detail im Bereich der aktiven Flächen der Flächenschicht 10 veranschaulicht. Die Kanalstruktur 24 umfasst insgesamt drei verschiedene Kanalarten, deren Kanäle 26a, 26b und 26c mittels der beiden Bipolarplatten 16 und 18 voneinander abgegrenzt sind. Die Kanäle 26a grenzen über der unteren Gasdiffusionslage 14 an diese. Diese Kanäle 26a dienen zum Zuführen des Wasserstoffs 34. Die Kanäle 26b sind zwischen den beiden Bipolarplatten 16 sowie 18 angeordnet und dienen zum Führen des Kühlmittels 32. Unter der oberen Gasdiffusionslage 20 befinden sich schließlich die Kanäle 26c, durch die die Luft 30 geleitet wird.In the 2 is the channel structure 24 out 1 again in detail in the area of the active surfaces of the surface layer 10 illustrated. The channel structure 24 comprises a total of three different types of channels, their channels 26a . 26b and 26c by means of the two bipolar plates 16 and 18 are delimited from each other. The channels 26a boundaries above the lower gas diffusion layer 14 to this. These channels 26a serve to supply the hydrogen 34 , The channels 26b are between the two bipolar plates 16 such as 18 arranged and serve to guide the coolant 32 , Under the upper gas diffusion layer 20 are finally the channels 26c through which the air 30 is directed.

Die derartigen Kanäle 26a, 26b und 26c erstrecken sich parallel zueinander, wobei in der Schichtung an der Flächenschicht 10 die Kanäle 26a nebeneinander aufgereiht eine untere Lage bzw. Schicht bilden, die Kanäle 26b nebeneinander aufgereiht jeweils dazwischen eine mittlere Lage bilden, und die Kanäle 26c nebeneinander aufgereiht jeweils über den Kanälen 26a eine obere Lage bilden.Such channels 26a . 26b and 26c extend parallel to each other, wherein in the layering on the surface layer 10 the channels 26a lined up next to each other to form a lower layer or layer, the channels 26b lined up next to each other in between forming a middle layer, and the channels 26c juxtaposed in each case above the channels 26a to form an upper layer.

Zugehörige Kanalstege bzw. Kanalwände 36 der beiden Bipolarplatten 16 und 18 sind jeweils derart schräg zur Ebene der Gasdiffusionslagen 14 bzw. 20 ausgerichtet, dass die Kanäle 26a und 26c im Querschnitt als ein zur Gasdiffusionslage 14 bzw. 20 hin sich öffnendes Trapez und die Kanäle 26b im Querschnitt als ein Sechseck gestaltet sind.Associated channel webs or channel walls 36 the two bipolar plates 16 and 18 are each so inclined to the plane of the gas diffusion layers 14 respectively. 20 aligned that the channels 26a and 26c in cross section as a gas diffusion layer 14 respectively. 20 opening trapeze and the channels 26b are designed in cross-section as a hexagon.

In ihrer Längserstreckung bzw. Grundflussrichtung (siehe Pfeile 27 in 2) weisen die Kanäle 26a, 26b und 26c gemäß 2 sämtlich eine stets gleich große Strömungsquerschnittsfläche 36a, 36b bzw. 36c und entsprechend einen stets gleich großen Strömungswiderstand für dort in der Grundflussrichtung 27 hindurch fließendes Fluid auf.In their longitudinal extent or basic flow direction (see arrows 27 in 2 ) have the channels 26a . 26b and 26c according to 2 all an always equal flow cross-sectional area 36a . 36b respectively. 36c and correspondingly a flow resistance that is always the same for there in the basic flow direction 27 through flowing fluid.

