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Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der insbesondere in einem Fahrzeug verwendet wird.
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Die Randzellen eines Brennstoffzellenstapels werden nach dem Stand der Technik oftmals ohne eine aktive Membran-Elektrodenanordnung (MEA) ausgeführt, da diese aufgrund von Wärmeverlusten in der Regel eine niedrigere Temperatur und somit auch niedrigere Zellspannung als die anderen Membran-Elektrodenanordnungen des Stapels aufweisen. Randzellen mit aktiver Membran-Elektrodenanordnung würden die Gesamtleistung des Brennstoffzellenstapels begrenzen, da dieser in der Regel nach der niedrigsten Zellspannung geregelt wird. Die inaktiven Randzellen isolieren die aktiven Brennstoffzellen thermisch zur Umgebung des Brennstoffzellenstapels.
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Im Stand der Technik wird dieser Effekt noch dadurch unterstützt, dass die inaktiven Randzellen mit Kühlwasser und gegebenenfalls auch Reaktionsgasen durchströmt werden. In einigen Anwendungsfällen wird auch der Kühlwasserrücklauf der aktiven Zellen durch den Rand des Stapels, insbesondere durch die Stromabnehmer oder Druckplatten, durchströmt, da dieser Rücklauf eine höhere Temperatur aufweist und den Wärmeverlust der aktiven Brennstoffzellen effektiv begrenzt. Die Durchströmung der inaktiven Brennstoffzellen führt jedoch zu energetischen Verlusten, beispielsweise in Form von hohem Energiebedarf für Wasserpumpen oder Luftkompressoren oder höherem Brennstoffverbrauch. Dies wirkt sich direkt auf den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems aus.
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Allerdings wird das Problem durch die inaktiven Randzellen nicht gänzlich gelöst, da der Brennstoffzellenstapel einen positiven Temperaturgradienten zwischen dem Einlass und dem Auslass des Oxidationsmittels (insbesondere Luft) benötigt um performant zu sein. Der Einlass muss kalt sein, damit die relativ trockene Eingangsluft nicht die Membran der Membran-Elektrodenanordnung austrocknet. Der Auslass muss relativ warm sein, damit die dort relativ feuchte Luft nicht auskondensiert und Wassertropfen die Gaskanäle blockieren.
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Die aktiven Brennstoffzellen, die an die inaktiven Randzellen grenzen, können diesen Temperaturgradienten durch Reaktionswärme auch nicht so vollständig ausprägen wie die Brennstoffzellen weiter innen im „Kern“ des Brennstoffzellenstapels. Ihre Temperaturgradienten fallen geringer aus als bei den Brennstoffzellen im Kern, was sie wiederum zu den leistungsbegrenzenden Brennstoffzellen macht.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Insbesondere soll ein Brennstoffzellenstapel mit möglichst großem Wirkungsgrad angegeben werden. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst neben den Brennstoffzellen vorzugsweise periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der Brennstoffzellen zum Einsatz kommen können..
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Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode. Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
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Der hier offenbarte Brennstoffzellenstapel umfasst zwei stirnseitige Stromabnehmerplatten und mehrere gestapelte Brennstoffzellen. Die Stromabnehmerplatten und die Brennstoffzellen stehen parallel zueinander. Senkrechte zu den Stromabnehmerplatten und den Brennstoffzellen ist eine Stapelachse definiert. Die beiden Stromabnehmerplatten befinden sich an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Brennstoffzellenstapels. Die einzelnen Brennstoffzellen sind zwischen den beiden Stromabnehmerplatten angeordnet. Außerhalb der beiden Stromabnehmerplatten können sich entsprechende Endplatten befinden. Die Endplatten sind vorzugsweise über entsprechende Zugelemente miteinander verbunden. Die Zugelemente erstrecken sich parallel zur Stapelachse. Die Endplatten und die Zugelemente halten somit den gesamten Brennstoffzellenstapel zusammen.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst zumindest eine elektrische Flächenheizung gebildet durch eine Widerstandsschicht. Diese Widerstandsschicht befindet sich insbesondere zwischen einer der beiden Stromabnehmerplatten und der angrenzenden Brennstoffzelle. Diese angrenzende Brennstoffzelle kann auch als Randzelle bezeichnet werden. Allerdings kann die Widerstandsschicht auch zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet werden.
