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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung, die eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran umfasst, und mit mindestens einer Gasdiffusionslage, die lateral durch eine, insbesondere rahmenartige, Struktur begrenzt oder in diese eingelegt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.
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Brennstoffzellen werden genutzt, um kontrolliert einen geeigneten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, mit Sauerstoff, in der Regel bereitgestellt aus der Luft, reagieren zu lassen, in einer elektrochemischen Reaktion Elektrizität zu erzeugen. Für eine effiziente Umsetzung der Reaktionsgase ist es erforderlich, dass sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig eine gleichmäßige Verteilung vorliegt. Es werden daher in vielen Fällen entsprechende Strukturen in den Strömungsfeldern von Bipolarplatten ausgebildet. In der
DE 10 2015 207 397 A1 und in der
KR 2013 0128 247 A werden daher entsprechend wellenförmige Rippen an den Bipolarplatten ausgebildet, um damit eine gleichmäßigere Verteilung der Prozessgase zu realisieren. An die Bipolarplatte angelehnt ist meist eine Gasdiffusionslage, die eine noch gleichmäßigere Verteilung der Prozessgase an die Elektroden, nämlich die Kathode und die Anode herbeiführen sollen. Dabei muss insbesondere im Fall der Anode ein Bypassmassenstrom, also ein Massenstrom der Prozessgase, der um die Gasdiffusionslage herumströmt, so klein als möglich gehalten werden, da der durch die Bypässe strömende Massenstrom elektrochemisch nicht umgesetzt werden kann, im Falle einer Anodenrezirkulation aber dennoch gefördert bzw. rezirkuliert werden muss, was einen Verlust der Leistung darstellt. Das Gleiche gilt auch für die beiden anderen Medien wie Luft an der Kathode sowie dem Kühlmittel, wobei letzteres neben dem Förderverlust auch eine Verringerung der Kühlleistung in der aktiven Fläche zur Folge hat.
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Die Bestandteile eines Brennstoffzellenaufbaus der eingangs genannten Art sind in großer Stückzahl zu fertigen, da eine einzelne Brennstoffzelle alleine nicht ausreichend Leistung bereitstellt, um beispielsweise einen elektrischen Traktionsmotor in Brennstoffzellenfahrzeugen zu versorgen. Daher werden die Brennstoffzellen in einem Stapel mehrerer Brennstoffzellen zusammengefasst, um die notwendige elektrische Leistung bereitstellen zu können. Die einzelnen Bestandteile, insbesondere die Gasdiffusionslage unterliegen dabei Fertigungstoleranzen, welche den Bypassmassenstrom der Prozessgase beeinflussen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Brennstoffzellenaufbau, ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Brennstoffzellenaufbau mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1, mit einem Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 sowie mit einem Kraftfahrzeug des Merkmalsbestand des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Brennstoffzellenaufbau zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Struktur zur Reduzierung eines Bypassmassenstroms eines Reaktanten zumindest an einer ihrer der Gasdiffusionslage zugewandten Kanten mindestens einen sich in Richtung der Gasdiffusionslage erstreckenden Vorsprung aufweist.
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Durch diesen sich lateral erstreckenden Vorsprung wird ein an der Gasdiffusionslage vorbeiströmender Gasmassenstrom zurück in die Gasdiffusionslage geleitet, wo er zur elektrochemischen Umsetzung genutzt werden kann. Typischerweise ist die Gasdiffusionslage ein filzartiges Fasergeflecht, was sich in gewissen Grenzen elastisch verformen lässt. Diese Eigenschaft wird durch die vorgeschlagene Geometrie, insbesondere durch den Einsatz des Vorsprungs für eine Minimierung des Bypassmassenstromes ausgenutzt. Somit kann also die Gasdiffusionslage durch den Vorsprung lokal geringfügig komprimiert werden, wodurch sich der Massenstrom, der an der Gasdiffusionslage vorbeiströmen möchte, zurück in die Gasdiffusionslage führen lässt.
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Eine noch effizientere Verminderung des Bypassmassenstroms lässt sich dadurch erzielen, dass die Struktur eine Mehrzahl von sich in Richtung der Gasdiffusionslage erstreckender Vorsprünge aufweist.
