DE102013226815A1

DE102013226815A1 - fuel cell

Info

Publication number: DE102013226815A1
Application number: DE102013226815.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Ketterer; Jan Hendrik Ohs; Stefan Schoenbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10) mit voneinander durch eine Elektrolytmembran (4) getrennte Elektroden (5, 6), mit Separatorelementen (11, 21), die sich jeweils an eine der Elektroden (5, 6) anschließen, wobei die Separatorelemente(11, 21) jeweils einen das Separatorelement (11, 21) durchbrechenden Zufuhrkanal (12, 22) und eine Verteilstruktur (13, 23), die sich an einer ersten Kante (18, 28) des Zufuhrkanals (12, 22) anschließt, aufweisen, wodurch ein Fluid der jeweiligen Elektrode (5, 6) zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektroden (5, 6) sich an der Elektrolytmembran (4) entlang zumindest einer der ersten Kanten (18, 28) erstrecken.The invention relates to a fuel cell (10) with electrodes (5, 6) separated from one another by an electrolyte membrane (4), with separator elements (11, 21) which respectively adjoin one of the electrodes (5, 6), the separator elements ( 11, 21) each have a separator passage (12, 22) penetrating the separator element (11, 21) and a distribution structure (13, 23) adjoining a first edge (18, 28) of the feed channel (12, 22) , whereby a fluid of the respective electrode (5, 6) can be fed. According to the invention, it is provided that the electrodes (5, 6) extend along the electrolyte membrane (4) along at least one of the first edges (18, 28).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit voneinander durch eine Elektrolytmembran getrennte Elektroden, mit Separatorelementen, die sich jeweils an eine der Elektroden anschließen, wobei die Separatorelemente jeweils einen das Separatorelement durchbrechenden Zufuhrkanal und eine Verteilstruktur, die sich an einer ersten Kante des Zufuhrkanals anschließt, aufweisen, wodurch ein Fluid der jeweiligen Elektrode zuführbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Patentanspruch 10.The invention relates to a fuel cell with electrodes separated from one another by an electrolyte membrane, with separator elements which in each case adjoin one of the electrodes, the separator elements each having a feed channel which penetrates the separator element and a distribution structure which adjoins a first edge of the feed channel. whereby a fluid can be fed to the respective electrode, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel cell stack according to the patent claim 10.

Stand der TechnikState of the art

Die Druckschrift DE 10 2008 056 900 A1 offenbart eine Bipolarplatte als Separatorelement für eine Brennstoffzelle, deren Elektroden sich überall dort erstrecken, wo sowohl der Anode als auch der Kathode das jeweilige Edukt der elektrochemischen Reaktion zugeführt wird. Nachteilig an der Anordnung ist, dass sich die Elektroden nicht über einen Teil eines Einströmbereichs einer Verteilstruktur erstrecken. Somit steht ein Teil der Fläche der Bipolarplatte nicht als aktive Fläche zur Verfügung, so dass die Leistung der Brennstoffzelle gering ist. Zudem müssen die Elektroden in geometrisch komplexen Formen ausgestaltet sein.The publication DE 10 2008 056 900 A1 discloses a bipolar plate as a separator for a fuel cell, the electrodes of which extend everywhere where both the anode and the cathode, the respective starting material of the electrochemical reaction is supplied. A disadvantage of the arrangement is that the electrodes do not extend over part of an inflow region of a distribution structure. Thus, part of the area of the bipolar plate is not available as an active area, so that the performance of the fuel cell is low. In addition, the electrodes must be designed in geometrically complex shapes.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die zumindest einen Nachteil des Standes der Technik überwindet. Insbesondere sollen die Elektroden geometrisch einfache Formen aufweisen und/oder die Leistung der Brennstoffzelle soll erhöht werden.It is the object of the invention to provide a fuel cell which overcomes at least one disadvantage of the prior art. In particular, the electrodes should have geometrically simple shapes and / or the power of the fuel cell should be increased.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle mit sämtlichen Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Brennstoffzelle sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Anspruch 10. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben sind, gelten dabei auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.To solve the problem, a fuel cell with all the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the fuel cell are given in the dependent device claims. The object is further achieved by a fuel cell stack according to claim 10. Features and details which are described in connection with the fuel cell according to the invention, also apply in connection with the fuel cell stack according to the invention and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in combination.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektroden sich an der Elektrolytmembran entlang zumindest einer der ersten Kanten erstrecken. Die Elektroden erstrecken sich in einer Draufsicht an zumindest einer der ersten Kanten. Selbstverständlich ist eine der Elektroden von der ersten Kante durch die Elektrolytmembran getrennt. Durch Anordnung an einer der ersten Kanten kann erreicht werden, dass die Elektroden in einer geometrisch einfachen Form ausgestaltet sind. Erfindungsgemäß ist es ausreichend, wenn sich die Elektroden in einer Draufsicht an einem Abschnitt der ersten Kante erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die Elektroden an dem Abschnitt der ersten Kante, an dem auch die Verteilstruktur angeordnet ist. Insbesondere sind die Elektroden und die Verteilstruktur an der ersten Kante in einer Draufsicht in Deckung. Es ist denkbar, dass die jeweilige Verteilstruktur und/oder die Elektroden sich an mehrere Kanten des ersten und/oder des zweiten Zufuhrkanals erstrecken. According to the invention, the electrodes extend along the electrolyte membrane along at least one of the first edges. The electrodes extend in a plan view on at least one of the first edges. Of course, one of the electrodes is separated from the first edge by the electrolyte membrane. By arranging on one of the first edges, it can be achieved that the electrodes are configured in a geometrically simple form. According to the invention, it is sufficient if the electrodes extend in a plan view at a portion of the first edge. Preferably, the electrodes extend at the portion of the first edge on which the distribution structure is arranged. In particular, the electrodes and the distribution structure at the first edge in a plan view in a cover. It is conceivable that the respective distribution structure and / or the electrodes extend to a plurality of edges of the first and / or the second supply channel.

Die Fluide führen den Elektroden die Edukte der elektrochemischen Reaktion zu. Hierbei wird Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Ein Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, wird einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Hierbei kann der Kathode Sauerstoff enthaltene Luft als Fluid zugeführt werden. Die Elektrolytmembran kann insbesondere als eine Polymerelektrolytmembran ausgeführt sein.The fluids supply the starting materials to the electrodes for the electrochemical reaction. Here, fuel, in particular hydrogen, an anode of the fuel cell is supplied. An oxidizing agent, in particular oxygen, is supplied to a cathode of the fuel cell. In this case, the air contained in the cathode can be supplied with oxygen as fluid. The electrolyte membrane may in particular be designed as a polymer electrolyte membrane.

Das Separatorelement, das sich an die Anode anschließt, wird als erstes Separatorelement bezeichnet. Das erste Separatorelement weist einen ersten Zufuhrkanal für das Brennstoff führende Fluid auf. Der erste Zufuhrkanal und die fluidisch mit dem ersten Zufuhrkanal verbundene erste Verteilstruktur des ersten Separatorelementes führen somit den Brennstoff der Anode zu. Das Separatorelement, das sich an die Kathode anschließt, wird als zweites Separatorelement bezeichnet. Das zweite Separatorelement weist einen zweiten Zufuhrkanal für das Oxidationsmittel führende Fluid auf. Der zweite Zufuhrkanal und die fluidisch mit dem zweiten Zufuhrkanal verbundene, zweite Verteilstruktur des zweiten Separatorelementes führen somit das Oxidationsmittel der Kathode zu.The separator element, which adjoins the anode, is referred to as the first separator element. The first separator element has a first supply channel for the fuel-carrying fluid. The first supply channel and the first distribution structure of the first separator element which is fluidically connected to the first supply channel thus supply the fuel to the anode. The separator element, which adjoins the cathode, is referred to as a second separator element. The second separator element has a second supply channel for the oxidant leading fluid. The second supply channel and the second distribution structure of the second separator element which is fluidically connected to the second supply channel thus supply the oxidant to the cathode.