Die 2 veranschaulicht insbesondere die Strömungssituation der Fluide 30, 32 und 34 innerhalb der Kanäle 26a, 26b und 26c zwischen der unteren Gasdiffusionslage 14 sowie der oberen Gasdiffusionslage 20. Die Fluide 30, 32 und 34 strömen jeweils von der Verteilerstruktur 28 kommend durch die jeweils zugeordneten Kanäle 26a, 26b bzw. 26c. Der Wasserstoff 34 in den Kanälen 26a gelangt dabei am freien bzw. offenen Bereich der Kanäle 26a in die Gasdiffusionslage 14 und ferner auch am Rand der freien Bereiche seitlich unter den Kanalwänden 36 in die Gasdiffusionslage 14. In gleicher Weise gelangt die Luft 30 in den Kanälen 26c an deren freien Bereich in die Gasdiffusionslage 20 und auch seitlich über den Kanalwänden 36 in die Gasdiffusionslage 20 (siehe Pfeile 38 in 2).The 2 illustrates in particular the flow situation of the fluids 30 . 32 and 34 within the channels 26a . 26b and 26c between the lower gas diffusion layer 14 and the upper gas diffusion layer 20 , The fluids 30 . 32 and 34 each flow from the distribution structure 28 coming through the respectively assigned channels 26a . 26b respectively. 26c , The hydrogen 34 in the channels 26a arrives at the free or open area of the channels 26a in the gas diffusion layer 14 and further also at the edge of the free areas laterally under the channel walls 36 in the gas diffusion layer 14 , The air gets in the same way 30 in the channels 26c at their free area in the gas diffusion layer 20 and also laterally over the canal walls 36 in the gas diffusion layer 20 (see arrows 38 in 2 ).

Im Bereich der Kanalwände 36 dringt dabei vergleichsweise wenig Gas in die Gasdiffusionslagen 14 bzw. 20 ein. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass das jeweils durch den Kanal 26a bzw. 26c strömende Gas in diesen Bereich der Gasdiffusionslagen 14 bzw. 20 nicht hineingezwungen werden kann. Das Gas folgt stattdessen dem geringsten Strömungswiderstand bzw. dem größeren Partialdruckgefälle (Konzentrationsgradient), was bedeutet, dass es in Längsrichtung der jeweiligen Kanäle 26a bzw. 26c abströmt. Die Partialdrücke sind die einzigen treibenden Kräfte für einen Fluidtransport von und zu den Bereichen unterhalb der Kanalwände 36.In the area of the canal walls 36 penetrates comparatively little gas in the gas diffusion layers 14 respectively. 20 one. This is particularly due to the fact that each through the channel 26a respectively. 26c flowing gas into this area of the gas diffusion layers 14 respectively. 20 can not be forced into it. The gas instead follows the lowest flow resistance or the larger partial pressure gradient (concentration gradient), which means that it is in the longitudinal direction of the respective channels 26a respectively. 26c flows. The partial pressures are the only driving forces for fluid transport from and to the areas below the channel walls 36 ,

In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel veranschaulicht, mit dem der Gaseintrag von Luft 30 in die obere Gasdiffusionslage 20 verbessert ist. Zu diesem Zweck sind zunächst die zugehörigen Kanäle 26c als „Dead-End-Struktur” bzw. als Sackgassen mit einem geschlossenen Ende gestaltet. Dabei erstreckt sich jeweils ein Fluideinlasskanal 26c1 zwischen zwei Fluidauslasskanälen 26c2.In 3 a first embodiment is illustrated with which the gas entry of air 30 in the upper gas diffusion layer 20 is improved. For this purpose, first the associated channels 26c designed as a "dead-end structure" or as dead ends with a closed end. In each case, a fluid inlet channel extends 26c1 between two fluid outlet channels 26c2 ,

