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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Elektroden-Membran-Einheit mit einer Kathode und einer Anode, einem kathodenseitigen Gasdiffusionselement, einem anodenseitigen Gasdiffusionselement, wobei die Elektroden-Membran-Einheit zwischen den Gasdiffusionselementen aufgenommen ist, einer kathodenseitigen Bipolarplatte und einer anodenseitigen Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen sowie einen Luftfahrtantrieb mit wenigstens einer solchen Brennstoffzelle.
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Beim Einsatz von Brennstoffzellen ist es bekannt, ein zusätzliches Bauteil zwischen einer Bipolarplatte und der Elektroden-Membran-Einheit anzuordnen, das einen günstigen Einfluss auf den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle hat. Hierzu wird beispielsweise auf die
DE 198 53 911 A1 , die
EP 1 639 668 B1 und die
US 9 461 311 B2 hingewiesen.
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Derartige Zusatzbauteile, die auch als Einlegeteile bezeichnet werden können, sind insbesondere bei der Assemblierung der Brennstoffzelle nachteilig, weil ein weiteres Bauteil eingebaut werden muss. Je nach eingesetztem Material des Zusatzbauteils führt dies auch zu einer Gewichtserhöhung für die einzelne Brennstoffzelle, was sich insgesamt nachteilig auswirkt auf ein Gesamtgewicht von einem Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Brennstoffzelle anzugeben, bei der die obigen Nachteile vermieden werden können und ein optimierter Wasserhaushalt erreicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte und optionale Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Vorgeschlagen wird also eine Brennstoffzelle mit einer Elektroden-Membran-Einheit mit
einer Kathode und einer Anode,
einem kathodenseitigen Gasdiffusionselement,
einem anodenseitigen Gasdiffusionselement,
wobei die Elektroden-Membran-Einheit zwischen den Gasdiffusionselementen aufgenommen ist;
einer kathodenseitigen Bipolarplatte, und
einer anodenseitigen Bipolarplatte.
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Dabei ist vorgesehen, dass das kathodenseitige Gasdiffusionselement oder/und das anodenseitige Gasdiffusionselement wenigstens ein der jeweiligen Bipolarplatte zugewandtes und mit dem betreffenden Gasdiffusionselement materialschlüssig verbundenes Strukturelement aufwei st.
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Das Strukturelement und das Gasdiffusionselement sind somit so miteinander verbunden, dass sie ein einziges Bauteil bilden, was den Zusammenbau der Brennstoffzelle vereinfacht. Das materialschlüssige Verbinden des Strukturelements kann insbesondere bei der Produktion des Gasdiffusionselements erfolgen, so dass das Gasdiffusionselement nach der Produktion das Strukturelement aufweist. Das materialschlüssige verbundene Strukturelement hat insbesondere auch den Vorteil, dass es eine das Gasdiffusionselement versteifende Funktion übernehmen kann, was die Handhabung des Gasdiffusionselements vereinfacht.
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Bei der Brennstoffzelle kann das Strukturelement eine zumindest teilweise Beschichtung des betreffenden Gasdiffusionselements sein. Dabei kann das Strukturelement zumindest abschnittsweise rippenartig oder streifenartig ausgebildet sein. Zwischen den Rippen oder Streifen können unbeschichtete Zwischenräume oder Maschen gebildet werden. Ergänzend kann das Strukturelement aus einem für Gas und/oder Wasser undurchlässigen Material hergestellt sein. Hierdurch ist es möglich, mittels des materialschlüssig verbundenen Strukturelements bzw. der mehreren Strukturelemente oder eine Teilbeschichtung Einfluss auf die Durchlässigkeit des Gasdiffusionselements und somit den Wasserhaushalt zu nehmen. Als Material für das Strukturelement kann beispielsweise ein geeigneter Kunststoff verwendet werden.
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Bei der Brennstoffzelle kann durch mehrere Strukturelemente und deren relative Positionierung zueinander die Durchlässigkeit des betreffenden Gasdiffusionselements in Abhängigkeit von einer Hauptströmungsrichtung von Gas in Gasflusskanälen der jeweiligen Bipolarplatte festgelegt sein. Dabei kann die Durchlässigkeit entlang der Hauptströmungsrichtung zunehmen, insbesondere linear zunehmen. Hierdurch kann an denjenigen Stellen des Gasdiffusionselements, an denen ein Anfallen von größeren Flüssigkeitsmengen (Wasser) zu erwarten ist, das Abfließen erleichtert werden, so dass der Wasserhaushalt der Brennstoffzelle optimiert werden kann.