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Bei der Flächenheizung handelt es sich um eine Ohm'sche Heizung, da sie mit Strom betrieben wird. Allerdings weist die Flächenheizung hierzu keine Anschlüsse für eine externe Energiequelle auf, sondern die Widerstandsschicht ist in dem Brennstoffzellenstapel so angeordnet, dass der durch die Brennstoffzellen erzeugbare Strom durch die Widerstandsschicht fließt. In der Ebene senkrecht zur Stapelachse ist die Widerstandsschicht vorzugsweise zumindest genauso groß wie der aktive Bereich der Brennstoffzellen.
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Bei dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels sorgt die Widerstandsschicht für eine inhomogene Temperaturverteilung über der zur Stapelachse senkrechten Fläche. Hierzu weist die Widerstandsschicht in der zur Stapelachse senkrechten Fläche zumindest zwei unterschiedliche Bereiche auf:
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Der erste Bereich weist einen ersten elektrischen spezifischen Dickenwiderstand auf. Der zweite Bereich weist einen zweiten elektrischen spezifischen Dickenwiderstand auf. Der erste spezifische Dickenwiderstand ist kleiner als der zweite spezifische Dickenwiderstand.
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Der „spezifische Dickenwiderstand“ ist definiert als Produkt des spezifischen Widerstands des Materials der Widerstandsschicht und der Dicke der Widerstandsschicht im jeweiligen Bereich. Die Dicke der Widerstandsschicht wird dabei parallel zur Stapelachse gemessen. Der spezifische Widerstand des Materials wird üblicherweise in [Ω*mm2/m] oder [Ωm] angegeben. Für den spezifischen Dickenwiderstand ergibt sich somit die Einheit Ω*Fläche, beispielsweise [mΩ*cm2]. Die unterschiedlichen spezifischen Dickenwiderstände in den zumindest zwei Bereichen ergeben sich somit aus einer entsprechenden Auswahl des Materials und/oder der Dicke der Schicht.
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Außerhalb eines aktiven Bereichs der Brennstoffzellen befindet sich ein Randbereich des Brennstoffzellenstapels in dem Dichtungen angeordnet sind und über entsprechende Kanäle die Medien (Brennstoff, Oxidationsmittel und gegebenenfalls Kühlfluid) zu den einzelnen Brennstoffzellen verteilt werden. Die Widerstandsschicht kann sich bis in diesen Randbereich erstrecken, allerdings können die spezifischen Dickenwiderstände hier aufgrund der geometrischen Ausgestaltung und aufgrund der beschriebenen Kanäle oder Dichtungen sehr unterschiedlich ausfallen.
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So ist vorzugsweise in der Ebene der Widerstandschicht eine Referenzfläche definiert, die bei Betrachtung entlang der Stapelachse deckungsgleich mit dem aktiven Bereich der Brennstoffzellen ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die zumindest zwei definierten Bereiche mit unterschiedlichem spezifischen Dickenwiderstand ausschließlich auf die mit dem aktiven Bereich überlappende Referenzfläche beziehen. Die spezifischen Dickenwiderstände der Widerstandsschicht außerhalb der Referenzfläche, also im Randbereich des Brennstoffzellenstapels bleiben insbesondere unberücksichtigt.
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Die beiden Bereiche der Widerstandsschicht stellen für den in erster Linie parallel zur Stapelachse gerichteten elektrischen Stromfluss zwei unterschiedliche Widerstände dar. Durch den geringen Widerstand im ersten Bereich fließt, bei gleichem Spannungsabfall über der gesamten Fläche, ein höherer Strom im ersten Bereich als im zweiten Bereich. Dies führt zu einer höheren Wärmeproduktion im ersten Bereich. Die höhere Wärmeproduktion im ersten Bereich führt zu einem Temperaturgradienten, der vom relativ kalten zweiten Bereich zum ersten Bereich zeigt.