Der jeweilige Fluideinlasskanal 26c1 ist am Ende (nicht dargestellt) geschlossen gestaltet, so dass das in diesen Kanal eintretende Fluid, insbesondere die dortige Luft, nicht am Ende ausströmen kann. Die Luft muss stattdessen über die Kanalwände 36 hinweg in die Gasdiffusionslage 20 eintreten und weiter in einen der nebengeordneten Fluidauslasskanäle 26c2 strömen (siehe Pfeile 38 in 3). Nur so kann dieses Fluid wieder aus der Kanalstruktur 26 austreten. Auch bei diesem Weg folgt das Fluid dem Weg des geringsten Widerstands, doch führt dieser Weg dieses Mal zwingend durch die Gasdiffusionslage 20. Um den Effekt des Hineindrängens des Fluides in die Gasdiffusionslage 20 weiter zu verbessern, sind diese oberen Einlasskanäle 26c1 mit einem in Grundflussrichtung 27 sich vergrößerndem bzw. zunehmenden Strömungswiderstand gestaltet. Dies ist erreicht, indem die Einlasskanäle 26c1 in Richtung der Strömung, also in ihrer Längsrichtung hinein in die Kanalstruktur 26, mit einer stetig kleiner werdenden Strömungsquerschnittsfläche 36c1 gestaltet sind.The respective fluid inlet channel 26c1 is at the end (not shown) designed to be closed, so that the fluid entering this channel, in particular the local air, can not flow out at the end. The air has to go over the canal walls instead 36 into the gas diffusion layer 20 enter and further into one of the sibling Fluidauslasskanäle 26c2 flow (see arrows 38 in 3 ). Only then can this fluid again from the channel structure 26 escape. Also in this way, the fluid follows the path of least resistance, but this time necessarily leads through the gas diffusion layer 20 , To the effect of pushing the fluid into the gas diffusion layer 20 To further improve, these are upper intake ports 26c1 with one in the direction of the bottom flow 27 designed increasing or increasing flow resistance. This is achieved by the inlet channels 26c1 in the direction of the flow, ie in its longitudinal direction into the channel structure 26 , with a steadily decreasing flow cross-sectional area 36c1 are designed.

In gleicher Weise sind auch die nebengeordneten Fluidauslasskanäle 26c2 mit einem in Grundflussrichtung 27 sich verkleinerndem bzw. abnehmenden Strömungswiderstand gestaltet. Dazu sind diese Fluidauslasskanäle 26c2 in Richtung der Strömung mit einer stetig größer werdenden Strömungsquerschnittsfläche 36c2 gestaltet. Realisiert sind diese sich ändernden Strömungsquerschnittsflächen 36c1 und 36c2 in besonders einfacher Weise, indem die Kanalwände 36 auch schräg zur Grundflussrichtung 27 bzw. zur Längsrichtung der jeweiligen Strömungen ausgerichtet sind, so dass sich in der Draufsicht für jeden der Kanäle 26c1 und 26c2 eine V-Form ergibt.In the same way are the sibling Fluidauslasskanäle 26c2 with one in the direction of the bottom flow 27 designed decreasing or decreasing flow resistance. These are these Fluidauslasskanäle 26c2 in the direction of the flow with a steadily increasing flow cross-sectional area 36c2 designed. These are realized changing flow cross-sectional areas 36c1 and 36c2 in a particularly simple way, by the channel walls 36 also obliquely to the basic flow direction 27 are aligned to the longitudinal direction of the respective flows, so that in the plan view for each of the channels 26c1 and 26c2 gives a V-shape.