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Bei bekannten Brennstoffzellenaufbauten wird die Gasdiffusionslage bislang entlang gerader Kanten eingelegt. Eine wellenförmige Kontur der vorgeschlagenen Bypassgeometrie bietet dabei einen wesentlichen Unterschied zu bekannten Lösungen, wobei insbesondere eine minimierte Querschnittsfläche am Wellenberg der wellenförmigen Struktur ausgebildet ist.
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Um die insbesondere rahmenartige Struktur auf besonders einfache Weise fertigen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kante sinusförmig gebildet ist.
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Eine Minimierung des Bypassmassenstromes lässt sich allerdings auch erzielen, wenn die der Gasdiffusionslage zugewandte Kante der Struktur stufenförmig gebildet ist.
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Um nicht nur einen lateralen Bypassmassenstrom, sondern auch eine axiale Dichtigkeit der Gasdiffusionslage herbeizuführen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Struktur in axialer Richtung eine Dicke aufweist, die mindestens 50 Prozent der Dicke der Gasdiffusionslage, insbesondere im verspannten Zustand des Brennstoffzellenstapels, entspricht.
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Eine noch zuverlässigere Unterbindung eines Bypassmassenstroms lässt sich dadurch erzielen, dass die Dicke der Struktur mindestens 90 Prozent, vorzugsweise aber mindestens 100 Prozent der Dicke der Gasdiffusionslage, insbesondere im verspannten Zustand eines Brennstoffzellenstapels, entspricht.
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Die insbesondere rahmenartige Struktur kann als isolierter Rahmen für die Gasdiffusionslage vorliegen. Es hat sich jedoch als bevorzugt herausgestellt, wenn die Struktur integral, d.h. einstückig, mit einer ein Strömungsfeld bereitstellen Bipolarplatte gebildet ist. Durch letzteres lässt sich eine Konfiguration erzielen, die in der Herstellung einen Fertigungs- und/oder Montageschritt weniger benötigt, da die Bipolarplatte in der Regel ohnehin aufgrund ihres Strömungsfelds einer zusätzlichen Bearbeitung unterzogen werden muss, so dass auch gleichzeitig die Vorsprünge oder die Wellenform am rahmenartigen Abschnitt der Bipolarplatte ausgebildet werden können.
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Die Vorteile des Brennstoffzellenaufbaus realisieren sich insbesondere bei einem Einsatz in einem Brennstoffzellensystem mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen mit einem solchen Aufbau aufweisenden Brennstoffzellenstapel. Die für den Brennstoffzellenaufbau erwähnten Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten gleichermaßen für das Brennstoffzellensystem.
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Auch ein Kraftfahrzeug ist besonders effizient, wenn es mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, das einen solchen Brennstoffzellenaufbau aufweist. Auch hier gelten die genannten Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sinngemäß, so dass ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitgestellt ist.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung eines Brennstoffzellenaufbaus,
- 2 eine exemplarische Draufsicht auf eine in die rahmenartige Struktur eingelegte Gasdiffusionslage des Brennstoffzellenaufbaus nach 1, und
- 3 das Detail A aus 2.
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In 1 ist ein Brennstoffzellenaufbau 100 mit einer Membranelektrodenanordnung 102 gezeigt, die eine Anode 104, eine Kathode 106 sowie eine die Anode 104 von der Kathode 106 trennende protonenleitfähige Membran 108 umfasst. Die Anode 104 und die Kathode 106 können eine Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder Gemischen umfassende Edelmetallen wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen aufweisen, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der Brennstoffzelle dienen.
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In einer derartigen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode 104 Brennstoff oder Brennstoffmoleküle, insbesondere Wasserstoff, in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran 108 lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). Die Membran 108 ist aus einem Ionomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Die Membran 108 kann alternativ auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein. An der Anode 104 erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
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Während die Protonen durch die Membran 108 zur Kathode 106 hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode 106 oder an einen Energiespeicher geleitet. An der Kathode 106 ist ein Kathodengas, insbesondere Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft, bereitgestellt, so dass hier die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Den beiden Elektroden, nämlich der Anode 104 und der Kathode 106 ist jeweils eine Gasdiffusionslage 110, 112 zugeordnet. Die Gasdiffusionslagen 110, 112 sind bevorzugt aus Kohlenstoff-Faser-Papier (CFP = „Carbon Fiber Paper“) gebildet.
