DE102014219164A1

DE102014219164A1 - Brennstoffzellenstapel mit integriertem Befeuchter sowie Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102014219164A1
Application number: DE102014219164.5A
Authority: DE
Inventors: Patrick Zihrul; Philipp Mohr; Sebastian Kirsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (100) sowie ein Fahrzeug mit einem solchen. Der Brennstoffzellenstapel (100) umfasst einen Stapel Brennstoffzellen (10), welche jeweils einen Anodenraum (56) und einen Kathodenraum (57) aufweisen, wobei in dem Stapel Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) ausgebildet sind, welche den Stapel in Stapelrichtung (5) durchsetzen, und die Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) Betriebsmittelzufuhrkanäle (11, 21) zur Versorgung der Anodenräume (56) und Kathodenräume (57) mit einem Kathoden- beziehungsweise Anodengas umfassen, nämlich einen Kathodengaszufuhrkanal (11) und einen Anodengaszufuhrkanal (21), und Betriebsmittelabgaskanäle (12, 22) zur Ableitung von Abgasen aus den Anoden- und Kathodenräumen, nämlich einen Kathodenabgaskanal (12) und einen Anodenabgaskanal (22), umfassen. Es ist vorgesehen, dass in zumindest einem der Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) eine wasserdampfpermeable Membran (70) angeordnet ist, welche den Kanal in zumindest zwei durch die wasserdampfpermeable Membran (70) getrennte Kanalsegmente (71, 72) unterteilt, und ein erstes Kanalsegment (71) strömungszuführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen (56, 57) der Brennstoffzellen (10) verbunden ist und ein zweites Kanalsegment (72) strömungsabführend mit den Anoden- beziehungsweise Kathodenräumen (56, 57) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend einen Stapel Brennstoffzellen, welche jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisen, wobei in dem Stapel Betriebsmittelsammelkanäle zur Versorgung der Anoden- und Kathodenräume mit einem Betriebsmittel und zur Abführung desselben ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zumeist wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet.
Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um Brennstoffzellenstapel mit ihren Betriebsmedien, also den Reaktanten, zu versorgen, weist der Stapel Betriebsmittelsammelkanäle auf, die den Stapel in Stapelrichtung durchsetzen. Die Betriebsmittelsammelkanäle umfassen Betriebsmittelzufuhrkanäle zur Versorgung der Anodenräume und Kathodenräume mit einem Kathoden- beziehungsweise Anodengas, nämlich einen Kathoden- und einen Anodengaszufuhrkanal. Die Betriebsmittelsammelkanäle umfassen ferner Betriebsmittelabgaskanäle zur Ableitung von Abgasen aus den Anoden- und Kathodenräumen, nämlich einen Kathoden- und einen Anodenabgaskanal. Der Kathoden- und Anodengaszufuhrkanal verbindet somit eine externe Kathoden- beziehungsweise Anodengasversorgung mit den Kathoden- beziehungsweise Anodenräumen der Brennstoffzellen. Der Kathoden- und Anodenabgaskanal verbindet die Kathoden- beziehungsweise Anodenräume mit entsprechenden externen Abgasabführungen. Die Betriebsmedien (Brennstoff und Oxidationsmittel) werden üblicherweise in mehrfacher Hinsicht konditioniert, ehe sie der Brennstoffzelle zugeführt werden. Zu diesem Zweck umfassen Betriebsmedienversorgungen insbesondere häufig einen Befeuchter, um die Luftfeuchtigkeit der Betriebsgase zu erhöhen, da viele Polymerelektrolytmembranen von Brennstoffzellen für eine vorschriftsmäßige Funktion feucht gehalten werden müssen. Neben Befeuchtern, die Wasser in das Betriebsmedium eindüsen, sind Membranbefeuchter bekannt, bei denen das zu befeuchtende Betriebsmedium über eine wasserdampfpermeable Membran Luftfeuchtigkeit eines Feuchtgases aufnimmt. Als Feuchtgas wird häufig das Kathoden- oder Anodenabgas verwendet, da diese aufgrund der Brennstoffzellenreaktion eine verhältnismäßig hohe Luftfeuchtigkeit aufweisen. Befeuchter erhöhen den Bauraumbedarf, das Gewicht und die Komplexität des Systems, was insbesondere bei automobilen Anwendungen der Brennstoffzelle ungünstig ist. Wird andererseits auf eine aktive Befeuchtung verzichtet, kann die Brennstoffzelle nur mit einer geringen Leistung betrieben werden.
DE 10 2007 008 214 A1 beschreibt ein in einen Brennstoffzellenstapel integriertes Befeuchtungssystem basierend auf einer Wasserübertragungsmembran. Hier ist das Befeuchtungssystem in einem inaktiven Verteilerbereich jeder einzelnen Brennstoffzelle ausgebildet, indem in diesem Bereich die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle durch eine Wasserübertragungsmembran ersetzt ist. Die Wasserübertragungsmembran trennt somit die quer zur Stapelrichtung verlaufenden Anoden- und Kathadenströmungspfade voneinander und überträgt Wasser von dem Anodengas auf das Kathodengas. Ein ähnliches Konzept ist aus WO 03/090301 A2 bekannt.