Bei dieser V-Form sind die jeweiligen Kanalendbereiche bzw. Enden (nicht dargestellt) der Kanäle 26c1 und 26c2 spitz gestaltet, so dass an einem solchen Endbereich aus der Verteilerstruktur 28 als Fluidzuführbereich die Luft 30 in zwei dort unmittelbar nebeneinander angeordnete Fluideinasskanäle 26c1 gefördert wird. In entsprechender Weise gelangt am Ende der Kanalstruktur 26 die Luft 30 aus zwei nebeneinander angeordneten Fluidauslasskanälen unmittelbar und weitgehend laminar strömend in einen zugehörigen Fluidabführbereich. Dieser Fluidabführbereich ist dann seinerseits mit einer der Verteilerstruktur 28 entsprechenden Struktur gestaltet.In this V-shape, the respective channel end regions or ends (not shown) of the channels are 26c1 and 26c2 designed pointed, so that at such an end portion of the distribution structure 28 as Fluidzuführbereich the air 30 in two there directly juxtaposed Fluideinasskanäle 26c1 is encouraged. In a similar way arrives at the end of the channel structure 26 the air 30 from two juxtaposed Fluidauslasskanälen immediately and largely laminar flowing in an associated Fluidabführbereich. This Fluidabführbereich is then in turn with one of the manifold structure 28 appropriate structure designed.

Zwischen je einem Fluideinlasskanal 26c1 und einem nebengeordneten Fluidauslasskanal 26c2 erstreckt sich auch bei der Gestaltung gemäß 3 ein mittlerer Kanal 26b. Dabei weist dieser Kanal 26b in Längsrichtung betrachtet stets eine gleich große Strömungsquerschnittsfläche auf. Es ist nur so, dass auf der Höhe der Kanäle 26c1 und 26c2 die zugehörigen Kanalwände 36 gemäß der oben erläuterten Struktur der Kanäle 26c1 und 26c2 zwar parallel verlaufen, sich aber dennoch schräg zur Längsrichtung erstrecken.Between each one fluid inlet channel 26c1 and a sibling fluid outlet channel 26c2 also extends in the design according to 3 a middle channel 26b , This channel has this channel 26b viewed in the longitudinal direction always on the same size flow cross-sectional area. It's just that at the height of the channels 26c1 and 26c2 the associated channel walls 36 according to the above-explained structure of the channels 26c1 and 26c2 Although parallel, but still extend obliquely to the longitudinal direction.

Auf der Höhe der unteren Kanäle 26a ist die Kanalstruktur 24 gemäß 3 hingegen wie bei dem Beispiel gemäß 2 gestaltet, so dass dort die Kanalwände 36 auch in Längsrichtung ausgerichtet sind.At the height of the lower channels 26a is the channel structure 24 according to 3 however, as in the example according to 2 designed so that there are the channel walls 36 are also aligned in the longitudinal direction.

Bei der Variante gemäß 4 sind auch die Kanalwände 36 der unteren Kanäle 26a so wie die der Kanäle 26c1 und 26c2 gemäß 3 gestaltet. Damit weist diese Schicht für das Führen des Wasserstoffs 34 über und in die Gasdiffusionslage 14 ebenfalls in der Draufsicht V-förmige Fluideinlasskanäle 26a1 und auch nebengeordnete Fluidauslasskanäle 26a2 auf. Somit wird auch für den Wasserstoff 34 die oben erläuterte Wirkung eines besonders gleichmäßigen Eintrags in die Gasdiffusionslage 14 erreicht.In the variant according to 4 are also the channel walls 36 the lower channels 26a like the channels 26c1 and 26c2 according to 3 designed. Thus, this layer indicates the passage of hydrogen 34 above and into the gas diffusion layer 14 also in plan view V-shaped fluid inlet channels 26a1 and also sibling fluid outlet channels 26a2 on. Thus, also for the hydrogen 34 the above-explained effect of a particularly uniform entry into the gas diffusion layer 14 reached.