Das jeweilige Fluid kann durch den ersten Zufuhrkanal oder den zweiten Zufuhrkanal in einer ersten Strömungsrichtung strömen. Hierdurch kann das Fluid insbesondere von einer Brennstoffzelle zu einer nächsten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels strömen. Die jeweilige Verteilstruktur ist insbesondere so an dem jeweiligen Zufuhrkanal angeordnet, dass das Fluid in einer zweiten Strömungsrichtung, die sich von der ersten Strömungsrichtung unterscheidet, in die Verteilstruktur strömt. The respective fluid can flow through the first supply channel or the second supply channel in a first flow direction. As a result, the fluid can flow in particular from one fuel cell to a next fuel cell of the fuel cell stack. In particular, the respective distribution structure is arranged on the respective supply channel in such a way that the fluid flows into the distribution structure in a second flow direction, which differs from the first flow direction.

Vorzugsweise weist zumindest eine der Verteilstrukturen, d. h. die erste und/oder die zweite Verteilstruktur, einen Einströmbereich auf, dessen eine Seite an der ersten Kante des jeweiligen Zufuhrkanals angeordnet ist und durch den das Fluid auf die maximale Breite der jeweiligen Elektrode verteilbar ist. Weist die Verteilstruktur einen Einströmbereich auf, so ist die erste Kante des Zufuhrkanals von einer geringeren Breite als die maximale Breite der Elektrode. Durch den Einströmbereich kann sich das Fluid, ausgehend von der Kante des Zufuhrkanals, auf die maximale Breite der Elektrode verteilen. An der maximalen Breite endet der Einströmbereich. Die Elektroden an der Elektrolytmembran können sich in einer Draufsicht entlang dem Einströmbereich erstrecken. Preferably, at least one of the distribution structures, ie, the first and / or the second distribution structure, an inflow, one side of which is disposed on the first edge of the respective supply channel and through which the fluid to the maximum width of the respective electrode distributed is. If the distribution structure has an inflow region, the first edge of the delivery channel is of a smaller width than the maximum width of the electrode. Through the inflow region, the fluid, starting from the edge of the feed channel, can be distributed over the maximum width of the electrode. At the maximum width of the inflow ends. The electrodes on the electrolyte membrane may extend in a plan view along the inflow region.

Besonders bevorzugt ist der Einströmbereich, an dem entlang sich die Elektroden erstrecken, in einer Draufsicht auf die Elektrolytmembran vollständig von der Verteilstruktur des anderen Separatorelementes überlagert. Das heißt, dass der Einströmbereich, an dem entlang sich die Elektroden erstrecken, in seinen räumlichen Ausmaßen vollständig von der anderen Verteilstruktur überdeckt ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass in dem gesamten Einströmbereich, an dem sich die Elektroden erstrecken, die Edukte der elektrochemischen Reaktion den Elektroden zugeführt werden. Somit kann über der gesamten Fläche dieses Einströmbereichs die elektrochemische Reaktion stattfinden. Daher ist das gesamte Elektrodenmaterial in dem Einströmbereich elektrochemisch aktiv. Dadurch dass erfindungsgemäß die Elektroden bereits an einer Kante eines Zufuhrkanals beginnen, wird die Fläche des Separatorelements besonders gut zur elektrischen Stromerzeugung ausgenutzt. Insbesondere kann der Einströmbereich der ersten Verteilstruktur vollständig von der zweiten Verteilstruktur überdeckt sein.Particularly preferably, the inflow region, along which the electrodes extend, is completely overlaid in a plan view of the electrolyte membrane by the distribution structure of the other separator element. This means that the inflow region, along which the electrodes extend, is completely covered in its spatial dimensions by the other distribution structure. In this way, it can be ensured that the educts of the electrochemical reaction are supplied to the electrodes in the entire inflow region, on which the electrodes extend. Thus, the electrochemical reaction can take place over the entire area of this inflow region. Therefore, the entire electrode material is electrochemically active in the inflow region. Since, according to the invention, the electrodes already begin at one edge of a supply channel, the surface of the separator element is used particularly well for generating electrical power. In particular, the inflow region of the first distribution structure can be completely covered by the second distribution structure.

Es ist denkbar, dass die erste und die zweite Verteilstruktur jeweils einen Einströmbereich aufweisen. Insbesondere kann der Einströmbereich der einen Verteilstruktur den Einströmbereich der anderen Verteilstruktur überdecken oder deckungsgleich zu dem Einströmbereich der anderen Verteilstruktur sein. Alternativ kann nur die erste oder die zweite Verteilstruktur einen Einströmbereich aufweisen. So ist es denkbar, dass die erste Kante des jeweiligen Zufuhrkanals der maximalen Breite der Verteilstruktur entspricht und die Verteilstruktur somit kein Einströmbereich aufweist. Dieses ist insbesondere für die zweite Verteilstruktur denkbar.It is conceivable that the first and the second distribution structure each have an inflow region. In particular, the inflow region of one distribution structure can cover the inflow region of the other distribution structure or be congruent with the inflow region of the other distribution structure. Alternatively, only the first or the second distribution structure can have an inflow region. Thus, it is conceivable that the first edge of the respective supply channel corresponds to the maximum width of the distribution structure and thus the distribution structure has no inflow region. This is conceivable in particular for the second distribution structure.

Um zu erreichen, dass der Einströmbereich, an dem entlang sich die Elektroden erstrecken, in einer Draufsicht vollständig von der Verteilstruktur des anderen Separatorelementes überlagert ist, sind verschiedene geometrische Optionen denkbar.In order to achieve that the inflow region, along which the electrodes extend, is completely overlaid in a plan view by the distribution structure of the other separator element, various geometric options are conceivable.

Zum einen können die Zufuhrkanäle der Separatorplatten in einer Draufsicht auf die Elektrolytmembran sich gegenüberliegend angeordnet sein. Der erste Zufuhrkanal liegt somit gegenüber dem zweiten Zufuhrkanal. Insbesondere können die Zufuhrkanäle seitlich der Elektroden angeordnet sein. Hierbei weisen insbesondere beide Separatorplatten Einströmbereiche auf. Der erste und der zweite Zufuhrkanal können auf gleicher Höhe der Separatorplatten angeordnet sein. Der erste und der zweite Zufuhrkanal können dieselben räumlichen Ausmaße aufweisen. Insbesondere können die Einströmbereiche der ersten und der zweiten Verteilstruktur deckungsgleich sein.On the one hand, the supply channels of the separator plates can be arranged opposite one another in a plan view of the electrolyte membrane. The first supply channel is thus opposite the second supply channel. In particular, the supply channels can be arranged laterally of the electrodes. In particular, both separator plates have inflow regions. The first and the second supply channel can be arranged at the same height of the separator plates. The first and second supply channels may have the same spatial dimensions. In particular, the inflow regions of the first and the second distribution structure can be congruent.

In einer weiteren geometrischen Option sind die Zufuhrkanäle, insbesondere der erste und der zweite Zufuhrkanal, in einer Draufsicht in einem Winkel zueinander angeordnet. Insbesondere können der erste und der zweite Zufuhrkanal in einem 90° Winkel zueinander angeordnet sein. In a further geometric option, the supply channels, in particular the first and the second supply channel, are arranged at an angle to each other in a plan view. In particular, the first and the second supply channel can be arranged at a 90 ° angle to each other.

Vorzugsweise erstrecken sich die Elektroden in einer Draufsicht nur dort, wo sich die erste und die zweite Verteilstruktur überdecken. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Elektroden nur dort angeordnet sind, wo eine elektrochemische Reaktion möglich ist.Preferably, the electrodes extend in a plan view only where the first and the second distribution structure overlap. In this way it can be ensured that the electrodes are arranged only where an electrochemical reaction is possible.