Der in DE 693 28 874 T2 beschriebene Brennstoffzellenstapel mit integriertem Befeuchter umfasst einen Stapelabschnitt herkömmlicher Brennstoffzellen und einen an diesen anschließenden Stapelabschnitt von Befeuchterzellen. Letztere sind aus einer Mehrzahl von Bipolarplatten gebildet, welche abwechselnd mit Brennstoffbefeuchtungsmembranen und Oxidationsmittelbefeuchtungsmembranen gestapelt sind. Es wird Feuchtigkeit von dem Anodengas auf das Kathodengas übertragen. Auch DE 600 08 295 T2 betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der sich in einen Abschnitt aus Brennstoffzelle und einen Abschnitt aus Befeuchterzellen unterteilt.
Aus WO 2005/031900 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, dessen Bipolarplatten einen kontrollierten Übertritt von Kühlmittel auf die Anoden- und/oder Kathodenbetriebsgase zulassen.
DE 10 2004 006 025 B4 schlägt einen Brennstoffzellenstapel mit integriertem Befeuchtungssystem vor. Hier sind innerhalb einer Kathodengas- oder einer Anodengassammelleitung, welche den Stapel in Stapelrichtung durchsetzen und die Betriebsmittelgase an die einzelnen Brennstoffzellen verteilen, Befeuchtungsmittel angeordnet. Diese umfassen Sprühdüsen für die Zufuhr und Zerstäubung von Wasser sowie einen Verdampfer, der das zerstäubte Wasser verdampft, um somit eine Befeuchtung des Kathodengases beziehungsweise des Anodengases zu bewirken. Das beschriebene System ist jedoch sehr komplex.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffzellenstapel mit Befeuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welcher einen gegenüber dem Stand der Technik verminderten Bauraumbedarf bei möglichst geringer Komplexität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit einem solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst einen Stapel Brennstoffzellen, welche jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisen. In dem Stapel sind Betriebsmittelsammelkanäle ausgebildet, welche den Stapel in Stapelrichtung durchsetzen. Die Betriebsmittelsammelkanäle umfassen Betriebsmittelzufuhrkanäle zur Versorgung der Kathodenräume und Anodenräume der Brennstoffzellen mit einem Kathoden- beziehungsweise Anodengas, nämlich einen Kathodengaszufuhrkanal und einen Anodengaszufuhrkanal. Die Betriebsmittelsammelkanäle umfassen ferner Betriebsmittelabgaskanäle zur Ableitung von Abgasen aus den Kathoden- und Anodenräumen, nämlich einen Kathodenabgaskanal und einen Anodenabgaskanal. Erfindungsgemäß ist in zumindest einem der Betriebsmittelsammelkanäle eine wasserdampfpermeable Membran angeordnet, welche den Kanal in zumindest zwei durch die wasserdampfpermeable Membran getrennte Kanalsegmente unterteilt. Dabei ist ein erstes Kanalsegment strömungszuführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen der Brennstoffzellen verbunden und ein zweites Kanalsegment strömungsabführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen.
Durch die integrierte Anordnung der wasserdampfpermeablen Membran in den ohnehin in herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln vorhandenen Betriebsmittelsammelkanälen wird eine Befeuchtung der Betriebsmittel (Kathoden- und/oder Anodengas) erzielt, ohne den Bauraum des Stapels signifikant oder überhaupt zu erhöhen. Auch für eine notwendige Verrohrung der durch die Membran ausgebildeten Kanalsegmente untereinander ist kein signifikanter zusätzlicher Bauraum notwendig. Verglichen mit externen Befeuchtern lässt sich die erfindungsgemäße interne Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels mit geringeren Mehrkosten realisieren.
Die wasserdampfpermeable Membran unterteilt den entsprechenden Betriebsmittelkanal in zumindest ein erstes Kanalsegment und in zumindest ein zweites Kanalsegment. Das erste Kanalsegment ist strömungszuführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen der Brennstoffzellen verbunden, das heißt, es ist im Strömungsweg dem Anoden- beziehungsweise Kathodenraum vorgeschaltet (oder stromauf derselben angeordnet). Es versteht sich somit, dass im Betrieb des Brennstoffzellenstapels das erste Kanalsegment von dem zu befeuchtenden Betriebsmittel durchströmt wird. Demgegenüber ist das zweite Kanalsegment strömungsabführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen der Brennstoffzellen verbunden, das heißt, es ist diesen nachgeschaltet (oder stromab derselben angeordnet). Somit wird das zweite Kanalsegment im Betrieb des Brennstoffzellenstapels von dem zu vergleichsweise feuchten Betriebsmittelabgas durchströmt. Vorzugsweise erstreckt sich die wasserdampfpermeable Membran innerhalb des Betriebsmittelkanals im Wesentlichen in Stapelrichtung des Stapels, sodass auch die Kanalsegmente eine Erstreckung in Stapelrichtung aufweisen.
