DE102022203070A1

DE102022203070A1 - Brennstoffzelle mit reduzierendem Strömungsquerschnitt

Info

Publication number: DE102022203070A1
Application number: DE102022203070.2A
Authority: DE
Inventors: Torsten Brandt; Michael Braunecker
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (28) mit:- wenigstens zwei Elektroden (32, 34),- einem Elektrolyten, der die wenigstens zwei Elektroden (32, 34) kontaktiert,- einer Bipolarplatte (62) mit einer ersten und einer zweiten Gaszuführung (36, 38) zum Zuführen von wenigstens einem jeweiligen ersten und zweiten Reaktionsgas zu den jeweiligen Elektroden (32, 34), sowie wenigstens einer Reaktionsprodukteabführung (40, 42) zum Abführen von Reaktionsstoffen, und- einem zwei gegenüberliegende Enden (44, 46) aufweisenden Reaktionsbereich (48) zum Durchführen einer exergonen Reaktion der wenigstens zwei Reaktionsgase, bei der zwischen den wenigstens zwei Elektroden (32, 34) eine elektrische Spannung bereitgestellt wird, wobei die Gaszuführungen (36, 38) am ersten Ende (44) des Reaktionsbereichs (48) und die wenigstens eine Reaktionsprodukteabführung (40, 42) am zweiten Ende (46) des Reaktionsbereichs (48) angeordnet sind, wobei der Reaktionsbereich (48) ausgebildet ist, am ersten Ende (44) einen jeweils ersten Strömungsquerschnitt (50) für das erste und das zweite Reaktionsgas und am zweiten Ende (46) jeweils einen zweiten Strömungsquerschnitt (52) für das erste und das zweite Reaktionsgas bereitzustellen.Erfindungsgemäß ist der erste Strömungsquerschnitt (50) größer als der zweite Strömungsquerschnitt (52) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Elektroden, einem Elektrolyten, der die wenigstens zwei Elektroden kontaktiert, einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten Gaszuführung zum Zuführen von wenigstens einem jeweiligen ersten und zweiten Reaktionsgas zu den jeweiligen Elektroden, sowie wenigstens einer Reaktionsprodukteabführung zum Abführen von Reaktionsstoffen, und einem zwei gegenüberliegende Enden aufweisenden Reaktionsbereich zum Durchführen einer exergonen Reaktion der wenigstens zwei Reaktionsgase, bei der zwischen den wenigstens zwei Elektroden eine elektrische Spannung bereitgestellt wird, wobei die Gaszuführungen am ersten Ende des Reaktionsbereichs und die wenigstens eine Reaktionsprodukteabführung am zweiten Ende des Reaktionsbereichs angeordnet sind, wobei der Reaktionsbereich ausgebildet ist, am ersten Ende einen jeweils ersten Strömungsquerschnitt für das erste und das zweite Reaktionsgas und am zweiten Ende jeweils einen zweiten Strömungsquerschnitt für das erste und das zweite Reaktionsgas bereitzustellen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die jeweilige Gaszuführungen zum Zuführen von wenigstens einem jeweiligen ersten und zweiten Reaktionsgas zu jeweiligen Elektroden sowie jeweils wenigstens eine Reaktionsprodukteabführung zum Abführen von Reaktionsstoffen aufweisen und die quer zu einer Strömungsrichtung der Reaktionsgase aufeinanderfolgend angeordnet sind, und eine Halteeinheit zum Halten der Brennstoffzellen. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug, mit einer Antriebseinrichtung und einer Brennstoffzellenanordnung, die an die Antriebseinrichtung angeschlossen ist.
Brennstoffzellen, Brennstoffzellenanordnungen sowie Fahrzeuge der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es diesbezüglich eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises nicht bedarf. Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, die bei einer, insbesondere exergonen, chemischen Reaktion von wenigstens zwei Reaktionsgasen freiwerdende Energie zumindest teilweise als elektrische Energie bereitstellen. Brennstoffzellen dienen somit unter anderem der elektrischen aber unter Umständen auch der thermischen Energieversorgung. Sie werden unter anderem bei stationären Anwendungen eingesetzt, um beispielsweise unterbrechungsfreie Energieversorgungen, Inselnetze und/oder dergleichen bereitstellen zu können. Darüber hinaus kann auch Wärmeenergie für Heizungszwecke mit Brennstoffzellen bereitgestellt werden.