Es ist denkbar, dass die Elektroden in einer Draufsicht rechteckförmig ausgebildet sind. Hierdurch kann die Brennstoffzelle geometrisch besonders einfach ausgebildet und somit kostengünstig herzustellen sein.It is conceivable that the electrodes are rectangular in a plan view. As a result, the fuel cell can be geometrically particularly simple and thus inexpensive to manufacture.

Insbesondere weist jedes Separatorelement einen das Separatorelement durchbrechenden Abfuhrkanal auf. Der Abfuhrkanal dient der Abfuhr des jeweiligen Fluids aus der Brennstoffzelle. Zumindest eine der Verteilstrukturen, d. h. die erste und/oder die zweite Verteilstruktur, kann einen Ausströmbereich aufweisen, dessen eine Seite an dem Abfuhrkanal angeordnet ist und der zum Zuführen des jeweiligen Fluids von der maximalen Breite der jeweiligen Elektrode zu dem Abfuhrkanal dient. Weist die Verteilstruktur einen Ausströmbereich auf, so ist die erste Kante des Abfuhrkanals von einer geringeren Breite als die maximale Breite der Elektrode. Durch den Ausströmbereich kann sich das Fluid, ausgehend von der maximalen Breite der Elektrode zusammengeführt werden. An der maximalen Breite beginnt der Ausströmbereich. In particular, each separator element has a discharge channel which passes through the separator element. The discharge channel serves to remove the respective fluid from the fuel cell. At least one of the distribution structures, i. H. the first and / or the second distribution structure, may have an outflow region, whose one side is arranged on the discharge channel and which serves for supplying the respective fluid from the maximum width of the respective electrode to the discharge channel. If the distribution structure has an outflow region, then the first edge of the discharge channel is of a smaller width than the maximum width of the electrode. Through the outflow region, the fluid can be merged, starting from the maximum width of the electrode. At the maximum width of the outflow begins.

Die erste und/oder die zweite Verteilstruktur kann einen Hauptverteilbereich aufweisen, dessen Breite der maximalen Breite der Elektrode entspricht. The first and / or the second distribution structure may have a main distribution region whose width corresponds to the maximum width of the electrode.

Insbesondere grenzen der Einströmbereich und/oder der Ausströmbereich an dem Hauptverteilbereich an.In particular, the inflow region and / or the outflow region adjoin the main distribution region.

Die Elektroden können sich an der Elektrolytmembran entlang dem Ausströmbereich erstrecken. Besonders bevorzugt ist der Ausströmbereich, an dem entlang sich die Elektroden erstrecken, in einer Draufsicht auf die Elektrolytmembran vollständig von der Verteilstruktur des anderen Separatorelementes überlagert. Hierdurch können ebenfalls die Elektrodenbereiche, die sich an den Ausströmbereich anschließen, vollständig elektrochemisch genutzt werden. Weisen beide Verteilstrukturen Einströmbereiche und/oder Ausströmbereiche auf, so können die Elektroden beide Einström- und/oder Ausströmbereiche überdecken.The electrodes may extend on the electrolyte membrane along the outflow area. Particularly preferably, the outflow region, along which the electrodes extend, in a plan view of the electrolyte membrane completely from the distribution structure of the other separator element superimposed. As a result, the electrode regions which adjoin the outflow region can likewise be used completely electrochemically. If both distribution structures have inflow regions and / or outflow regions, then the electrodes can cover both inflow and / or outflow regions.

Alternativ erstrecken sich die Elektroden sich nur bis zu einem Übergang zwischen Hauptverteilbereich und dem Ausströmbereich. D. h. der Ausströmbereich ist elektrochemisch inaktiv. Da die Konzentration der Edukte im Ausströmbereich geringer ist als im Einströmbereich und somit die elektrische Spannung, die durch die elektrochemische Reaktion im Ausströmbereich erzeugbar ist, gering ist, ist es denkbar, dass eine Ausdehnung der Elektroden auf den Ausströmbereich wirtschaftlich nicht rentabel ist.Alternatively, the electrodes only extend to a transition between the main distribution region and the discharge region. Ie. the outflow area is electrochemically inactive. Since the concentration of the educts in the outflow region is lower than in the inflow region and thus the electrical voltage that can be generated by the electrochemical reaction in the outflow region is low, it is conceivable that expansion of the electrodes to the outflow region is not economically viable.

Die erste und/oder zweite Verteilstruktur kann derart ausgeformt sein, dass das Fluid in der ersten und/oder zweiten Verteilstruktur quer zu einer Strömungsrichtung bewegbar ist. Bevorzugt können der Einströmbereich und/oder der Ausströmbereich derart ausgeformt sein, dass das Fluid in dem Einströmbereich und/oder dem Ausströmbereich quer zu einer Strömungsrichtung bewegbar ist. Hierbei kann sich bevorzugt das Fluid vollständig in der Verteilstruktur, insbesondere in dem Einström- und/oder Ausströmbereich, bewegen. Insbesondere kann die erste und/oder zweite Verteilstruktur eine dreidimensionale, poröse Struktur aufweisen. Der Einströmbereich und/oder der Ausströmbereich kann eine dreidimensionale, poröse Struktur oder eine Vertiefung mit Stützstreben aufweisen. Die poröse dreidimensionale Struktur kann z. B. ein Metalldrahtgewebe, ein Streckmetall oder einen poröser Metallschaum sein. Der Einström- und/oder Ausströmbereich kann bevorzugt einen geringeren Strömungswiderstand als der Hauptverteilbereich aufweisen. Durch die poröse Struktur oder die Vertiefung können die Fluide den Elektroden besonders gleichmäßig zugeführt werden. Hierdurch ist eine homogene, flächendeckende Versorgung der Elektroden mit den Edukten gegeben. Dieses führt zu einer Steigerung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle.The first and / or second distribution structure may be formed such that the fluid in the first and / or second distribution structure is movable transversely to a flow direction. Preferably, the inflow region and / or the outflow region can be formed such that the fluid in the inflow region and / or the outflow region is movable transversely to a flow direction. In this case, the fluid can preferably move completely in the distribution structure, in particular in the inflow and / or outflow region. In particular, the first and / or second distribution structure may have a three-dimensional, porous structure. The inflow region and / or the outflow region can have a three-dimensional, porous structure or a depression with support struts. The porous three-dimensional structure may, for. As a metal wire mesh, an expanded metal or a porous metal foam. The inflow and / or outflow region may preferably have a lower flow resistance than the main distribution region. Due to the porous structure or the depression, the fluids can be supplied to the electrodes particularly uniformly. As a result, a homogeneous, nationwide supply of the electrodes with the educts is given. This leads to an increase in the electrical power of the fuel cell.