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Die zumindest zwei Bereiche sind also so angeordnet, dass ein senkrecht zur Stapelachse gerichteter Temperaturgradient in der Widerstandsschicht erzeugt wird.
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Mit der hier offenbarten Widerstandsschicht soll insbesondere eine bestimmte Seite oder eine bestimmte Ecke des Brennstoffzellenstapels gezielt erwärmt werden. Deshalb erstrecken sich die Bereiche auf der Widerstandsschicht vorzugsweise nicht nur über einen sehr begrenzten Bereich, beispielsweise wenige cm2. Vielmehr ist vorzugsweise vorgesehen, dass die zumindest zwei Bereiche auf der Widerstandsschicht so groß ausgebildet und angeordnet sind, dass über zumindest 15 %, vorzugsweise zumindest 20 %, der Breite und/oder Höhe der Referenzfläche die Temperatur sich stetig in einer Richtung ändert, also stetig zunimmt oder stetig abnimmt. Wie beschrieben ist die Referenzfläche deckungsgleich mit dem aktiven Bereich der Brennstoffzellen. Die Breite und die Höhe sind senkrecht zur Stapelachse definiert.
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Der Temperaturgradient beträgt bei 80 % der Maximallast des Brennstoffzellenstapels vorzugsweise zumindest 1 K/B (Kelvin pro Breite der Referenzfläche),weiter vorzugsweise zumindest 3 K/B, insbesondere zumindest 5 K/B, besonders vorzugsweise zumindest 8K/B. Die Breite B ist insbesondere gleich oder länger der Höhe H.
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In bevorzugter Ausführung weist die Widerstandsschicht mehr als zwei Bereiche auf, wobei alle Bereiche unterschiedliche spezifische Dickenwiderstände aufweisen. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der spezifische Dickenwiderstand aller Bereiche in einer Richtung senkrecht zur Stapelachse stufenweise oder kontinuierlich ausschließlich zunimmt, sodass ein einheitlicher, gerichteter Temperaturgradient über die ganze Widerstandsschicht entsteht.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst üblicherweise Einlässe und Auslässe für die benötigten Medien, wie Brennstoff, Oxidationsmittel und gegebenenfalls ein Kühlfluid. Der Einlass und der Auslass für das Oxidationsmittel, insbesondere Luft, sind hier von besonderem Interesse, da die Luft im Einlass relativ kalt sein sollte, um die Membranen in den Brennstoffzellen nicht auszutrocknen. Am Auslass sollte der Luft relativ warm sein, um ein Auskondensieren von Wassertropfen zu vermeiden.
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Der gemeinsame Einlass der Luft und der gemeinsame Auslass der Luft für den Brennstoffzellenstapel befinden sich vorzugsweise an einer der beiden Stirnseiten, also im Bereich einer der Stromabnehmerplatten bzw. einer der Endplatten. Besonders bevorzugt führen der Einlass und/oder der Auslass durch eine der Stromabnehmerplatten hindurch.
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Für die gezielte Erwärmung des Auslasses ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Auslass näher am ersten Bereich als am zweiten Bereich der Widerstandsschicht angeordnet ist. Ferner ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Einlass näher am zweiten Bereich als am ersten Bereich angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt befinden sich der Einlass und der Auslass an derselben Stirnseite, insbesondere in derselben Stromabnehmerplatte. Dadurch kann mit nur einer Widerstandsschicht und der entsprechenden Zuordnung von Einlass und Auslass zu den beiden Bereichen eine gezielte Erwärmung des Auslasses und eine relative Kühlung des Einlasses erreicht werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für die zumindest zwei Bereiche jeweils unterschiedliche Materialien verwenden werden. Wird die Widerstandsschicht in beispielsweise drei Bereiche eingeteilt, so werden drei unterschiedliche Materialien verwendet. Die Materialien unterscheiden sich in ihrem spezifischen elektrischen Widerstand, sodass bei gleicher Dicke der Widerstandsschicht über alle Bereiche unterschiedliche spezifische Dickenwiderstände entstehen. Insbesondere werden als Material für die Bereiche Silber, Gold, Graphit oder elektrisch leitende Keramik verwendet.