Das erste Kanalsegment ist somit ausgangsseitig strömungszuführend mit den Anoden- oder mit den Kathodenräumen der Brennstoffzellen verbunden. Es versteht sich somit, dass das erste Kanalsegment strömungseingangsseitig mit einer stapelexternen Anoden- beziehungsweise Kathodengasversorgung, insbesondere also einer Brennstoff- beziehungsweise einer Frischluftversorgung verbunden ist. Ferner ist das zweite durch die Membran gebildete Kanalsegment strömungsabführend mit den Anoden- beziehungsweise Kathodenräumen der Brennstoffzellen verbunden. Es versteht sich somit, dass das zweite Kanalsegment strömungsausgangsseitig mit einer stapelexternen Abgasleitung für das Anoden- beziehungsweise Kathodenabgas verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die wasserdampfpermeable Membran in dem Kathodengaszufuhrkanal angeordnet und das erste durch die Membran gebildete Kanalsegment strömungszuführend mit den Kathodenräumen der Brennstoffzellen verbunden und das zweite Kanalsegment strömungsabführend mit den Kathodenräumen. Auf diese Weise wird eine Befeuchtung des Kathodengases, welches insbesondere Luft ist, durch die feuchte Abluft der Kathodenräume erzielt. Die Befeuchtung des Kathodengases gegenüber dem Anodengas ist verfahrenstechnisch einfacher umzusetzen, da das Anodenabgas in der Regel unverbrauchten Brennstoff enthält und üblicherweise rezirkuliert wird, um den nicht verbrauchten Brennstoff zu nutzen. Zudem weist aufgrund des höheren Gasmassenbedarfs der Kathode der Kathodengaszufuhrkanal und der Kathodenabgaskanal üblicherweise einen größeren Durchmesser auf als die entsprechenden Betriebsmittelsammelkanäle für die Anode, sodass der für die Unterbringung der Membran zur Verfügung stehende Raum größer ist.
In alternativer Ausführung ist die wasserdampfpermeable Membran in dem Kathodenabgaskanal angeordnet. Auch hier ist das erste Kanalsegment strömungszuführend mit den Kathodenräumen verbunden und das zweite Kanalsegment strömungsabführend mit den Kathodenräumen. Auch mit dieser Anordnung wird eine Befeuchtung des Kathodengases erzielt. Weiterhin kann sowohl in dem Kathodengaszufuhrkanal als auch in dem Kathodenabgaskanal jeweils eine wasserdampfpermeable Membran angeordnet sein. Auf diese Weise werden eine besonders große Membranoberfläche und damit eine hohe Befeuchtungsleistung erzielt.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung weist die wasserdampfpermeable Membran die Form eines Rohres auf und durchsetzt den entsprechenden Betriebsmittelsammelkanal des Stapels in Stapelrichtung, sodass einerseits ein innerhalb und andererseits ein außerhalb des Membranrohres liegendes Kanalsegment ausgebildet wird. Durch eine röhrenförmige Membran lässt sich zum einen eine vergleichsweise große Membranoberfläche realisieren und ferner eine einfache Verrohrung der einzelnen Kanalsegmente. Das durch die Membran gebildete Rohr kann auf unterschiedliche Art ausgebildet sein. In der einfachsten Ausführung durchsetzt das Rohr den entsprechenden Betriebsmittelkanal geradlinig. In alternativer Ausführung ist das Membranrohr nicht geradlinig, insbesondere mäandernd oder spiralartig ausgebildet. Auf diese Weise werden die Membranoberfläche und damit die Befeuchtungsleistung noch weiter erhöht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt die wasserdampfpermeable Membran in Form einer Vielzahl von Hohlfasermembranen vor, welche den entsprechenden Betriebsmittelsammelkanal in Stapelrichtung durchsetzen. Hierbei wird der Betriebsmittelsammelkanal durch die Hohlfasermembran in innerhalb der Hohlfasern liegende Kanalsegmente unterteilt und in ein außerhalb der Hohlfasern liegendes Kanalsegment. Durch den Einsatz von Hohlfasermembranen lassen sich die Membranoberfläche und damit die Befeuchtungsleistung maximieren.