Soweit zuvor Zufuhr-, Abfuhrkanälen und Verteilstrukturen beschrieben sind, so sind jeweils die ersten und/oder zweiten Zufuhr-, Abfuhrkanälen und Verteilstrukturen gemeint. Die Separatorelemente können weitere Zufuhrkanäle, Abfuhrkanäle und/oder Verteilstrukturen aufweisen. So können in jedem der Separatorelemente ein Zufuhrkanal, ein Abfuhrkanal und eine Verteilstruktur für ein Kühlmittel vorhanden sein. Ferner kann das erste Separatorelement einen Zufuhrkanal, einen Abfuhrkanal und eine Verteilstruktur für ein Oxidationsmittel aufweisen. Die Verteilstruktur für das Oxidationsmittel dient zur Zuführung des Oxidationsmittels an eine Kathode einer benachbarten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels. Ebenso kann das zweite Separatorelement einen Zufuhrkanal, einen Abfuhrkanal und eine Verteilstruktur für einen Brennstoff aufweisen. Die Verteilstruktur für den Brennstoff dient zur Zuführung des Brennstoffs an eine Anode einer benachbarten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels. Somit können die Separatorelemente als Bipolarplatte ausgestaltet sein. Die jeweiligen Zufuhrkanäle sind das Separatorelement durchbrechend ausgestaltet, so dass die Zufuhrkanäle mehrerer hintereinander angeordneter Separatorelemente einen Zufuhrdurchgang für das jeweilige Fluid durch den Brennstoffzellenstapel bilden. Entsprechend sind die Abfuhrkanäle so angeordnet, dass ein Abfuhrdurchgang des Brennstoffzellenstapels gebildet ist.As far as supply and discharge channels and distribution structures have been described, the first and / or second supply, discharge and distribution structures are meant respectively. The separator elements may have further feed channels, discharge channels and / or distribution structures. Thus, in each of the separator elements, a supply channel, a discharge channel and a distribution structure for a coolant may be present. Furthermore, the first separator element may have a supply channel, a discharge channel and a distribution structure for an oxidizing agent. The oxidizer distribution structure serves to supply the oxidant to a cathode of an adjacent fuel cell of the fuel cell stack. Likewise, the second separator element may comprise a supply channel, a discharge channel and a distribution structure for a fuel. The distribution structure for the fuel serves to supply the fuel to an anode of an adjacent fuel cell of the fuel cell stack. Thus, the separator elements can be designed as a bipolar plate. The respective feed channels are designed to break through the separator element, so that the feed channels of a plurality of separator elements arranged one behind the other form a feed passage for the respective fluid through the fuel cell stack. Accordingly, the discharge channels are arranged so that a discharge passage of the fuel cell stack is formed.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gelöst.The object of the invention is also achieved by a fuel cell stack having at least two fuel cells according to the invention.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen der Beschreibung oder Zeichnung der vorgegebenen Merkmalen oder Vorteile einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of the embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the claims of the description or drawing of the given features or advantages including design details, spatial arrangement and method steps may be essential to the invention both in itself and in various combinations. Show it:

1 eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 1 an exploded view of a first embodiment of a fuel cell according to the invention,

2 ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel gemäß der Linie A-A aus 1, 2 a section through a fuel cell stack according to the invention along the line AA 1 .

3 eine schematische Zeichnung für die Brennstoffzelle aus 1, in der die Anordnung der Verteilstrukturen und der Elektroden dargestellt ist, 3 a schematic drawing for the fuel cell 1 in which the arrangement of the distribution structures and the electrodes is shown,

4 eine weitere schematische Zeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 4 a further schematic drawing of a second embodiment of a fuel cell according to the invention,

5 eine weitere schematische Zeichnung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 5 a further schematic drawing of a third embodiment of a fuel cell according to the invention,

6 eine weitere schematische Zeichnung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 6 a further schematic drawing of a fourth embodiment of a fuel cell according to the invention,

7 eine weitere schematische Zeichnung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 7 a further schematic drawing of a fifth embodiment of a fuel cell according to the invention,

8 eine weitere schematische Zeichnung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und 8th a further schematic drawing of a sixth embodiment of a fuel cell according to the invention and

9 eine weitere schematische Zeichnung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. 9 a further schematic drawing of a seventh embodiment of a fuel cell according to the invention.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Elements with the same function and mode of operation are designated in the figures with the same reference numerals.

In 1 ist eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10 dargestellt. In 2 ist ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 1, der exemplarisch aus drei erfindungsgemäßen Brennstoffzellen 2, 9, 10 aufgebaut ist, dargestellt. Die in 1 dargestellte Brennstoffzelle 10 entspricht der mittleren, in der 2 dargestellten Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenstapels 1.In 1 is an exploded view of a fuel cell according to the invention 10 shown. In 2 is a fuel cell stack according to the invention 1 , which exemplifies three fuel cells according to the invention 2 . 9 . 10 is constructed, shown. In the 1 illustrated fuel cell 10 corresponds to the middle, in the 2 illustrated fuel cell 10 of the fuel cell stack 1 ,

In der in 1 dargestellten Brennstoffzelle 10 befinden sich eine Anode 5 und eine Kathode 6, zwischen denen eine Elektrolytmembran 4 angeordnet ist. Die Elektrolytmembran 4 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Elektroden 5, 6 und die Elektrolytmembran 4 bilden zusammen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 3. An die Elektroden 5, 6 schließen sich, durch eine nicht dargestellte Gasdiffusionsschicht getrennt, jeweils ein Separatorelement 11, 21 an. In the in 1 illustrated fuel cell 10 There is an anode 5 and a cathode 6 between which an electrolyte membrane 4 is arranged. The electrolyte membrane 4 is formed as a polymer electrolyte membrane. The electrodes 5 . 6 and the electrolyte membrane 4 together form a membrane-electrode unit (MEA) 3 , To the electrodes 5 . 6 close, separated by a gas diffusion layer, not shown, in each case a separator 11 . 21 at.

In 1 sind die Separatorelemente 11, 21 jeweils in einer Draufsicht dargestellt. Hierbei ist jeweils eine Oberfläche 33, 34 der Separatorelemente 11, 21 dargestellt. Die Oberflächen 33, 34 schließen sich im zusammengebauten Zustand der Brennstoffzelle 10 an die jeweilige Elektroden 5, 6 an. Somit müssen die Separatorelemente 11, 21 in 1 jeweils um eine Achse 35, 36 gemäß den Pfeilen 37, 38 um 90° gedreht werden, um die Brennstoffzelle 10 zusammenzusetzen.In 1 are the separator elements 11 . 21 each shown in a plan view. Here is one surface each 33 . 34 the separator elements 11 . 21 shown. The surfaces 33 . 34 close in the assembled state of the fuel cell 10 to the respective electrodes 5 . 6 at. Thus, the separator elements 11 . 21 in 1 one axis at a time 35 . 36 according to the arrows 37 . 38 rotated 90 ° to the fuel cell 10 reassemble.

Das erste Separatorelement 11, das sich an die Anode 5 anschließt, weist einen ersten Zufuhrkanal 12 auf, durch den ein Wasserstoff enthaltenes Fluid der Anode 5 zugeführt wird. Eine erste Verteilstruktur 13 ist mit dem Zufuhrkanal 12 fluidisch verbunden, so dass das Wasserstoff enthaltene Fluid von dem Zufuhrkanal 12 in die Verteilstruktur 13 strömen kann. Die Verteilstruktur 13 ist zu der Anode 5 hin offen ausgebildet, so dass das Fluid von der Verteilstruktur 13 zu der Anode 5 gelangen kann. Ein erster Abfuhrkanal 14 führt das Fluid aus der Brennstoffzelle 10 hinaus. Der Abfuhrkanal 14 ist mit der ersten Verteilstruktur 13 fluidisch verbunden. The first separator element 11 that is attached to the anode 5 connects, has a first supply channel 12 on, by the hydrogen containing fluid of the anode 5 is supplied. A first distribution structure 13 is with the feed channel 12 fluidly connected so that the hydrogen-containing fluid from the supply channel 12 into the distribution structure 13 can flow. The distribution structure 13 is to the anode 5 formed open so that the fluid from the distribution structure 13 to the anode 5 can get. A first discharge channel 14 leads the fluid from the fuel cell 10 out. The discharge channel 14 is with the first distribution structure 13 fluidly connected.