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Bei der Brennstoffzelle kann das wenigstens eine Strukturelement auf das betreffende Gasdiffusionselement aufgespritzt sein. Mit anderen Worten kann das Strukturelement bzw. können mehrere Strukturelemente mittels einer entsprechenden Sprüheinrichtung in einfacher Weise auf ein betreffendes Gasdiffusionselement aufgesprüht bzw. gespritzt werden, um eine gewünschte Durchlässigkeit für das Gasdiffusionselement erreichen zu können.
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Ein Brennstoffzellenstapel kann mit mehreren oben beschriebenen Brennstoffzellen ausgeführt sein.
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Ein elektrischer Luftfahrtantrieb, insbesondere mit einem Propeller oder/und einer Fluggasturbine, kann mit wenigstens einem solchen Brennstoffzellenstapel verbunden sein, um den Luftfahrtantrieb mit elektrischer Energie versorgen zu können. Ein solcher Brennstoffzellenstapel kann aber nicht nur in Luftfahrzeugen bzw. bei Luftfahrtantrieben zum Einsatz kommen, sondern auch in anderen Bereichen der Elektromobilität bzw. Stromversorgung.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
- 1 zeigt vereinfacht und schematisch eine Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Strukturelement.
- 2 zeigt in den Teilfiguren A) bis C) verschiedene Ausgestaltungen des Strukturelements auf einem betreffenden Gasdiffusionselement.
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In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, wobei zu besseren Illustration bestimmte Bauteile voneinander in einem Abstand dargestellt sind.
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Die Brennstoffzelle 10 ist hier beispielhaft als sogenannte Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) dargestellt. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine anodenseitige Bipolarplatte 12 und eine kathodenseitige Bipolarplatte 14. In den Bipolarplatte 12, 14 sind Prozessgas, wie Luft bzw. Wasserstoff, führende Gaskanäle 16 angedeutet. Weiter umfasst die Brennstoffzelle eine anodenseitiges Gasdiffusionselement 18 und ein kathodenseitige Gasdiffusionselement 20. Zwischen den beiden Gasdiffusionselementen 18, 20 ist eine Elektroden-Membran-Einheit 22 aufgenommen bzw. angeordnet. Der Vollständigkeit halber sind auch noch Dichtungselemente 24 angedeutet. Ferner sind auch die Brennstoffzellenbauteile zusammenhaltende Endplatten 26 dargestellt. In einem zusammengebauten Zustand der Brennstoffzelle 10 sind die Endplatten 26 über eine hier nicht gezeigte Befestigungseinrichtung miteinander verbunden bzw. verspannt.
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Mittels der Brennstoffzelle 10 kann in bekannter Weise ein elektrischer Verbraucher 28 mit elektrischer Energie versorgt werden. Der elektrische Verbraucher 28 steht hier stellvertretend für beispielsweise einen elektrisch angetriebenen Motor, eine elektrische Speichereinheit (Batterie) oder dergleichen.
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Das kathodenseitige Gasdiffusionselement 20 weist auf seiner der kathodenseitigen Bipolarplatte 14 zugewandten Seite wenigstens ein Strukturelement 30 auf. Das wenigstens eine Strukturelement 30 bzw. die mehreren Strukturelemente 30 ist bzw. sind mit dem Gasdiffusionselement 20 materialschlüssig verbunden. Insbesondere können die Strukturelemente 30 auf das Gasdiffusionselement 20 aufgesprüht bzw. aufgespritzt sein. Das Gasdiffusionselement 20 und die Strukturelement 30 bilden somit ein integrales Bauteil der Brennstoffzelle 10.
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Was oben in Bezug auf das kathodenseitige Gasdiffusionselement 20 und die Strukturelemente 30 gesagt worden ist, kann auch für ein anodenseitiges Gasdiffusionselement 18 Anwendung finden. Insbesondere können auch an einem anodenseitigen Gasdiffusionselement 18 Strukturelement 30 vorgesehen sein, auch wenn dies nicht explizit beschrieben bzw. dargestellt ist.
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2 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Ansicht des kathodenseitigen Gasdiffusionselements 20 mit Strukturelementen 30. Dabei ist das Gasdiffusionselement 30 bzw. seine der Bipolarplatte 14 zugewandte Seite weiß dargestellt, während die die Strukturelemente 30 dunkel illustriert sind.
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Die Strukturelemente 30 bilden auf dem Gasdiffusionselement 20 teilweise eine Beschichtung. Insbesondere bilden die Strukturelemente 30 gas- bzw. wasserundurchlässige Bereiche. In dem Beispiel der 2 sind die Strukturelemente 30 mit sich veränderndem Abstand zueinander angeordnet. Insbesondere nimmt der Abstand zwischen den Strukturelementen 30 bezogen auf die die Darstellung von oben nach unten zu. Durch den sich verändernden Abstand der Strukturelemente 30, wird deren relative Positionierung zueinander so festgelegt, dass die Durchlässigkeit des Gasdiffusionselements 30 in Abhängigkeit von einer Hauptströmungsrichtung HR von Gas in den Gasflusskanälen 16 der Bipolarplatte 14 festgelegt ist.