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In einer bevorzugten Variante wird die Widerstandsschicht durch eine eigene Platte gebildet, die zwischen einer der Stromabnehmerplatten und der angrenzenden Brennstoffzelle oder zwischen zwei Brennstoffzellen eingesetzt ist. In der Ebene senkrecht zur Stapelachse ist die Platte vorzugsweise in etwa so groß wie die Stromabnehmer oder die Brennstoffzellen. Dadurch kann die Platte ohne weiteres an entsprechender Stelle in den Stapel eingesetzt werden.
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Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Widerstandsschicht lediglich eine Beschichtung auf dieser eigenen Platte darstellt. So kann beispielsweise eine Aluminiumplatte als Träger verwendet werden, die im ersten Bereich und im zweiten Bereich mit zwei unterschiedlichen Materialien beschichtet ist.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Widerstandsschicht durch eine Beschichtung auf einer der Stromabnehmerplatten oder einer der Brennstoffzellen gebildet ist. An der Stromabnehmerplatte befindet sich diese Beschichtung an der den Brennstoffzellen zugewandten Seite.
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In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass der zweite spezifische Dickenwiderstand zumindest 110 %, vorzugsweise zumindest 125 %, weiter vorzugsweise zumindest 150 %, besonders vorzugsweise zumindest 200 %, des ersten spezifischen Dickenwiderstands beträgt.
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Wenn auf der Widerstandsfläche mehr als zwei Bereiche ausgebildet sind, so bezieht sich hinsichtlich der genannten Größenordnungen der erste spezifische Dickenwiderstand auf den Bereich mit dem geringsten spezifischen Dickenwiderstand und der zweite spezifische Dickenwiderstand auf den Bereich mit dem höchsten spezifischen Dickenwiderstand. Wenn die spezifischen Dickenwiderstände innerhalb eines Bereichs variieren, wird das Mittel über die entsprechende Fläche gebildet.
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Der erste spezifische Dickenwiderstand liegt vorzugsweise zwischen 1 mΩcm2 (Milli-Ohm mal Quadratzentimeter) und 1Ωcm2, insbesondere zwischen 10 mΩcm2 und 500mΩcm2, besonders vorzugsweise zwischen 20mΩcm2 und 100mΩcm2.
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Die Verwendung der Widerstandsschicht mit unterschiedlichen spezifischen Dickenwiderständen führt zu einer Ungleichverteilung der elektrischen Ströme über die zur Stapelachse senkrechte Fläche. Dies ist innerhalb der Widerstandsschicht genau das Ziel und führt zu der gewünschten inhomogenen Wärmeerzeugung. Bezogen auf den gesamten Brennstoffzellenstapel kann die Ungleichverteilung der elektrischen Ströme jedoch negative Folgen haben, wie beispielsweise eine schlechtere Gesamtperformance oder eine schnellere Alterung der Brennstoffzellen. Vorzugsweise wird deshalb eine Ausgleichsschicht in den Brennstoffzellenstapel eingesetzt. Diese Ausgleichsschicht ist gebildet durch eine Beschichtung oder eine separate Platte. Die Ausgleichsschicht befindet sich zwischen der Widerstandsschicht und einer angrenzenden Brennstoffzelle und ist zur Verteilung der elektrischen Ströme quer zur Stapelachse ausgebildet. Dementsprechend besteht die Ausgleichsschicht aus einem Material mit möglichst niedrigem spezifischen Widerstand und/oder ist möglichst dick ausgebildet.
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Die Dicke der Ausgleichsschicht beträgt vorzugsweise 0,5 mm bis 5 mm. Für das Material der Ausgleichsschicht wird vorzugsweise Aluminium verwendet.
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Bei Ausbildung der Ausgleichsschicht als Platte, kann die Widerstandsschicht als Beschichtung auf dieser Platte gebildet sein.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. In dem Brennstoffzellensystem wird zumindest einer der beschriebenen Brennstoffzellenstapel verwendet.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht des offenbarten Brennstoffzellenstapels,
- 2 ein Beispiel zur Aufteilung der Widerstandsschicht in zwei Bereiche,
- 3 ein weiteres Beispiel zur Aufteilung der Widerstandsschicht in zwei Bereiche, und
- 4 ein Beispiel zur Aufteilung der Widerstandsschicht in drei Bereiche.