Entsprechend schließt sich das zweite Separatorelement 21 an die Kathode 6 an. Das zweite Separatorelement 21 weist einen zweiten Zufuhrkanal 22 und eine zweite Verteilstruktur 23 auf, durch das Sauerstoff enthaltene Luft als Fluid der Kathode 6 zugeführt wird. Die zweite Verteilstruktur 23 ist zu der Kathode 6 offen ausgeführt, so dass die Luft zu der Kathode 6 gelangen kann. Durch einen zweiten Abfuhrkanal 24 wird die Luft aus der Brennstoffzelle 10 hinausgeführt. Der zweite Zufuhrkanal 22, die zweite Verteilstruktur 23 und der zweite Abfuhrkanal 24 sind fluidisch miteinander verbunden. Accordingly, the second separator closes 21 to the cathode 6 at. The second separator element 21 has a second supply channel 22 and a second distribution structure 23 on, by the oxygen contained air as the fluid of the cathode 6 is supplied. The second distribution structure 23 is to the cathode 6 open, allowing the air to the cathode 6 can get. Through a second discharge channel 24 gets the air out of the fuel cell 10 led out. The second supply channel 22 , the second distribution structure 23 and the second discharge channel 24 are fluidly connected.

Die erste und die zweite Verteilstruktur 13, 23 weisen jeweils einen Einströmbereich 15, 25 auf. Ausgehend von einer ersten Kante 18, 28 des jeweiligen Zufuhrkanals 12, 22 erstreckt sich der Einströmbereich 15, 25, bis die Verteilstruktur 13, 23 die maximale Breite erreicht hat. Dort endet der Einströmbereich 15, 25 und geht in einen Hauptverteilbereich 16, 26 der jeweiligen Verteilstruktur 13, 23 über. Dieses ist mit einer dünnen Hilfslinie markiert. An den Hauptverteilbereich 16, 26 schließt sich jeweils ein Ausströmbereich 17, 27 an, der sich bis zum Abfuhrkanal 14, 24 erstreckt. Der Übergang zwischen dem Hauptverteilbereich 16, 26 und dem Ausströmbereich 17, 27 ist ebenfalls mit einer dünnen Hilfslinie markiert. Der Ausströmbereich 17, 27 dient zum Sammeln des Fluids. Die zueinander gehörigen Zufuhr- und Abfuhrkanäle 12, 22, 14, 24 sind entlang einer Diagonalen der Oberflächen 33, 34 angeordnet, so dass das Fluid jeweils gemäß einer Strömungsrichtung 43 strömt. The first and the second distribution structure 13 . 23 each have an inflow area 15 . 25 on. Starting from a first edge 18 . 28 of the respective feed channel 12 . 22 the inflow area extends 15 . 25 until the distribution structure 13 . 23 has reached the maximum width. There the inflow area ends 15 . 25 and goes into a main distribution area 16 . 26 the respective distribution structure 13 . 23 above. This is marked with a thin guide. To the main distribution area 16 . 26 each closes a discharge area 17 . 27 on, to the discharge channel 14 . 24 extends. The transition between the main distribution area 16 . 26 and the discharge area 17 . 27 is also marked with a thin guide. The outflow area 17 . 27 serves to collect the fluid. The mutually associated supply and discharge channels 12 . 22 . 14 . 24 are along a diagonal of the surfaces 33 . 34 arranged so that the fluid in each case according to a flow direction 43 flows.

Die Separatorelemente 11, 21 weisen jeweils weitere Zufuhr-, Abfuhrkanäle und Verteilstrukturen auf. Das erste Separatorelement 11 der Brennstoffzelle 10 weist einen Zufuhrkanal 52 und einen Abfuhrkanal 54 auf, um über eine Verteilstruktur 53 eine Kathode 6 einer benachbarten Brennstoffzelle 2 mit Sauerstoff zu versorgen. Die Verteilstruktur 53 ist fluidisch mit dem Zufuhr- und dem Abfuhrkanal 52, 54 verbunden. Entsprechend weist das zweite Separatorelement 21 der Brennstoffzelle 10 einen Zufuhrkanal 62 und einen Abfuhrkanal 64 auf, die fluidisch mit einer Verteilstruktur 63 verbunden sind. Die Verteilstruktur 63 versorgt eine Anode 5 einer benachbarten Brennstoffzelle 9 mit Wasserstoff. Somit können die Separatorelemente 11, 21 jeweils zwei benachbarten Brennstoffzellen 2, 10 bzw. 9, 10 zugeordnet werden.The separator elements 11 . 21 each have additional supply, discharge and distribution structures. The first separator element 11 the fuel cell 10 has a supply channel 52 and a discharge channel 54 on to about a distribution structure 53 a cathode 6 an adjacent fuel cell 2 to supply oxygen. The distribution structure 53 is fluidic with the supply and discharge channels 52 . 54 connected. Accordingly, the second separator element 21 the fuel cell 10 a supply channel 62 and a discharge channel 64 on, which fluidly with a distribution structure 63 are connected. The distribution structure 63 supplies an anode 5 an adjacent fuel cell 9 with hydrogen. Thus, the separator elements 11 . 21 two adjacent fuel cells 2 . 10 respectively. 9 . 10 be assigned.

Jedes der Separatorelementen 11, 21 weist jeweils einen Zufuhrkanal 72 bzw. 82, einen Abfuhrkanal 74 bzw. 84 und eine Verteilstruktur 73 bzw. 83 für ein Kühlmittel auf, die untereinander fluidisch verbunden sind. Die Verteilstruktur 73, 83 für das Kühlmittel ist jeweils zwischen den Verteilstrukturen 13, 23, 53, 63 angeordnet und durch Trennelemente 19, 20 von den Verteilstrukturen 13, 23, 53, 63 getrennt. Zufuhr-, Abfuhrkanäle und Verteilstrukturen, die nicht dasselbe Fluid betreffen, sind gegeneinander abgedichtet. Each of the separator elements 11 . 21 each has a supply channel 72 respectively. 82 , a discharge channel 74 respectively. 84 and a distribution structure 73 respectively. 83 for a coolant, which are fluidly interconnected. The distribution structure 73 . 83 for the coolant is in each case between the distribution structures 13 . 23 . 53 . 63 arranged and by separating elements 19 . 20 from the distribution structures 13 . 23 . 53 . 63 separated. Supply, discharge and distribution structures that do not affect the same fluid are sealed against each other.

In den Separatorelementen 31, 32 der Brennstoffzellen 2, 9, die an den Enden des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet sind, fehlen die Zufuhr-, Abfuhrkanäle und die Verteilstrukturen für benachbarten Brennstoffzellen, so dass die Separatorelemente 31, 32 nur jeweils zwei Verteilstrukturen aufweisen. In the separator elements 31 . 32 the fuel cells 2 . 9 at the ends of the fuel cell stack 1 are missing, the supply, discharge channels and the distribution structures for adjacent fuel cells, so that the separator elements 31 . 32 only have two distribution structures.

Wie in 2 dargestellt, sind die Zufuhrkanäle 22, 52, durch die das Sauerstoff enthaltene Fluid in einer Strömungsrichtung 41 strömt, in Deckung, so dass sich ein Zufuhrdurchgang 7 bildet. Von dem Zufuhrdurchgang 7 kann das Fluid gemäß der Strömungsrichtung 42 in die Verteilstrukturen 23, 53 abzweigen. Die Abfuhrkanäle 14, 64 sind ebenfalls in Deckung, so dass das Wasserstoff enthaltende Fluid, das durch die Verteilstrukturen 13, 63 strömt, durch den aus den Abfuhrkanälen 14, 64 gebildeten Abfuhrdurchgang 8 in einer Strömungsrichtung 44 strömen kann. Ebenfalls sind die übrigen Zufuhr- und Abfuhrkanäle 12, 62, 72, 82, 24, 54, 74, 84, die jeweils dasselbe Fluid führen, deckungsgleich ( in 2 nicht dargestellt). Ebenfalls sind die Verteilstrukturen 13, 23, 53, 63, 73, 83, die jeweils dasselbe Fluid führen, deckungsgleich.As in 2 are shown, the supply channels 22 . 52 through which the oxygen-containing fluid in a flow direction 41 flows, in cover, so that a supply passage 7 forms. From the feed passage 7 can the fluid according to the flow direction 42 into the distribution structures 23 . 53 branch. The discharge channels 14 . 64 are also in coverage, allowing the hydrogen-containing fluid passing through the distribution structures 13 . 63 flows through the out of the discharge channels 14 . 64 formed discharge passage 8th in a flow direction 44 can flow. Likewise, the other supply and discharge channels 12 . 62 . 72 . 82 . 24 . 54 . 74 . 84 , each carrying the same fluid, congruent (in 2 not shown). Likewise are the distribution structures 13 . 23 . 53 . 63 . 73 . 83 , each leading the same fluid, congruent.