Wie im Stand der Technik bekannt, umfasst auch der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel alternierend gestapelte Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten. Dabei werden die Betriebsmittelsammelkanäle durch Durchgangsöffnungen zumindest in den Bipolarplatten und optional zusätzlich in den Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei die Durchgangsöffnungen im Stapel miteinander fluchtend angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen münden in entsprechende Verteilerströmungskanäle der Bipolarplatten, welche wiederum in Anoden- oder Kathodenströmungskanälen auf den Oberflächen der Bipolarplatten in einem aktiven Bereich münden. Auf diese Weise werden die durch die Betriebsmittelsammelkanäle geführten Betriebsmittel an die entsprechenden aktiven Bereiche der Bipolarplatten, welcher in Kontakt mit den Elektroden steht, verteilt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mit stapelinterner Befeuchtung aufweist. Vorzugsweise dient der Brennstoffzellenstapel der elektrischen Versorgung eines elektromotorischen Antriebs und/oder der Speisung eines elektrischen Energiespeichers.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 Brennstoffzellenstapel, (A) Seitenansicht, (B) Schnitt A-A;
2 Schnitt durch aktiven Bereich einer Brennstoffzelle (Einzelzelle);
3 Brennstoffzellenstapel mit externem Befeuchter gemäß Stand der Technik;
4 Brennstoffzellenstapel mit stapelinternem Befeuchter gemäß Erfindung, (A) Seitenansicht, (B) Schnitt A-A;
5 Betriebsmittelsammelkanal mit integriertem Befeuchter nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
6 Betriebsmittelsammelkanal mit integriertem Befeuchter nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
7 Strömungsführung eines Brennstoffzellenstapels mit stapelinternem Befeuchter gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung und
8 Strömungsführung eines Brennstoffzellenstapels mit stapelinternem Befeuchter gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
1A zeigt schematisch den typischen Aufbau eines insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapels. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen (Einzelzellen) 10, die in einer Stapelrichtung S gestapelt sind und deren elektrische Leistungen sich addieren. Typische Brennstoffzellenstapel, insbesondere für die Anwendung im automobilen Bereich, umfassen mehrere Hundert solcher einzelnen Brennstoffzellen 10. Die Brennstoffzellen 10 sind zwischen zwei Endplatten 1 und 2 gehalten, welche durch hier nicht dargestellte Zugelemente gegeneinander gepresst werden.
2 stellt eine Schnittansicht durch eine Brennstoffzelle 10 (Einzelzelle) dar, um deren wesentliche Komponenten zu verdeutlichen.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit 40, welche zwischen zwei Bipolarplatten 50 angeordnet ist.
Die Membran-Elektroden-Einheit 40 umfasst eine ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran (Polymerelektrolytmembran) 41, welche zwischen zwei katalytischen Elektroden, nämlich einer Anode 42 und einer Kathode 43, angeordnet ist. Die Elektroden 42, 43 umfassen ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, welches in feinpartikulärer Struktur auf einem gasdurchlässigen und elektrisch leitfähigen Trägermaterial, beispielsweise Kohlenstoff, geträgert vorliegt. An den Außenflächen der Elektroden 42, 43 schließt jeweils eine Gasdiffusionsschicht 44 an. Diese hat die Aufgabe, die Anoden- und Kathodenreaktionsgase, welche über die Bipolarplatten 50 zugeführt werden, gleichmäßig über die Elektrodenoberflächen zu verteilen und den elektrischen Kontakt zu dem Flussfeld herzustellen. Die Elektroden 42, 42 können als Beschichtung auf der Membran 41 vorliegen oder im Verbund mit den Gasdiffusionsschichten 44.
Die Bipolarplatten 50 sind im dargestellten Beispiel jeweils aus zwei Platten aufgebaut, nämlich einer Anodenplatte 51 und einer Kathodenplatte 52. Durch eine entsprechende Profilierung der Platten 51, 52 werden auf den Außenflächen der Bipolarplatten 50 Kanalstrukturen ausgebildet, umfassend Anodenströmungskanäle 53, die sich in Richtung der Anode 42 öffnen, sowie Kathodenströmungskanäle 54, die an die Kathode 43 anschließen. Ferner sind zwischen den beiden Platten 51, 52 der Bipolarplatte 50 innere Kühlmittelströmungskanäle 55 ausgebildet, durch die ein Kühlmittel geführt werden kann. Die Platten 51, 52 der Bipolarplatte 50 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise einem Metall wie Edelstahl oder einem elektrisch leitfähigen Kompositmaterial. Die einzelnen Brennstoffzellen 10 sind im Brennstoffzellenstapel 100 über die Bipolarplatten 50 elektrisch miteinander verschaltet. Somit hat die Bipolarplatte 50 die Funktionen, die Reaktantengase (Anodengas und Kathodengas) den entsprechenden Elektroden 42, 43 zuzuführen, den Brennstoffzellenstapel 100 zu kühlen sowie die einzelnen Brennstoffzellen 10 untereinander elektrisch zu verschalten.
Der von dem Anodengas durchströmbare Bereich der Brennstoffzelle 10, umfassend die Anodenströmungskanäle 53, die anodenseitge Diffusionsschicht 44 sowie die poröse Anode 42, wird vorliegend als Anodenraum 56 bezeichnet. Gleichermaßen wird der von dem Kathodengas durchströmbare Raum, umfassend die Kathodenströmungskanäle 54, die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 44 sowie die poröse Kathode 43, als Kathodenraum 57 bezeichnet.