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1 zeigt rein schematisch und nicht maßstabsgetreu einen Brennstoffzellenstapel 1. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl an Brennstoffzellen 3. An den beiden Stirnseiten des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich jeweils eine Stromabnehmerplatte 2. Die Brennstoffzellen 3 und die beiden Stromabnehmerplatten 2 stehen parallel zueinander und sind entlang einer Stapelachse 4 aneinander gestapelt.
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Insbesondere nicht dargestellt sind übliche Endplatten an den Außenseiten der Stromabnehmerplatten und entsprechende Zugelemente um die beiden Endplatten miteinander zu verbinden. Zusätzlich oder alternativ zu solchen Endplatte kann der gezeigte Brennstoffzellenstapel 1 auch in ein Gehäuse eingesetzt werden.
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Rein schematisch zeigt 1 einen stirnseitigen Einlass 8 für ein Oxidationsmittel der Brennstoffzellen 1 und einen stirnseitigen Auslass 9 für das Oxidationsmittel. Als Oxidationsmittel wird insbesondere Luft verwendet. Der Einlass 8 und der Auslass 9 befinden sich im gezeigten Ausführungsbeispiel an derselben Stirnseite und verlaufen durch die rechte Stromabnehmerplatte 2.
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1 zeigt des Weiteren rein schematisch einen aktiven Bereich 6 der Brennstoffzellen 3 und einen Randbereich 7 der den aktiven Bereich 6 umfänglich umgibt. In dem aktiven Bereich 6 der Brennstoffzellen 3 erfolgt die chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel. In dem Randbereich 7 sind insbesondere Kanäle vorgesehen, um die Medien (Brennstoff, Oxidationsmittel und gegebenenfalls Kühlfluid) zu den einzelnen Brennstoffzellen 3 zu verteilen. Des Weiteren können in dem Randbereich 7 entsprechende Dichtungen angeordnet werden, um die verschiedenen Schichten des Brennstoffzellenstapels 1 abzudichten.
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1 zeigt die Anordnung einer Flächenheizung gebildet durch eine Widerstandsschicht 5 zwischen einer der Stromabnehmerplatten 2 und einer Brennstoffzelle 3. Bei dieser Brennstoffzelle 3 handelt es sich um eine Randzelle. Diese Randzelle kann als inaktive Randzelle ausgebildet sein.
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Zwischen der Widerstandsschicht 5 und der Brennstoffzelle 3 befindet sich eine Ausgleichsschicht 14. Die Ausgleichsschicht 14 weist eine möglichst gute elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Stapelachse 4 auf, um die fließenden elektrischen Ströme möglichst auf den gesamten Querschnitt zu verteilen.
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2 zeigt die Widerstandsschicht 5 in einer zur Stapelachse 4 senkrechten Ebene. Betrachtet wird hier in erster Linie die Widerstandsschicht 5 in der gezeigten Referenzfläche. Diese Referenzfläche entspricht dem aktiven Bereich der Brennstoffzellen 6. Außerhalb dieser Referenzfläche befindet sich der Randbereich 7, in dem die Kanäle für die Medien und entsprechende Dichtungen angeordnet sind. 2 zeigt eine Breite B und eine Höhe H des aktiven Bereichs 6 der Brennstoffzellen 3 und somit auch der hier betrachteten Widerstandsschicht 5.
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Ferner zeigt 2 links oben den Einlass 8 für die Luft und rechts unten den Auslass 9 für die Luft.
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Die Widerstandsschicht 5 ist in dem Beispiel gemäß 2 in zwei gleich große Bereiche, nämlich den ersten Bereich 11 und den zweiten Bereich 12 geteilt. Diese Einteilung der Widerstandsschicht 5 in die beiden Bereiche 11, 12 erfolgt durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien für die beiden Bereiche 11, 12. Die Materialien sind so gewählt, dass die beiden Bereiche 11, 12 unterschiedliche spezifische Dickenwiderstände aufweisen. Der spezifische Dickenwiderstand des ersten Bereichs 11 ist kleiner als im zweiten Bereich 12.