Zunehmend ist der Einsatz von Brennstoffzellen jedoch auch bei Fahrzeugen vorgesehen, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder dergleichen. So ist es beispielsweise bei Kraftfahrzeugen vorgesehen beziehungsweise geplant, die Reichweite von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen zu verbessern, indem neben oder alternativ zum Einsatz von einer jeweiligen Fahrzeugbatterie zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs auch Brennstoffzellen vorgesehen werden. Dabei kann die Nutzung der Brennstoffzellen alternativ oder auch ergänzend zur Fahrzeugbatterie vorgesehen sein. Darüber hinaus ist ferner vorgesehen, auch weitere Fahrzeuge, beispielsweise Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge, insbesondere Drohnen, oder dergleichen, ebenfalls mit einer elektrischen Antriebseinrichtung für den bestimmungsgemäßen Betrieb zu betreiben. Gerade bei Luftfahrzeugen, zum Beispiel Flugzeugen, Drohnen oder dergleichen, ist jedoch besonders auch das Gewicht der Antriebseinheit sowie der Einheit zur Bereitstellung der elektrischen Energie hoch relevant. Insofern kommt der Konstruktion der Brennstoffzelle beziehungsweise der Brennstoffzellenanordnung besondere Bedeutung zu, um nicht nur ein möglichst günstiges Leistungs-Gewichts-Verhältnis realisieren zu können, sondern auch um besondere Anforderungen, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs auftreten können, besonders berücksichtigen zu können. So ist es zum Beispiel relevant, dass die Brennstoffzellen beziehungsweise die Brennstoffanordnung auch zuverlässig dann betrieben werden kann, wenn sich das Fahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb gegenüber einer Horizontalen neigt.
Eine Brennstoffzelle ist zum Beispiel aus der EP 2 644 793 A1 bekannt, die eine Brennstoffzelle mit verbessertem Wärmehaushalt offenbart. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Brennstoffzellenanlage offenbart darüber hinaus die DE 10 2015 015 579 B3 . Weiterhin ist aus der EP 2 673 825 B1 eine elektrochemische Zelle bekannt, die als Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. Diese Lehre befasst sich mit der Frage, bei einer Membran-Elektrolyt-Einheit einer Brennstoffzelle ein örtlich besonders gleichmäßiges Überströmen mit Betriebsgas erreichen zu können.
Auch wenn sich die vorgenannten Offenbarungen im Stand der Technik bewährt haben, so bleibt dennoch Verbesserungsbedarf. Gerade beim mobilen Einsatz der Brennstoffzellen können Probleme beim bestimmungsgemäßen Betrieb auftreten, die aufwendige zusätzliche Maßnahmen erfordern, beispielsweise bei einem Luftfahrzeug während eines Steig- oder Sinkflugs oder dergleichen. In solchen Situationen ist es erforderlich, Maßnahmen zur Gewährleistung einer vorgegebenen Gasströmung im Reaktionsbereich einer jeweiligen Brennstoffzelle vorzusehen, um die bestimmungsgemäße Funktion zu gewährleisten. Dies ist kostenaufwendig und vergrößert Bauraum und Gewicht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennstoffzelle, eine gattungsgemäße Brennstoffzellenanordnung sowie ein gattungsgemäßes Fahrzeug dahingehend weiterzubilden, dass die Funktion der Brennstoffzelle und/oder die Nutzung in einem Fahrzeug weiter verbessert werden kann.
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Brennstoffzelle wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Reaktionsbereich der Brennstoffzelle ausgebildet ist, am ersten Ende einen jeweils ersten Strömungsquerschnitt für das erste und das zweite Reaktionsgas und am zweiten Ende jeweils einen zweiten Strömungsquerschnitt für das erste und das zweite Reaktionsgas bereitzustellen, wobei der jeweils erste Strömungsquerschnitt größer als der jeweils zweite Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Brennstoffzellen gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Fahrzeug wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass bei der Durchströmung des Reaktionsbereichs in Strömungsrichtung durch die Reaktionsgase im Wesentlichen kontinuierlich eine chemische Reaktion realisiert werden kann, um in gewünschter Weise die Elektrizität und/oder Wärme bereitstellen zu können. Dabei werden die wenigstens zwei Reaktionsgase in Strömungsrichtung im Wesentlichen kontinuierlich umgewandelt, sodass deren Anteil in Strömungsrichtung abnimmt. Zugleich werden Reaktionsprodukte gebildet, die in Strömungsrichtung aus dem Reaktionsbereich ausgeführt werden. Über die wenigstens eine Reaktionsprodukteabführung können die entsprechenden Reaktionsprodukte aus dem Reaktionsbereich ausgeführt werden. Dabei können Anteile vom ersten und/oder vom wenigstens zweiten Reaktionsgas ebenfalls durch die Reaktionsprodukteabführung abgeführt werden. Die Reaktionsstoffe können also unter anderem neben den Reaktionsprodukten aufgrund der chemischen Reaktion im Reaktionsbereich unter Umständen auch Anteile der wenigstens zwei Reaktionsgase umfassen.