Die in 2 dargestellte Brennstoffzelle 10 zeigt im Betrieb folgende Funktionsweise:
Über die Anodenströmungskanäle 53 der Bipolarplatten 50 wird der Anode 42 ein Anodengas zugeführt. Das Anodengas enthält einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff H₂. Gleichzeitig wird über die Kathodenströmungskanäle 54 der Brennstoffzellen 50 ein Kathodengas an die Kathode 43 geliefert, das ein Oxidationsmittel, beispielweise Sauerstoff, enthält. Typischerweise wird als Kathodengas Luft verwendet. An der Anode 42 wird der Brennstoff unter Erzeugung von Protonen H⁺ und unter Abgabe von Elektroden e^– oxidiert (zum Beispiel H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Die Protonen diffundieren über die protonenleitfähige Membran 41 zur Kathode 43. Gleichzeitig werden die an der Anode 42 (derselben oder einer benachbarten Zelle) abgegebenen Elektronen über den äußeren Stromkreis an die Kathode 43 geliefert. Unter diesen Bedingungen reagiert der in dem Kathodengas enthaltene Sauerstoff O₂ unter Aufnahme von Elektronen zu Sauerstoffanionen O^2– (zum Beispiel ½O₂ + 2e^– → O^2–), welche mit den über die Membran 41 diffundierten Protonen zu Wasser H₂O reagieren (H₂ + ½O₂ → H₂O). Die an den Elektroden 42 und 43 stattfindenden elektrochemischen Teilreaktionen entsprechen zusammengenommen somit der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Die dieser Reaktion entsprechende elektromotorische Kraft, die in Form eines Potentials an dem äußeren Stromkreis anliegt, kann abgegriffen werden, etwa um elektrische Verbraucher anzutreiben oder um in Energiespeichern gespeichert zu werden.
Um die für die Funktion der Brennstoffzelle notwendigen Betriebsmittel den einzelnen Brennstoffzellen 10 zuzuführen, ist der Brennstoffzellenstapel 100 von durchgehenden Betriebsmittelsammelkanälen durchsetzt, die sich entlang der Stapelrichtung S erstrecken. Hierzu weisen die einzelnen Brennstoffzellen 10 Durchgangsöffnungen auf, die in 1B dargestellt sind. Die Betriebsmittelsammelkanäle umfassen einen Kathodengaszufuhrkanal 11, einen Kathodenabgaskanal 12, einen Anodengaszufuhrkanal 21, einen Anodenabgaskanal 22, einen Kühlmittelzufuhrkanal 31 und einen Kühlmittelabfuhrkanal 32. Der Kathodengaszufuhrkanal 11 ist einerseits über die untere Endplatte 1 mit einer hier nicht dargestellten Kathodengasversorgung verbunden und andererseits über die Kathodenströmungskanäle 54 der Bipolarplatten 50 mit den Kathodenräumen 57 der Brennstoffzellen 10 des Stapels 100. Der Kathodenabgaskanal 12 verbindet die Ausgänge der Kathodenströmungskanäle 54 mit einem Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels 100. Der Anodengaszufuhrkanal 21 verbindet einen Brennstoffversorgungsanschluss der Endplatte 1 des Brennstoffzellenstapels 100 über die Anodenströmungskanäle 53 der Bipolarplatten 50 mit den Anodenräumen 56. Der Anodenabgaskanal 22 verbindet die Ausgänge der Anodenströmungskanäle 53 mit einem Brennstoffauslass des Brennstoffzellenstapels 100. Der Kühlmittelaufuhrkanal 31 verbindet eine Kühlmittelzufuhr des Stapels 100 mit Eingängen der inneren Kühlmittelströmungskanäle 55 der Bipolarplatten 50. Der Kühlmittelabfuhrkanal 32 verbindet die Ausgänge der Kühlmittelströmungskanäle 55 mit einem Kühlmittelausgang des Stapels 100.
In dem in 1B gezeigten Beispiel sind die Betriebsmittelzufuhrkanäle 11 und 21 für die Reaktantengase auf der selben Seite der Brennstoffzelle 10 angeordnet und die entsprechenden Betriebsmittelabgaskanäle 12, 22 auf der gegenüberliegenden Seite. Anordnungen, bei denen der Kathodengaszufuhrkanal 11 und der Anodengaszufuhrkanal 21 (ebenso wie der Kathodenabgaskanal 12 und der Anodenabgaskanal 22) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzelle 10 angeordnet sind und die Reaktantengase im Gegenstromprinzip durch die Anoden- und Kathodenströmungskanäle geführt werden, sind jedoch ebenso möglich. Ferner sind die entsprechenden Durchgangsöffnungen für die Betriebsmittelsammelkanäle in 1B mit einer jeweils kreisförmigen Gestalt dargestellt. Auch hier sind andere Ausgestaltungen möglich, beispielsweise rechteckige, dreieckige, trapezförmige oder andere Konturen. Zudem müssen die Betriebsmittelsammelkanäle 11, 12, 21, 22, 31, 32, insbesondere für die Reaktantengasströme, im Querschnitt des Brennstoffzellenstapels 100 nicht symmetrisch ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen sie einen sich in Stapelrichtung S verändernden Querschnitt auf, insbesondere einen in Strömungsrichtung sich verjüngenden Querschnitt, um das Volumen des bereits entnommenen Gases auszugleichen.