Die Verteilstrukturen 13, 23, 53, 63, 73, 83 sind jeweils als eine dreidimensionale poröse Struktur ausgebildet und enthalten z. B. Metallschaum. Die Struktur der Einström- und Ausströmbereiche 15, 25, 17, 27 ist offenporiger als die Hauptverteilbereich 16, 26 ausgestaltet.The distribution structures 13 . 23 . 53 . 63 . 73 . 83 are each formed as a three-dimensional porous structure and contain z. B. metal foam. The structure of the inflow and outflow areas 15 . 25 . 17 . 27 is more porous than the main distribution area 16 . 26 designed.

Die 4 bis 9 enthalten jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung des ersten Zufuhrkanals 12, des ersten Abfuhrkanals 14, der ersten Verteilstruktur 13, des zweiten Zufuhrkanals 22, des zweiten Abfuhrkanals 24, der zweiten Verteilstruktur 23, der Zufuhr- und Abfuhrkanäle 72, 82, 74, 84 für das Kühlmittel, der Anode 5 und der Kathode 6 in der Brennstoffzelle 10 zueinander. Hierbei ist jeweils eine Draufsicht dargestellt, wobei die Blickrichtung dem in 2 dargestellten Pfeil 45 entspricht. In der Draufsicht sind die genannten Elemente durchscheinend skizziert sind. Weitere Elemente, wie die weiteren Verteilstrukturen 53, 63, 73, 83 oder die Membran 4 sind nicht dargestellt. Die Anordnungen der in den 4 bis 9 dargestellten Elemente wird jeweils in Bezug auf die dargestellte Draufsicht beschrieben.The 4 to 9 each contain an embodiment of an arrangement of the first supply channel 12 , the first discharge channel 14 , the first distribution structure 13 , the second supply channel 22 , the second discharge channel 24 , the second distribution structure 23 , the supply and discharge channels 72 . 82 . 74 . 84 for the coolant, the anode 5 and the cathode 6 in the fuel cell 10 to each other. Here, a plan view is shown in each case, wherein the viewing direction in the 2 illustrated arrow 45 equivalent. In the plan view, the elements mentioned are outlined diagrammatically. Other elements, such as the other distribution structures 53 . 63 . 73 . 83 or the membrane 4 are not shown. The arrangements of in the 4 to 9 The illustrated elements will be described with respect to the illustrated plan view, respectively.

Die Anode 5 und die Kathode 6 sind in der dargestellten Draufsicht jeweils deckungsgleich. Die Anode 5 und die Kathode 6 sind mit einer großen Strichdicke umrandet. Die erste Verteilstruktur 13 ist mit Punkten ausgefüllt. Die zweite Verteilstruktur 23 ist mit Kreuzen ausgefüllt. Die Übergänge zwischen den Einström- oder Ausströmbereichen 15, 25, 17, 27 und den Hauptverteilbereichen 16, 26 sind jeweils mit einer dünnen Hilfslinie markiert.The anode 5 and the cathode 6 are each congruent in the illustrated plan view. The anode 5 and the cathode 6 are outlined with a large stroke thickness. The first distribution structure 13 is filled with points. The second distribution structure 23 is filled in with crosses. The transitions between the inflow or outflow areas 15 . 25 . 17 . 27 and the main distribution areas 16 . 26 are each marked with a thin guide.

In allen Ausführungsbeispielen der 3 bis 9 grenzen die Elektroden 5, 6 an die erste Kante 18 des ersten Zufuhrkanals 12. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel der bereits in 1 dargestellten Brennstoffzelle 10. Hierbei grenzen die Elektroden 5, 6 ebenfalls an die erste Kante 28 des zweiten Zufuhrkanals 22. Die Elektroden 5, 6 sind in der Draufsicht rechteckig und damit geometrisch besonders einfach ausgestaltet. Daher sind die Elektroden 5, 6 dieses Ausführungsbeispiels besonders einfach herzustellen.In all embodiments of the 3 to 9 border the electrodes 5 . 6 to the first edge 18 of the first supply channel 12 , 3 shows the embodiment of the already in 1 illustrated fuel cell 10 , This is where the electrodes border 5 . 6 also to the first edge 28 of the second supply channel 22 , The electrodes 5 . 6 are rectangular in plan view and thus geometrically particularly simple design. Therefore, the electrodes 5 . 6 This embodiment is particularly easy to manufacture.

Die Elektroden 5, 6 grenzen ferner an die Kanten des ersten und des zweiten Abfuhrkanals 14, 24 an. Insgesamt überdecken die Elektroden 5, 6 vollständig die erste und die zweite Verteilstruktur 13, 23. Die Zufuhrkanäle 12, 22, 72 sind in der Draufsicht jeweils nebeneinander angeordnet. Ebenfalls sind die Abfuhrkanäle 14, 24, 74 in der Draufsicht jeweils nebeneinander angeordnet. The electrodes 5 . 6 further adjoin the edges of the first and second discharge channels 14 . 24 at. Overall, the electrodes cover up 5 . 6 completely the first and the second distribution structure 13 . 23 , The feed channels 12 . 22 . 72 are each arranged side by side in plan view. Also are the discharge channels 14 . 24 . 74 each arranged side by side in plan view.

Die 4 bis 9 stellen besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Die Elektroden 5, 6 erstrecken sich in den Ausführungsbeispielen der 4 bis 9 nur dort, wo sowohl die erste als auch die zweite Verteilstruktur 13, 23 angeordnet sind. Daher können jeweils an den gesamten Elektroden 5, 6 eine elektrochemische Reaktion erfolgen. Daher ist kein überflüssiges Elektrodenmaterial vorhanden. Hierbei ist der Einströmbereich 15 der ersten Verteilstruktur 13 jeweils vollständig von der zweiten Verteilstruktur 23 überlagert.The 4 to 9 represent particularly advantageous embodiments of the invention. The electrodes 5 . 6 extend in the embodiments of the 4 to 9 only where both the first and the second distribution structure 13 . 23 are arranged. Therefore, each of the entire electrodes 5 . 6 an electrochemical reaction take place. Therefore, no unnecessary electrode material is present. Here is the inflow area 15 the first distribution structure 13 each completely from the second distribution structure 23 superimposed.