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Zur Verbesserung einer Fluid- oder Gasströmung innerhalb des Brennstoffzellenaufbaus 100 und zur Erhöhung eines Wassergehalts in der Membran 108 können die Gasdiffusionslagen 110, 112 zusätzlich mit einer mikroporösen Lage versehen sein, die durch die dunkleren Bereiche in der Zeichnung illustriert sind. Die lateralen Abmessungen der mikroporösen Lage entsprechen dabei im Wesentlichen den lateralen Abmessungen der jeweiligen Gasdiffusionslage 110, 112.
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Es ist zu erkennen, dass die zweite Gasdiffusionslage 112 in einen Rahmen 124 und damit in eine rahmenartige Struktur 114 eingelegt ist. Die Struktur 114 umgibt die Gasdiffusionslage 112 lateral, wobei zur Reduzierung eines Bypassmassenstroms eines Reaktanten zumindest an einer ihrer der Gasdiffusionslage 112 zugewandten Kante 116 mindestens ein sich in Richtung der Gasdiffusionslage 112 lateral erstreckender Vorsprung 118 vorhanden ist. Auch der ersten Gasdiffusionslage 110 ist eine solche rahmenartige Struktur 114 zugewiesen, die vorliegend integral mit einer ein Strömungsfeld 120 bereitstellenden Bipolarplatte 122 gebildet ist.
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In beiden Fällen erstreckt sich die Struktur 114 in Stapelrichtung, d.h. in axialer Richtung in einer Dicke, die mindestens 90 Prozent der Dicke der Gasdiffusionslagen 110, 112 entspricht, um zuverlässig etwaige Bypassmassenströme zu vermeiden. In verspanntem Zustand des Brennstoffzellenstapels kann die Struktur 114 auch so dick sein, wie die komprimierbare Gasdiffusionslage 110, 112, um jegliche Bypassmassenströme zu reduzieren oder zu beseitigen.
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In der Draufsicht aus 2 ist zu erkennen, dass die der Gasdiffusionslage 110, 112 zugewandten Kante 116 der Struktur 114 wellenförmig, vorliegend sogar sinuswellenförmig gebildet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass auch eine gestufte Form mit Vorsprüngen 118 realisierbar ist.
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In 3 ist zu erkennen, dass die Gasdiffusionslage 110, 112 lokal komprimiert wird durch die Vorsprünge 118 der wellenförmigen Struktur 114, so dass - wie durch die Pfeile angedeutet - der Bypassmassenstrom deutlich reduziert wird, da die Vorsprünge 118 aus der Gasdiffusionslage 110, 112 austretende Prozessgase wieder zurück in die Gasdiffusionslage 110, 112 leiten.
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Zur zusätzlichen Abdichtung weist der Brennstoffzellenaufbau 100 zusätzliche Dichtungen 126 bzw. Dichtungslinien auf, um zu gewährleisten, dass keine Prozessgase aus dem Brennstoffzellenaufbau 100 austreten. Es sei darauf hingewiesen, dass die gewählte Darstellung des Brennstoffzellenaufbaus 100 rein exemplarischer Natur ist und andere Abmessungen für die Gasdiffusionslagen 110, 112 möglich sind. Auch kann beispielsweise der Rahmen 124 entfallen, wenn auch die zweite Gasdiffusionslage 112 durch eine Struktur 114 begrenzt wird, die integral mit der in der Zeichnung dargestellten unteren Bipolarplatte 122 geformt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellenaufbau
- 102
- Membranelektrodenanordnung (MEA)
- 104
- Anode
- 106
- Kathode
- 108
- Membran
- 110
- erste Gasdiffusionslage
- 112
- zweite Gasdiffusionslage
- 114
- Struktur (Rahmen)
- 116
- Kante
- 118
- Vorsprung
- 120
- Strömungsfeld
- 122
- Bipolarplatte
- 124
- Rahmen
- 126
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015207397 A1 [0002]
- KR 20130128247 A [0002]