Die entsprechenden Durchgangsöffnungen für die Betriebsmittelsammelkanäle 11, 12, 21, 22, 31, 32 sind in Form miteinander fluchtender Durchgangsöffnungen in den Bipolarplatten 50 realisiert, sodass diese im Stapel 100 die entsprechenden Kanäle ausbilden. Optional können zusätzlich auch die Membran-Elektroden-Einheiten 40 einen entsprechend gleichgroßen Zuschnitt wie die Bipolarplatten 50 aufweisen und mit entsprechenden Durchgangsöffnungen, die mit den Durchgangsöffnungen der Bipolarplatten 50 fluchten, ausgebildet sein.
Viele Polymerelektrolytmembranen verdanken ihre für die Funktionsweise der Brennstoffzelle notwendige Ionenleitfähigkeit dem Vorhandensein von Wasser, weswegen die Membran stets feucht gehalten werden muss. Dies trifft insbesondere auch für Membranen basierend auf sulfoniertem Polytetrafluorethylen (Handelsbezeichnung Nafion) zu, die in PEM-Brennstoffzellen wett verbreitet sind. Das kathodisch gebildete Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion reicht zur Befeuchtung jedoch nicht in jedem Betriebspunkt der Brennstoffzelle aus.
Zur Befeuchtung der Reaktantengase werden im Stand der Technik verbreitet externe Befeuchter eingesetzt. Dies ist in 3 gezeigt, die einen Brennstoffzellenstapel 100' gemäß Stand der Technik mit einem externen Befeuchter 60 darstellt. Bei dem Befeuchter 60 handelt es sich beispielsweise um einen Membranbefeuchter, bei dem eine Seite einer wasserdampfpermeablen Membran von dem zu befeuchteten Gasstrom und die andere Seite der Membran von einem feuchteren Gasstrom überströmt wird. Dabei diffundiert der Wasserdampf des feuchteren Gasstroms über die Membran in den zu befeuchtenden Gasstrom, sodass dieser Wasserdampf aufnimmt. In dem in 3 dargestellten Beispiel wird der Kathodengasstrom, hier Luft, dadurch befeuchtet, dass er im Gegenstromprinzip mit dem aufgrund des gebildeten Produktwassers vergleichsweise feuchten Kathodenabgas, also der Abluft, über die Membran geführt wird. Ebenso ist jedoch bekannt, das Anodengas (Brennstoff) zu befeuchten. Nachteilig an externen Befeuchtern ist der hierdurch verursachte hohe Bauraumbedarf für den Befeuchter selbst sowie seine notwendige Verrohrung.
Zur Abhilfe dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen membranbasierten Befeuchter in mindestens einem der Betriebsmittelsammelkanäle des Brennstoffzellenstapels 100, umfassend den Kathodengaszufuhrkanal 11, den Kathodenabgaskanal 12, den Anodengaszufuhrkanal 21 und den Anodenabgaskanal 22, zu integrieren. Dieses Prinzip ist anhand der 4A und 4B dargestellt, in denen beispielhaft in dem Kathodengaszufuhrkanal 11 und in dem Kathodenabgaskanal 12 jeweils eine wasserdampfpermeable Membran 70 angeordnet ist. Die Membran 70 erstreckt sich im Wesentlichen in Stapelrichtung S des Brennstoffzellenstapels 100. Alternativ kann eine solche wasserdampfpermeable Membran 70 auch lediglich in dem Kathodengaszufuhrkanal 11 oder in dem Kathodenabgaskanal 12 angeordnet sein. Ebenfalls ist möglich, eine wasserdampfpermeable Membran in den Anodengaszufuhrkanal 21 und/oder in den Anodenabgaskanal 22 zu integrieren.