Schließlich ist erfindungsgemäß auch eine (nicht dargestellte) Ausführungsvariante möglich, bei der sich die Grundflussrichtungen 27 der Kanäle 26a und 26c nicht (wie bei den obigen Beispielen) weitgehend parallel zueinander erstrecken, sondern schräg oder (besonders bevorzugt) weitgehend rechtwinklig zueinander erstrecken. Die Kanäle 26b erstrecken sich dann als Kreuznetz zwischen den beiden Bipolarplatten 16 und 18, um den sich dazwischen befindenden Raum mit Kühlmittel 32 zu füllen.Finally, according to the invention also a (not shown) embodiment variant is possible, in which the basic flow directions 27 of the channels 26a and 26c not (as in the above examples) extend substantially parallel to each other, but obliquely or (particularly preferably) extend substantially perpendicular to each other. The channels 26b then extend as a cross network between the two bipolar plates 16 and 18 around the intervening space with coolant 32 to fill.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Flächenschicht einer BrennstoffzelleSurface layer of a fuel cell
1212
Membranmembrane
1414
GasdiffusionslageGas diffusion layer
1616
Bipolarplattebipolar
1818
Bipolarplattebipolar
2020
GasdiffusionslageGas diffusion layer
2222
Membranmembrane
2424
Kanalstrukturchannel structure
2626
Kanalchannel
26a26a
Kanalchannel
26b26b
Kanalchannel
26c26c
Kanalchannel
26a126a1
FluideinlasskanalFluid inlet channel
26a226a2
Fluidauslasskanalfluid outlet
26c126c1
FluideinlasskanalFluid inlet channel
26c226c2
Fluidauslasskanalfluid outlet
2727
GrundflussrichtungBasic flow direction
2828
Verteilerstrukturdistribution structure
3030
Luftair
3232
Kühlmittelcoolant
3434
Wasserstoffhydrogen
3636
Kanalwandchannel wall
36a36a
StrömungsquerschnittsflächeFlow area
36b36b
StrömungsquerschnittsflächeFlow area
36c36c
StrömungsquerschnittsflächeFlow area
36c136c1
StrömungsquerschnittsflächeFlow area
36c236c2
StrömungsquerschnittsflächeFlow area
3838
Pfeil (Strömung der Luft über der Kanalwand in die Gasdiffusionslage)Arrow (flow of air over the channel wall into the gas diffusion layer)

Claims (10)