In 4 entspricht die Form der ersten Verteilstruktur 13 und die Anordnung der Zufuhr und Abfuhrkanäle 12, 14, 22, 24, 52, 54, 72, 74, 82, 84 denen der 3. Jedoch ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 3 die Form des Einströmbereichs 25 der zweiten Verteilstruktur 23 und die Form der Elektroden 5, 6 verändert. Der Einströmbereich 25 der zweiten Verteilstruktur 23 ist in der Draufsicht rechteckig ausgeführt und überdeckt den Einströmbereich 15 der ersten Verteilstruktur 13 vollständig, so dass sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff den Elektroden 5, 6 im Einströmbereich 15 zur Verfügung stehen. Die Elektroden 5, 6 erstrecken sich nur über den Einströmbereich 15 und den Hauptverteilbereich 16 der ersten Verteilstruktur 13. Die Elektroden 5, 6 sind dabei deckungsgleich mit dem Einströmbereich 15 und dem Hauptverteilbereich 16 der ersten Verteilstruktur 13. An den Ausströmbereich 17, 27 schließen sich keine Elektroden 5, 6 an. Ferner wird der Teil des Einströmbereichs 25 der zweiten Verteilstruktur 23, der nicht in Deckung mit dem Einströmbereich 15 der ersten Verteilstruktur 13 ist, nicht von den Elektroden 5, 6 bedeckt. Hierdurch kann im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 3 kostspieliges Elektrodenmaterial dort eingespart werden, wo eine elektrochemische Reaktion nicht oder nur in einem geringen Ausmaß erfolgen kann.In 4 corresponds to the shape of the first distribution structure 13 and the arrangement of the supply and discharge channels 12 . 14 . 22 . 24 . 52 . 54 . 72 . 74 . 82 . 84 those of 3 , However, compared to the embodiment of the 3 the shape of the inflow area 25 the second distribution structure 23 and the shape of the electrodes 5 . 6 changed. The inflow area 25 the second distribution structure 23 is rectangular in plan view and covers the inflow area 15 the first distribution structure 13 completely, allowing both hydrogen and oxygen to the electrodes 5 . 6 in the inflow area 15 be available. The electrodes 5 . 6 extend only over the inflow area 15 and the main distribution area 16 the first distribution structure 13 , The electrodes 5 . 6 are congruent with the inflow area 15 and the main distribution area 16 the first distribution structure 13 , At the outflow area 17 . 27 Do not close any electrodes 5 . 6 at. Further, the part of the inflow area becomes 25 the second distribution structure 23 that does not coincide with the inflow area 15 the first distribution structure 13 is not from the electrodes 5 . 6 covered. This can be compared to the embodiment of 3 costly electrode material can be saved there, where an electrochemical reaction can not or only to a small extent.

In dem Ausführungsbeispiel der 5 wird eine Anordnung der Elektroden 5, 6 die an zumindest einer der ersten Kanten 18, 28 und zugleich nur dort angeordnet sind, wo sowohl die erste und die zweite Verteilstruktur 13, 23 angeordnet sind, dadurch erreicht, indem in der Draufsicht der erste und der zweite Zufuhrkanal 12, 22 in einem 90° Winkel zueinander angeordnet sind. Der zweite Zufuhrkanal 22 erstreckt sich über die gesamte Höhe der Elektroden 5, 6. Somit weist die zweite Verteilstruktur 23 keinen Ein- oder Ausströmbereich auf, sondern das Fluid ist durch die Ausdehnung des zweiten Zufuhrkanals 22 bereits auf die gesamte maximale Höhe der Elektroden 5, 6 verteilt. Der zweite Abfuhrkanal 24 liegt dem zweiten Zufuhrkanal 22 gegenüber. Der zweite Abfuhrkanal 24 ist ebenfalls zu dem ersten Abfuhrkanal 14 in einem 90° Winkel angeordnet. Die zweite Verteilstruktur 23 überlagert die erste Verteilstruktur 13 vollständig. Die Elektroden 5, 6 erstrecken sich über die gesamte erste Verteilstruktur 13. Hierbei weist die erste Verteilstruktur 13 einen Einströmbereich 15, einen Hauptverteilbereich 16 und einen Ausströmbereich 17 auf. Die Elektroden sind mit der ersten Verteilstruktur 13 deckungsgleich. Der Zufuhrkanal 72 für das Kühlmittel ist neben dem ersten Zufuhrkanal 12 und der Abfuhrkanal 74 für das Kühlmittel ist neben dem ersten Abfuhrkanal angeordnet. In the embodiment of 5 becomes an arrangement of the electrodes 5 . 6 the at least one of the first edges 18 . 28 and at the same time are located only where both the first and the second distribution structure 13 . 23 are arranged, achieved by, in the plan view of the first and the second supply channel 12 . 22 are arranged at a 90 ° angle to each other. The second supply channel 22 extends over the entire height of the electrodes 5 . 6 , Thus, the second distribution structure 23 no inlet or outflow on, but the fluid is through the extension of the second supply channel 22 already on the entire maximum height of the electrodes 5 . 6 distributed. The second discharge channel 24 lies the second supply channel 22 across from. The second discharge channel 24 is also to the first discharge channel 14 arranged at a 90 ° angle. The second distribution structure 23 overlays the first distribution structure 13 Completely. The electrodes 5 . 6 extend over the entire first distribution structure 13 , Here, the first distribution structure 13 an inflow area 15 , a main distribution area 16 and a discharge area 17 on. The electrodes are with the first distribution structure 13 congruent. The feed channel 72 for the coolant is next to the first supply channel 12 and the discharge channel 74 for the coolant is arranged next to the first discharge channel.

In dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der Zufuhr- und der Abfuhrkanäle 12, 14, 22, 24, 52, 54, 72, 74, 82, 84 um 90° gegenüber dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel gedreht. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Luft von oben nach unten strömen. Der Einström- und Ausströmbereich 15, 17 der ersten Verteilstruktur 13 ist rechteckig ausgestaltet. Hierdurch sind die gesamte erste und zweite Verteilstruktur 13, 23 deckungsgleich zueinander. Die Elektroden 5, 6 sind deckungsgleich mit der ersten und der zweiten Verteilstruktur 13, 23 ausgebildet. Die Elektroden 5, 6 sind rechteckig ausgeformt. Hierdurch kann bei einer einfachen geometrischen Ausgestaltung der Elektroden 5, 6 und der vollständigen Abdeckung der deckungsgleichen Verteilstrukturen 13, 23 durch die Elektroden 5, 6 eine besonders hohe elektrische Leistungsdichte der Brennstoffzelle 10 erreicht werden.In the in the 6 the embodiment shown is the arrangement of the supply and the discharge channels 12 . 14 . 22 . 24 . 52 . 54 . 72 . 74 . 82 . 84 90 ° from the one in the 5 rotated embodiment shown. This can advantageously flow the air from top to bottom. The inflow and outflow area 15 . 17 the first distribution structure 13 is rectangular. As a result, the entire first and second distribution structure 13 . 23 congruent to each other. The electrodes 5 . 6 are congruent with the first and the second distribution structure 13 . 23 educated. The electrodes 5 . 6 are rectangular shaped. As a result, in a simple geometric configuration of the electrodes 5 . 6 and full coverage of congruent distribution structures 13 . 23 through the electrodes 5 . 6 a particularly high electrical power density of the fuel cell 10 be achieved.

Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel, soweit nicht nachfolgend beschrieben. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zufuhrkanäle 12, 62, 72, 82 neben den zweiten Zufuhrkanal 22 angeordnet. Der erste Zufuhrkanal 12 ist jedoch mit derartigen räumlichen Ausmaßen ausgestaltet, so dass ein Teil des ersten Zufuhrkanals 12 seitlich unterhalb des zweiten Zufuhrkanals 22 liegt. Hierdurch bilden der erste und der zweite Zufuhrkanl 12, 22 einen 90° Winkel zueinander. Die erste Verteilstruktur 13 und die Elektroden 5, 6 liegen mit dem Einströmbereich 15 an dem seitlich unterhalb des zweiten Zufuhrkanals liegenden Teil des ersten Zufuhrkanals 12 an. Die erste Verteilstruktur 13 und die Elektroden 5, 6 erstrecken sich an dem Abschnitt der ersten Kante 18, der unterhalb des zweiten Zufuhrkanals 22 angeordnet ist. Die Abfuhrkanäle 14, 24, 54, 64, 74, 84 sind entsprechend angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel der 7 kann die Brennstoffzelle 10 in der Mitte schlanker ausgeführt sein, so dass Baumaterial eingespart wird. This in 7 illustrated embodiment corresponds to in 6 illustrated embodiment, unless described below. In the in 7 illustrated embodiment, the supply channels 12 . 62 . 72 . 82 next to the second supply channel 22 arranged. The first supply channel 12 However, is designed with such spatial dimensions, so that a part of the first supply channel 12 laterally below the second supply channel 22 lies. As a result, the first and second supply channels form 12 . 22 a 90 ° angle to each other. The first distribution structure 13 and the electrodes 5 . 6 lie with the inflow area 15 at the laterally below the second supply channel lying part of the first supply channel 12 at. The first distribution structure 13 and the electrodes 5 . 6 extend at the portion of the first edge 18 , which is below the second supply channel 22 is arranged. The discharge channels 14 . 24 . 54 . 64 . 74 . 84 are arranged accordingly. In the embodiment of 7 can the fuel cell 10 be made slimmer in the middle, so that building material is saved.