Aufgrund dieses Sachverhalts hat sich gezeigt, dass die Nutzung des Reaktionsbereichs, insbesondere einer Reaktionsoberfläche, verbessert werden kann, wenn in Strömungsrichtung eine Anpassung des Strömungsquerschnitts in Bezug auf die Brennstoffzelle realisiert werden kann. Dies wird dadurch berücksichtigt, dass der jeweils erste Strömungsquerschnitt größer als der jeweils zweite Strömungsquerschnitt ausgebildet ist. Der Querschnitt im Eintrittsbereich der Zelle wird somit entlang der Strömungsrichtung zum Zellaustrittsbereich hin reduziert. Dadurch können auch Volumen und/oder Gewicht bezüglich einer jeweiligen Brennstoffzelle eingespart werden.
Die Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, bei der ein Brennstoff, beispielsweise in Form des wenigstens einen ersten Reaktionsgases, im Reaktionsbereich mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise in Form des wenigstens einen zweiten Reaktionsgases, reagiert, vorzugsweise um eine exergone Reaktion auszuführen, um dabei an den Elektroden eine elektrische Spannung bereitstellen zu können, die in der Regel durch eine Gleichspannung gebildet ist. Als Brennstoff kann zum Beispiel Wasserstoff, Methanol, Butan, Erdgas und/oder dergleichen eingesetzt werden. Als Oxidationsmittel kann zum Beispiel Sauerstoff, Luft, aber auch Halogene, beispielsweise Chlor, Fluor und/oder dergleichen eingesetzt werden. Als Oxidationsmittel kann auch Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure eingesetzt werden. Die Reaktionsgase werden im bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich zugeführt. Sie durchströmen den Reaktionsraum in Strömungsrichtung, in dem die chemische Reaktion stattfindet, wobei die gewünschte elektrische Spannung zwischen den Elektroden bereitgestellt wird. Insbesondere, aber nicht nur, richtet sich die Erfindung auf Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel nutzen.
Eine Brennstoffzelle umfasst neben den wenigstens zwei Elektroden auch den Elektrolyten, mit dem sie elektrochemisch in Verbindung stehen. Besonders bei Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff nutzen, kann der Elektrolyt zumindest teilweise durch eine semipermeable Membran getrennt sein, die beispielsweise nur für Protonen durchlässig ist, wie zum Beispiel aus einem Werkstoff wie Nafion oder dergleichen. Die Elektroden sind zumeist aus einem Werkstoff gebildet, der auf Metall oder auch auf Kohlenstoff basiert. Vorzugsweise kann die Membran mit einem Katalysator beschichtet sein. Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle kann der Katalysator beispielsweise Platin oder auch Palladium aufweisen. Der Elektrolyt kann dagegen flüssig oder auch fest sein. Der Elektrolyt kann beispielsweise als Lauge oder als Säure bereitgestellt sein, oder er kann auch fest sein, beispielsweise auf Basis eines keramischen Werkstoffs oder sogar des Membranwerkstoffs.
Die grundlegende Funktion von Brennstoffzellen ist dem Fachmann bekannt, weshalb diesbezüglich von einer detaillierten Erläuterung abgesehen wird.
In der Regel wird der Brennstoff der als Anode dienenden Elektrode zugeführt, wohingegen das Oxidationsmittel der als Kathode dienenden Elektrode zugeführt wird. Der Reaktionsbereich ist in der Regel zwischen den Elektroden ausgebildet und umfasst auch den Elektrolyten. Je nach Konstruktion der Brennstoffzelle kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, dass der Reaktionsbereich den Katalysator, falls vorhanden, umfasst.
Die Höhe der elektrischen Spannung zwischen den wenigstens zwei Elektroden ist unter anderem abhängig von der Elektrochemie der verwendeten Reaktionsgase, gegebenenfalls dem Katalysator und dergleichen, und beträgt in der Regel etwa 1 V oder auch mehrere Volt. Bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle kann die elektrische Spannung auch kleiner als 1 V sein.