Brennstoffzelle, insbesondere zum Antreiben eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, mit einem Anoden-Kathoden-Stapel, der mindestens eine Gasdiffusionslage (14, 20) und eine Vielzahl daran angrenzender Fluideinlasskanäle (26, 26a, 26b, 26c) umfasst, bei der mindestens einer der Fluideinlasskanäle (26a1, 26c1) mit einem in Grundflussrichtung (27) des darin entlang strömenden Fluides (30, 34) zunehmenden Strömungswiderstand gestaltet ist.Fuel cell, in particular for driving a hybrid motor vehicle, having an anode-cathode stack, the at least one gas diffusion layer ( 14 . 20 ) and a plurality of adjacent thereto fluid inlet channels ( 26 . 26a . 26b . 26c ), wherein at least one of the fluid inlet channels ( 26a1 . 26c1 ) with a in the direction of flow ( 27 ) of the fluid flowing therealong ( 30 . 34 ) Increasing flow resistance is designed. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der in Grundflussrichtung (27) des in dem Fluideinlasskanal (26a1, 26c1) entlang strömenden Fluides (30, 34) zunehmende Strömungswiderstand mit einer in Grundflussrichtung (27) sich verkleinernden Strömungsquerschnittsfläche (36c1) gebildet ist.Fuel cell according to Claim 1, in which the flow direction ( 27 ) in the fluid inlet channel ( 26a1 . 26c1 ) along flowing fluid ( 30 . 34 ) increasing flow resistance with an in Basic flow direction ( 27 ) decreasing flow area ( 36c1 ) is formed. Brennstoffzelle, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Anoden-Kathoden-Stapel, der mindestens eine Gasdiffusionslage (14, 20) und eine Vielzahl daran angrenzender Fluidauslasskanäle (26, 26a, 26b, 26c) umfasst, bei der mindestens einer der Fluidauslasskanäle (26a2, 26c2) mit einem in Grundflussrichtung (27) des darin entlang strömenden Fluides (30, 34) abnehmenden Strömungswiderstand gestaltet ist.Fuel cell, in particular according to claim 1 or 2, with an anode-cathode stack, the at least one gas diffusion layer ( 14 . 20 ) and a plurality of adjacent thereto Fluidauslasskanäle ( 26 . 26a . 26b . 26c ), wherein at least one of the fluid outlet channels ( 26a2 . 26c2 ) with a in the direction of flow ( 27 ) of the fluid flowing therealong ( 30 . 34 ) decreasing flow resistance is designed. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, bei der der in Grundflussrichtung (27) des in dem Fluidauslasskanal (26a2, 26c2) entlang strömenden Fluides (30, 34) abnehmende Strömungswiderstand mit einer in Grundflussrichtung (27) sich vergrößernden Strömungsquerschnittsfläche (36c2) gebildet ist.Fuel cell according to Claim 3, in which the flow direction ( 27 ) in the fluid outlet channel ( 26a2 . 26c2 ) along flowing fluid ( 30 . 34 ) decreasing flow resistance with one in the basic flow direction ( 27 ) increasing flow cross-sectional area ( 36c2 ) is formed. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der mindestens eine Fluideinlasskanal (26a1, 26c1) bzw. Fluidauslasskanal (26a2, 26c2) eine Seitenwand (36) aufweist, die zu einer, von der angrenzenden Gasdiffusionslage (14, 20) gebildeten Ebene schräg ausgerichtet ist.Fuel cell according to one of claims 1 to 4, wherein the at least one fluid inlet channel ( 26a1 . 26c1 ) or fluid outlet channel ( 26a2 . 26c2 ) a side wall ( 36 ) leading to, from the adjacent gas diffusion layer ( 14 . 20 ) is oriented obliquely. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der mindestens eine Fluideinlasskanal (26a1, 26c1) bzw. Fluidauslasskanal (26a2, 26c2) mit einem zugehörigen Kanalendbereich versehen ist, der spitz gestaltet ist.Fuel cell according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one fluid inlet channel ( 26a1 . 26c1 ) or fluid outlet channel ( 26a2 . 26c2 ) is provided with an associated Kanalendbereich, which is pointed. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der mindestens ein Fluidzuführbereich (28) in zwei zugehörige Fluideinlasskanäle (26a1, 26c1) führt bzw. zwei Fluidauslasskanäle (26a2, 26c2) in mindestens einen zugehörigen Fluidabführbereich führen.Fuel cell according to one of Claims 1 to 6, in which at least one fluid feed region ( 28 ) into two associated fluid inlet channels ( 26a1 . 26c1 ) or two fluid outlet channels ( 26a2 . 26c2 ) into at least one associated Fluidabführbereich. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zwischen einem Fluideinlasskanal (26a1, 26c1) und einem nebengeordneten Fluidauslasskanal (26a2, 26c2) ein Kühlmittelkanal (26b) vorgesehen ist.Fuel cell according to one of claims 1 to 7, wherein between a fluid inlet channel ( 26a1 . 26c1 ) and a sibling fluid outlet channel ( 26a2 . 26c2 ) a coolant channel ( 26b ) is provided. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, bei der der Kühlmittelkanal (26b) in Grundflussrichtung (27) eines in dem Kühlmittelkanal (26b) entlang strömenden Kühlmittels (32) mit einem gleich bleibenden Strömungswiderstand, insbesondere einer in Grundflussrichtung (27) gleich groß bleibenden Strömungsquerschnittsfläche (36b) gebildet ist.Fuel cell according to Claim 8, in which the coolant channel ( 26b ) in the direction of the basic flow ( 27 ) one in the coolant channel ( 26b ) along flowing coolant ( 32 ) with a constant flow resistance, in particular one in the direction of the basic flow ( 27 ) of equal flow cross-sectional area ( 36b ) is formed. Verwendung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an einem Kraftfahrzeug.Use of a fuel cell according to one of claims 1 to 9 on a motor vehicle.
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