Die genauere Struktur und Funktionsweise der erfindungsgemäßen Befeuchtung ist anhand von 5 dargestellt, welche einen Schnitt durch einen Betriebsmittelsammelkanal, hier beispielsweise den Kathodengaszufuhrkanal 11, mit einer integrierten wasserdampfpermeablen Membran 70 zeigt. Die Membran 70 hat in der gezeigten Ausführung die Form eines Rohres, welches sich entlang des Betriebsmittelsammelkanals 11, also im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung S des Brennstoffzellenstapels 100 erstreckt. Die Membran 70 unterteilt den Betriebsmittelsammelkanal 11 in ein erstes Kanalsegment 71 und ein zweites Kanalsegment 72. Das erste Kanalsegment 71 verläuft in dem dargestellten Beispiel außerhalb der röhrenförmigen Membran 70 und ist strömungszuführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen der Brennstoffzellen 10 verbunden, im gezeigten Beispiel mit den Kathodenräumen 57. Das zweite Kanalsegment 72, welches innerhalb der Membran 70 ausgebildet ist, ist strömungsabführend mit einem der Betriebsmittelabgaskanäle 12 oder 22 verbunden, hier mit dem Kathodenabgaskanal 12. Somit wird das relativ feuchte Gas (hier die Abluft des Kathodenabgaskanals 12) durch das im Inneren der röhrenförmigen Membran 70 verlaufende zweite Kanalsegment 72 geführt und das zu befeuchtende Gas (hier die Luft für die Kathodenräume 57), durch das außen liegende erste Kanalsegment 71. Aufgrund des unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehaltes der Gasströme in den beiden Kanalsegmenten 71, 72 erfolgt eine Diffusion der Luftfeuchtigkeit des feuchten Gases aus dem zweiten Kanalsegment 72 über die wasserdampfpermeable Membran 70 in das erste Kanalsegment 71 und führt somit zu einer Feuchtigkeitsaufnahme des zu befeuchtenden Gases. Dieses strömt aus dem ersten Kanalsegment 71 des Kathodengaszufuhrkanals 11 in die Kathodenräume 57 und führt dort zu einer Befeuchtung der Polymerelektrolytmembrane 41 der Brennstoffzellen 10.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Membran zur Betriebsmittelbefeuchtung. Hier weist die wasserdampfpermeable Membran 70 ebenfalls die Form eines Rohres auf, ist im gezeigten Beispiel jedoch spiralartig gewickelt. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Oberfläche der Membran 70 gegenüber der in 5 gezeigten Ausführung vergrößert ist und somit eine höhere Wasserübertragungsrate realisiert werden kann.
Die 7 und 8 zeigen mögliche Strömungsführungen in Brennstoffzellenstapeln 100 mit der erfindungsgemäßen stapelinternen Befeuchtung.
Gemäß 7 ist die wasserdampfpermeable Membran 70 in dem Kathodengaszufuhrkanal 11 integriert. Der Strömungseingang des aufgrund der Membran 70 ausgebildeten zweiten Kanalsegments 72 des Kathodengaszufuhrkanals 11 ist mit dem Kathodenabgaskanal 12 strömungsabführend verbunden. Gemäß diesem Beispiel wird die zu befeuchtende Frischluft (Kathodengas) durch das erste Kanalsegment 71 des Kathodengaszufuhrkanals 11 geführt und nimmt Luftfeuchtigkeit auf. Von dort verteilt sich die befeuchtete Frischluft in die Kathodenräume 57 der Brennstoffzellen 10 und wird als Abgas über den Kathodenabgaskanal 12 aus den Brennstoffzellen 10 abgeleitet. Von dort wird das Kathodenabgas in das zweite durch die wasserdampfpermeable Membran 70 ausgebildete Kanalsegment 72 im Kathodengaszufuhrkanal 11 geleitet, wo es Feuchtigkeit auf das Kathodengas überträgt. Schließlich wird das entfeuchtete Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 abgeleitet. In diesem Falle werden die zu befeuchtende Kathodenluft sowie das feuchte Kathodenabgas im Gegenstrom über die wasserdampfpermeable Membran 70 100 geführt.
In dem in 8 dargestellten Beispiel ist die wasserdampfpermeable Membran 70 in dem Kathodenabgaskanal 12 angeordnet. Die zu befeuchtende Frischluft für das Kathodengas wird durch das erste Kanalsegment 71 des Kathodenabgaskanals 12 geführt, das bei einer röhrenförmigen Membran 70 in diesem Beispiel im Inneren der Membran 70 ausgebildet wird.
Dort nimmt das Kathodengas Luftfeuchtigkeit von dem im zweiten, in diesem Beispiel außerhalb der Membranröhre 70 gebildeten Kanalsegment 72 geführten Kathodenabgas auf, verlässt den Brennstoffzellenstapel 100 zunächst, um von dort dem Kathodengaszufuhrkanal 11 zugeführt zu werden. Somit ist auch in diesem Beispiel das erste Kanalsegment 71 strömungszuführend mit den Reaktionsräumen (hier Kathodenräumen 57) der Brennstoffzellen verbunden und führt das zu befeuchtende Gas und das zweite Kanalsegment 72, welches das feuchte Gas führt, strömungsabführend mit den Reaktionsräumen (hier wiederum den Kathodenräumen). Das feuchte Kathodenabgas, welches aus den Kathodenräumen 57 in den Kathodenabgaskanal 12 strömt, umströmt somit die röhrenförmige Membran 70 von außen. In diesem Beispiel werden die Ströme des zu befeuchtenden Kathodengases und des zu entfeuchtenden Kathodenabgases im Gleichstrom über die Membran 70 geführt.
In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform wird nur ein Teil des zu befeuchtenden Betriebsgases über eine in einem der Betriebsmittelsammelkanäle 11, 12, 21, 22 angeordnete wasserdampfpermeable Membran 70 geführt und dort befeuchtet und anschließend dem entsprechenden (nicht befeuchteten) Betriebsgas zugemischt.