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Dadurch ergibt sich im ersten Bereich 11 ein kleinerer elektrischer Widerstand für den Stromfluss parallel zur Stapelachse 4. Beachtet man den gleichen Spannungsabfall über die gesamte Fläche der Widerstandsschicht 5, so ergibt sich ein höherer Strom im Bereich des kleineren Widerstandes, also im ersten Bereich 11. Dies führt zu einer höheren Wärmeproduktion im ersten Bereich 11 im Gegensatz zum zweiten Bereich 12. Dadurch entsteht der in 2 eingezeichnete Temperaturgradient 10 vom zweiten Bereich 12 zum ersten Bereich 11.
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Das gezeigte Beispiel zeigt, dass der Einlass 8 für die Luft dem zweiten Bereich 12 zugeordnet ist. Der Auslass 9 für die Luft ist dem ersten Bereich 11 zugeordnet. Dadurch wird der Auslass 9 stärker erwärmt als der Einlass 8. Durch die Erwärmung der Luft im Auslass 9 wird ein Auskondensieren von Wasser aus der Luft vermieden. Die Luft im Einlass 8 wird relativ kühl gehalten, um ein Austrocknen der Membranen in den Brennstoffzellen 3 zu vermeiden.
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Das Beispiel zeigt, dass durch die Verwendung der hier offenbarten Widerstandsschicht bestimmte Bereiche, also bestimmte Seiten oder Ecken in dem Brennstoffzellenstapel 1 gezielt erwärmt werden können. Hierzu können zwei oder mehr Bereiche mit unterschiedlichen spezifischen Dickenwiderständen verwendet werden.
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Insbesondere handelt es sich nicht nur um sehr kleine und lokale Schwankungen der spezifischen Dickenwiderstände, sondern um entsprechend große Bereiche 11, 12, die gezielt mit einem relativ hohen oder relativ niedrigen spezifischen Dickenwiderstand ausgebildet sind. Dadurch entsteht ein entsprechend gerichteter Temperaturgradient, der sich möglichst weit über die Widerstandsschicht 5 erstreckt.
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3 zeigt eine mögliche weitere Aufteilung der Widerstandsschicht 5 in zwei Bereiche 11, 12. Hier ist der erste Bereich 11 gezielt in einer Ecke der Widerstandsschicht 5 ausgebildet, um bewusst diesen Bereich zu erwärmen.
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4 zeigt eine mögliche Aufteilung der Widerstandsschicht 5 in drei Bereiche. Hier ist zwischen dem ersten Bereich 11 und dem zweiten Bereich 12 ein dritter Bereich 13 angeordnet. Der spezifische Dickenwiderstand im dritten Bereich 13 liegt zwischen dem spezifischen Dickenwiderstand im ersten Bereich 11 und dem spezifischen Dickenwiderstand im zweiten Bereich 12.
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Das Beispiel in 4 zeigt insbesondere, dass der spezifische Dickenwiderstand über mehrere Bereiche in eine zur Stapelachse 4 senkrechte Richtung kontinuierlich oder stufenweise zunehmen soll, sodass ein einheitlich gerichteter Temperaturgradient 10 entsteht.
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Es versteht sich, dass die 2 bis 4 in erster Linie beispielhafte, schematische Aufteilungen der Widerstandsschicht 5 zeigen, um die Erfindung zu verdeutlichen.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Stromabnehmerplatten
- 3
- Brennstoffzellen
- 4
- Stapelachse
- 5
- Widerstandsschicht
- 6
- aktiver Bereich der Brennstoffzellen
- 7
- Randbereiche
- 8
- Einlass
- 9
- Auslass
- 10
- Temperaturgradienten
- 11
- erster Bereich
- 12
- zweiter Bereich
- 13
- dritter Bereich
- 14
- Ausgleichsschicht
- H
- Höhe
- B
- Breite
- D
- Dicke