In den 8 und 9 wird die vorteilhafte Anordnung, bei der die Elektroden 5, 6 an zumindest einer ersten Kante 18, 28 und zugleich nur dort angeordnet sind, wo sowohl die erste und die zweite Verteilstruktur 13, 23 angeordnet sind, dadurch erreicht, indem der erste und der zweite Zufuhrkanal 12, 22 in der Draufsicht gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste und der zweite Zufuhrkanal 12, 22 sind seitlich der Elektroden 5, 6 angeordnet. Ebenso sind der erste und der zweite Abfuhrkanal 14, 24 gegenüberliegend und seitlich der Elektroden 5, 6 angeordnet. Der erste und der zweite Zufuhrkanal 12, 22 sind gleich groß ausgebildet. Die erste Kante 18 des ersten Zufuhrkanals 12 und die erste Kante 28 des zweiten Zufuhrkanals 22 sind gleich lang und auf gleicher Höhe angeordnet. Hierdurch sind der Einströmbereich 15 der ersten Verteilstruktur 13 und der Einströmbereich 25 der zweiten Verteilstruktur 15 deckungsgleich. Entsprechendes gilt auch für die Abfuhrkanäle 14, 24 und somit für die Ausströmbereiche 17, 27. Ebenfalls sind die Hauptverteilbereiche 16, 26 deckungsgleich. Somit entsprechen sich die erste und die zweite Verteilstruktur 13, 23 vollständig. Die Elektroden 5, 6 sind in dem Ausführungsbeispiel der 8 deckungsgleich mit der ersten und der zweiten Verteilstruktur 13, 23. In dem Ausführungsbeispiel der 9 decken sich die Elektroden 5, 6 nur mit den Einströmbereichen 15, 25 und den Hauptverteilbereichen 16, 26. In beiden Ausführungsbeispielen sind die Elektroden rechteckförmig ausgebildet.In the 8th and 9 is the advantageous arrangement in which the electrodes 5 . 6 on at least a first edge 18 . 28 and at the same time are located only where both the first and the second distribution structure 13 . 23 are arranged, achieved by the first and the second supply channel 12 . 22 are arranged opposite each other in the plan view. The first and the second supply channel 12 . 22 are side of the electrodes 5 . 6 arranged. Likewise, the first and the second discharge channel 14 . 24 opposite and side of the electrodes 5 . 6 arranged. The first and the second supply channel 12 . 22 are the same size. The first edge 18 of the first supply channel 12 and the first edge 28 of the second supply channel 22 are the same length and arranged at the same height. As a result, the inflow area 15 the first distribution structure 13 and the inflow area 25 the second distribution structure 15 congruent. The same applies to the discharge channels 14 . 24 and thus for the outflow areas 17 . 27 , Also, the main distribution areas 16 . 26 congruent. Thus, the first and second distribution structures are the same 13 . 23 Completely. The electrodes 5 . 6 are in the embodiment of 8th congruent with the first and the second distribution structure 13 . 23 , In the embodiment of 9 the electrodes coincide 5 . 6 only with the inflow areas 15 . 25 and the main distribution areas 16 . 26 , In both embodiments, the electrodes are rectangular in shape.

Der Zufuhrkanäle 72, 82 und die Abfuhrkanäle 74, 84 für das Kühlmittel sind in der Draufsicht in einem 90° Winkel zu den übrigen Zufuhr- und Abfuhrkanälen 12, 22, 14, 24 angeordnet. Die Zufuhrkanäle 72, 82 und die Abfuhrkanäle 74, 84 erstrecken sich über die gesamte Breite der Elektroden 5, 6. Somit ist eine besonders gute Kühlung der gesamten Elektroden 5, 6 gewährleistet.The feed channels 72 . 82 and the discharge channels 74 . 84 for the coolant are in plan view at a 90 ° angle to the other supply and discharge channels 12 . 22 . 14 . 24 arranged. The feed channels 72 . 82 and the discharge channels 74 . 84 extend over the entire width of the electrodes 5 . 6 , Thus, a particularly good cooling of the entire electrodes 5 . 6 guaranteed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008056900 A1 [0002]

Claims

Fuel cell ( 10 ) with each other through an electrolyte membrane ( 4 ) separate electrodes ( 5 . 6 ), with separator elements ( 11 . 21 ), each to one of the electrodes ( 5 . 6 ), the separator elements ( 11 . 21 ) one each the separator element ( 11 . 21 ) passing through the supply channel ( 12 . 22 ) and a distribution structure ( 13 . 23 ) located at a first edge ( 18 . 28 ) of the feed channel ( 12 . 22 ), whereby a fluid of the respective electrode ( 5 . 6 ), characterized in that the electrodes ( 5 . 6 ) on the electrolyte membrane ( 4 ) along at least one of the first edges ( 18 . 28 ).

Fuel cell ( 10 ) according to claim 1, characterized in that at least one of the distribution structures ( 13 . 23 ) an inflow area ( 15 . 25 ), one side of which at the first edge ( 18 . 28 ) of the feed channel ( 12 . 22 ) is arranged and through which the fluid to the maximum width of the respective electrode ( 5 . 6 ) and the electrodes ( 5 . 6 ) on the electrolyte membrane ( 4 ) in a plan view along the inflow region (FIG. 15 . 25 ).

Fuel cell ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the inflow region ( 15 . 25 ), along which the electrodes ( 5 . 6 ) in a plan view completely from the distribution structure ( 13 . 23 ) of the other separator element ( 11 . 21 ) is superimposed.

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supply channels ( 12 . 22 ) of the separator plates ( 11 . 21 ) are arranged in a plan view opposite each other.

Fuel cells ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supply channels ( 12 . 22 ) are arranged at an angle, in particular at a 90 ° angle to each other.

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 5 . 6 ) are rectangular.

Fuel cell ( 10 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that each separator element ( 11 . 21 ) one the separator element ( 11 . 21 ) through the discharge channel ( 14 . 24 ) and at least one of the distribution structures ( 13 . 23 ) an outflow area ( 17 . 27 ), one side of which at the discharge channel ( 14 . 24 ) and which is for supplying the fluid from the maximum width of the respective electrode ( 5 . 6 ) to the discharge channel ( 14 . 24 ), whereby the electrodes ( 5 . 6 ) on the electrolyte membrane along the outflow area ( 17 . 27 ).

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution structure ( 13 . 23 ) a main distribution area ( 16 . 26 ) whose width corresponds to the maximum width of the electrode ( 5 . 6 ), wherein the inflow region ( 15 . 25 ) and the outflow area ( 17 . 27 ) at the main distribution area ( 16 . 26 ), in particular the electrodes ( 5 . 6 ) only up to a transition between main distribution area ( 16 . 26 ) and the outflow area ( 17 . 27 ).

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution structure ( 13 . 23 ), in particular the inflow area ( 15 . 25 ) and / or the outflow area ( 17 . 27 ) are formed such that the fluid in the distribution structure ( 13 . 23 ), in particular in the inflow area ( 15 . 25 ) and / or the outflow area ( 17 . 27 ), transversely to a flow direction ( 43 ), in particular that the distribution structure ( 13 . 23 ), in particular the inflow area ( 15 . 25 ) and / or the outflow area ( 17 . 27 ), has a three-dimensional, porous structure or a recess with support struts.

Fuel cell stack ( 1 ) with at least two fuel cells ( 2 . 9 . 10 ) according to any one of the preceding claims.