In noch einer weiteren, ebenfalls nicht gezeigten Ausführungsform ragt die wasserdampfpermeable Membran 70 noch außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 hinaus in die externen Leitungsanschlüsse der Betriebsmittelsammelkanäle 11, 12, 21, 22 hinein. Durch diese Ausdehnung in die Zuleitungen beziehungsweise Ableitungen für die Betriebsmittelgase kann die Austauschfläche und damit die Befeuchtungsleistung noch weiter gesteigert werden.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
10: Brennstoffzelle
1: erste Endplatte
2: zweite Endplatte
11: Kathodengaszufuhrkanal
12: Kathodenabgaskanal
21: Anodengaszufuhrkanal
22: Anodenabgaskanal
31: Kühlmittelzufuhrkanal
32: Kühlmittelabfuhrkanal
40: Membran-Elektroden-Einheit
41: Polymerelektrolytmembran
42: Anode
43: Kathode
44: Gasdiffusionsschicht
50: Bipolarplatte
51: Anodenplatte
52: Kathodenplatte
53: Anodenströmungskanal
54: Kathodenströmungskanal
55: Kühlmittelkanal
56: Anodenraum
57: Kathodenraum
58: aktiver Bereich
60: externer Befeuchter
70: wasserdampfpermeable Membran
71: erstes Kanalsegment
72: zweites Kanalsegment
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007008214 A1 [0006]
WO 03/090301 A2 [0006]
DE 69328874 T2 [0007]
DE 60008295 T2 [0007]
WO 2005/031900 A1 [0008]
DE 102004006025 B4 [0009]

Claims

Brennstoffzellenstapel (100), umfassend einen Stapel Brennstoffzellen (10), welche jeweils einen Anodenraum (56) und einen Kathodenraum (57) aufweisen, wobei in dem Stapel Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) ausgebildet sind, welche den Stapel in Stapelrichtung (S) durchsetzen, und die Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) Betriebsmittelzufuhrkanäle (11, 21) zur Versorgung der Anodenräume (56) und Kathodenräume (57) mit einem Kathoden- beziehungsweise Anodengas umfassen, nämlich einen Kathodengaszufuhrkanal (11) und einen Anodengaszufuhrkanal (21), und Betriebsmittelabgaskanäle (12, 22) zur Ableitung von Abgasen aus den Anoden- und Kathodenräumen, nämlich einen Kathodenabgaskanal (12) und einen Anodenabgaskanal (22), umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) eine wasserdampfpermeable Membran (70) angeordnet ist, welche den Kanal in zumindest zwei durch die wasserdampfpermeable Membran (70) getrennte Kanalsegmente (71, 72) unterteilt, und ein erstes Kanalsegment (71) strömungszuführend mit den Anoden- oder Kathodenräumen (56, 57) der Brennstoffzellen (10) verbunden ist und ein zweites Kanalsegment (72) strömungsabführend mit den Anoden- beziehungsweise Kathodenräumen (56, 57) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfpermeable Membran (70) in dem Kathodengaszufuhrkanal (11) angeordnet ist und das erste Kanalsegment (71) strömungszuführend mit den Kathodenräumen (57) verbunden ist und das zweite Kanalsegment (72) strömungsabführend mit den Kathodenräumen (57) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfpermeable Membran (70) in dem Kathodenabgaskanal (12) angeordnet ist und das erste Kanalsegment (71) strömungszuführend mit den Kathodenräumen (57) verbunden ist und das zweite Kanalsegment (72) strömungsabführend mit den Kathodenräumen (57) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfpermeable Membran (70) in Form eines Rohres den Betriebsmittelsammelkanal (11, 12, 21, 22) in Stapelrichtung (S) durchsetzt und in ein innerhalb des Rohres liegendes Kanalsegment (71, 72) und in ein außerhalb des Membranrohres liegendes Kanalsegment (71, 72) unterteilt.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Membran (70) gebildete Rohr den Betriebsmittelsammelkanal (11, 12, 21, 22) geradlinig, mäandernd oder spiralartig durchsetzt.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfpermeable Membran (70) in Form einer Vielzahl von Hohlfasermembranen den Betriebsmittelsammelkanal (11, 12, 21, 22) in Stapelrichtung (S) durchsetzt und in innerhalb der Hohlfasern liegende Kanalsegmente (71, 72) und in ein außerhalb der Hohlfasern Hegendes Kanalsegment (71, 72) unterteilt.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel alternierend gestapelte Bipolarplatten (50) und Membran-Elektroden-Einheiten (40) umfassen, die Betriebsmittelsammelkanäle (11, 12, 21, 22) durch Durchgangsöffnungen der Bipolarplatten (50) und optional der Membran-Elektroden-Einheiten (40) ausgebildet sind, die im Stapel miteinander fluchtend angeordnet sind.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.