Der erste Strömungsquerschnitt ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass für die gewünschte Bereitstellung von elektrischer Energie die erforderliche Menge an den Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle beziehungsweise deren Reaktionsbereich zugeführt werden kann. Neben den Reaktionsgasen können unter Umständen auch weitere Stoffe, beispielsweise Inertgase oder -stoffe, beigefügt sein, um die Reaktion im Reaktionsbereich zu stützen beziehungsweise die Funktion des Reaktionsbereichs aufrechtzuerhalten, auszulösen beziehungsweise zu starten oder zu beenden.
Die Reaktionsstoffe umfassen die Reaktionsprodukte, die bei der chemischen Umsetzung der Reaktionsgase entstehen. Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist dies in der Regel neben Anteilen der Reaktionsgase Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf. Am den jeweils ersten Strömungsquerschnitten des Reaktionsbereichs gegenüberliegenden zweiten Ende sind die jeweils zweiten Strömungsquerschnitte ausgebildet, die der Reaktionsprodukteabführung dienen. Vorzugsweise sind zwei jeweilige Reaktionsprodukteabführungen vorgesehen, entsprechend den jeweiligen Gaszuführungen. Über die Reaktionsprodukteabführungen werden die Reaktionsstoffe abgeführt, die neben den Reaktionsstoffen auch teilweise Anteile der Reaktionsgase umfassen können. Der Reaktionsbereich ist also zwischen dem jeweils ersten und dem jeweils zweiten Strömungsquerschnitt ausgebildet.
Die Brennstoffzelle stellt eine möglichst große Oberfläche für die Reaktion der Reaktionsgase bereit, sodass der Reaktionsbereich quer zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase im Wesentlichen flach ausgebildet ist. Die Erstreckung in Strömungsrichtung und/oder quer zur Strömungsrichtung ist somit in der Regel erheblich größer als orthogonal zu diesen beiden Raumrichtungen. In dieser orthogonalen Richtung sind die Elektroden gegenüberliegend angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Reaktionsbereich ausgebildet ist, zumindest in einem Teilabschnitt in Strömungsrichtung der Reaktionsgase jeweils sich zumindest teilweise kontinuierlich reduzierende Strömungsquerschnitte bereitzustellen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Strömungsquerschnitte zumindest teilweise an das Reaktionsgeschehen innerhalb des Reaktionsbereichs angepasst ausgebildet sind. Je näher sich nämlich die Reaktionsgase zu den zweiten Strömungsquerschnitten befinden, desto geringer ist der Anteil der jeweiligen Reaktionsgase im Volumenstrom. Daher kann durch das Reduzieren der Strömungsquerschnitte zumindest teilweise erreicht werden, dass im Reaktionsbereich eine Dichte und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionsgase zumindest teilweise aufrechterhalten oder erhöht werden kann, sodass auch im Bereich der zweiten Strömungsquerschnitte noch eine zuverlässige, ausreichende Funktion der Brennstoffzelle erreicht werden kann. Es ist daher bei dieser Konstruktion nicht erforderlich, die Reaktionsgase in einem großen Übermaß durch die Brennstoffzelle hindurchzuführen, um die gewünschte Funktion aufrechterhalten zu können. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Reaktionsbereich ausgebildet ist, mit dem Teilabschnitt wenigstens das zweite Ende bereitzustellen. Das zweite Ende ist vorzugsweise an den Reaktionsbereich und den Teilabschnitt angeschlossen, wodurch berücksichtigt werden kann, dass am zweiten Ende unter Umständen bereits ein großer Teil der Reaktionsgase chemisch umgesetzt sein kann. Dies hat den Vorteil, dass aufwendige Maßnahmen zum Rezirkulieren von nicht verbrauchten Reaktionsgasen und dergleichen reduziert werden kann. Auch dies führt dazu, dass nicht nur die Brennstoffzelle, sondern auch die Brennstoffzellenanordnung sowie weitere Hilfseinrichtungen reduziert werden können. Die hierbei vorgeschlagene Konstruktion ist u.a. bei Bipolarplatten mit gleichbleibender Materialstärke umsetzbar, wodurch in der Anwendbarkeit der Konstruktion keine materialbedingten Einschränkungen vorliegen und z.B. auch metallisch geprägte Bipolarplatten, welche eine einheitliche Materialstärke aufweisen, verwendet werden können.