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Im Beispiel der 2 nimmt die Durchlässigkeit entlang der Hauptströmungsrichtung HR zu, weil die Abstände zwischen den Strukturelementen 30 größer werden.
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Die aufgesprühten oder aufgespritzten Strukturelemente 30 bilden im Beispiel der 2 horizontal verlaufende Rippen bzw. Streifen. Hierdurch kann das Gasdiffusionselement 20 auch mechanisch stabiler gemacht werden, insbesondere kann es versteift werden.
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3 zeigt in den Teilfiguren A) bis E) unterschiedliche Beispiele, wie Strukturelemente 30 auf einem anodenseitigen oder kathodenseitigen Gasdiffusionselement 18, 20 ausgeführt sein können.
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In 3A ist beispielhaft gezeigt, dass die durch die aufgetragenen Strukturelemente 30 gebildeten freien bzw. durchlässigen Bereiche als gleich große Vielecke, hier Rauten, ausgebildet sind. Die Durchlässigkeit wird dabei dadurch erreicht, dass der Abstand zwischen den durchlässigen Bereichen (Rauten) von oben nach unten verringert wird. Mit anderen Worten, werden die Dimensionen der Strukturelemente 30 bzw. der Teilbeschichtung entsprechend angepasst.
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In 3B ist beispielhaft gezeigt, dass die durch die aufgetragenen Strukturelemente 30 gebildeten freien bzw. durchlässigen Bereiche als Dreiecke ausgebildet sind.
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3C zeigt ein Beispiel, bei dem die durch die Strukturelemente 30 gebildeten freien bzw. durchlässigen Bereich als Kreise bzw. Ellipsen ausgebildet sind. Dabei nimmt die Fläche der gebildeten Ellipsen bzw. Kreise von oben nach unten zu, so dass auch in diesem Fall die Durchlässigkeit passend beeinflusst werden kann.
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3D zeigt ein zur 3C ähnliches Beispiel, wobei allerdings ein unterer Abschnitt des Gasdiffusionselementes 18, 20 kein Strukturelement 30 bzw. keine Beschichtung aufweist.
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3E zeigt ein Beispiel, bei dem die freien bzw. durchlässigen Bereiche durch die Strukturelement 30 als diagonal verlaufende Rechtecke mit unterschiedlichen Flächen ausgebildet sind. Auch in diesem Beispiel ist in einem untersten Abschnitt des Gasdiffusionselement 18, 20 keine Beschichtung bzw. kein Strukturelement 30 vorgesehen.
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Die in den 2 und 3 gezeigten Beispiele der Ausgestaltung von Strukturelementen 30 (bzw. Teil-Beschichtungen) sind exemplarisch und es sind weitere geometrische Ausgestaltungen denkbar. Alle Beispiele weisen aber das gemeinsame Merkmal auf, dass die Durchlässigkeit durch die geometrische Ausgestaltung bzw. Anordnung von Strukturelementen 30 bzw. einer entsprechenden Beschichtung entlang der Hauptströmungsrichtung HR von Gas zunimmt, insbesondere in etwa linear zunimmt. Die freien bzw. durchlässigen Bereiche können auch als unbeschichtete Zwischenräume oder Maschen bezeichnet werden.
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Mehrere in 1 gezeigte Brennstoffzelle 10 mit wenigstens einem Gasdiffusionselement 18, 20, das ein Strukturelement 30 bzw. eine Beschichtung aufweist, können zu einem Brennstoffzellenstapel (Stack) zusammengesetzt sein.
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Ein solche Brennstoffzellenstapel kann für die Energieversorgung in einem Luftfahrtantrieb eingesetzt werden. Dabei kann der Brennstoffzellenstapel elektrisch unmittelbar oder mittelbar (über einen Batteriespeicher) mit dem Luftfahrtantrieb verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzelle
- 12
- anodenseitige Bipolarplatte
- 14
- kathodenseitige Bipolarplatte
- 16
- Gaskanal
- 18
- anodenseitiges Gasdiffusionselement
- 20
- kathodenseitiges Gasdiffusionselement
- 22
- Elektroden-Membran-Einheit
- 24
- Dichtungselement
- 26
- Endplatte
- 28
- elektrischer Verbraucher
- 30
- Strukturelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19853911 A1 [0002]
- EP 1639668 B1 [0002]
- US 9461311 B2 [0002]