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Reaktionsbereich ausgebildet ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsquerschnitt einen in Strömungsrichtung kontinuierlich abnehmenden Strömungsquerschnitt bereitzustellen. Dadurch kann eine verbesserte Anpassung an den tatsächlichen Gehalt an Reaktionsgasen erreicht werden. Zugleich können strömungsdynamische Prozesse verbessert werden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Abnahme mit einem konstanten Faktor, das heißt im Wesentlichen linear, erfolgt. Je nach Ausgestaltung kann hier jedoch auch eine andere Funktion vorgesehen sein, um die Abnahme zu realisieren, beispielsweise durch Ausbildung einer geeigneten Kurvenstruktur, einen oder mehrere Stufen und/oder dergleichen. Insgesamt kann die Brennstoffzelle dadurch weiter verbessert werden. Unabhängig von der Ausgestaltungsform ist dies vorteilhafterweise auch bei Bipolarplatten mit gleichbleibender Materialstärke umsetzbar.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass am Reaktionsbereich quer zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase gegenüberliegende Seitenwände ausgebildet sind, wobei wenigstens eine der Seitenwände einen zumindest teilweise linearen Abschnitt parallel zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase aufweist. Dadurch kann eine weitere Verbesserung der Anpassung an spezifische Funktionalitäten der Brennstoffzelle beziehungsweise auch an konstruktive Gegebenheiten erreicht werden. Der lineare Abschnitt bezieht sich insbesondere darauf, dass in diesem Bereich der Strömungsquerschnitt im Wesentlichen konstant in Strömungsrichtung ausgebildet ist. Die Seitenwände können beispielsweise auch eine Haltefunktion übernehmen, und die Elektroden und/oder den Elektrolyten aufnehmen und/oder festlegen. Die Seitenwände können am ersten und am zweiten Ende auch durch Stirnwände miteinander verbunden sein, die beispielsweise den ersten und den zweiten Strömungsquerschnitt bereitstellen können. Dadurch kann eine kompakte Bauform der Brennstoffzelle erreicht werden, die es erlaubt, die Brennstoffzelle konstruktiv beispielsweise in einem Brennstoffzellenstapel oder dergleichen zu befestigen. Die Seitenwände können aus einem Werkstoff gebildet sein, der in Bezug auf die Funktion der Brennstoffzelle, insbesondere die auftretenden Reaktionsgase beziehungsweise Reaktionsstoffe im Wesentlichen inert ist. Dies kann zum Beispiel ein geeigneter Kunststoff oder dergleichen sein.
Durch die Erfindung kann insbesondere in Bezug auf eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle eine optimale Aufrechterhaltung in Bezug auf den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle erreicht werden, beispielsweise in Bezug auf einen Austrag des Wassers aus der Brennstoffzelle und eine Reaktionsgasverteilung in der Brennstoffzelle. Dadurch können Degradationen, Schädigungen und Leistungsminderungen der Brennstoffzelle weitgehend vermieden werden. Probleme in Bezug auf das Austragen der Reaktionsprodukte, beispielsweise Wasser, aus den Brennstoffzellen beziehungsweise der Brennstoffzellenanordnung, können dadurch ebenfalls weitgehend vermieden werden.
Besonders vorteilhaft kann es sich dabei erweisen, dass ein Restgasvolumenstrom beziehungsweise eine Stöchiometrie nicht so hoch wie im Stand der Technik gewählt zu werden braucht. Dadurch können die hieraus resultierenden Nachteile in Bezug auf einen reduzierten Wirkungsgrad und einen erhöhten Aufwand bei der Restgasbehandlung vermieden werden.
Mit der Erfindung wird also das Design beziehungsweise die Konstruktion der Brennstoffzelle derartig angepasst, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionsgase sowie der Reaktionsprodukte über den Reaktionsbereich nicht zu sehr abzunehmen braucht. Die Brennstoffzelle kann daher beispielsweise nach Art einer Dreiecks-Brennstoffzelle beziehungsweise einer V-Brennstoffzelle ausgelegt sein. Ein großer Querschnitt beziehungsweise erster Strömungsquerschnitt im Eintrittsbereich der Brennstoffzelle kann in Strömungsrichtung zum Austrittsbereich der Brennstoffzelle reduziert werden. Dadurch weicht die Erfindung hinsichtlich des Designs der Brennstoffzelle vom Stand der Technik ab, der in der Regel ein rechteckiges Design für die Brennstoffzelle zugrunde gelegt und meist eine parallele oder mäanderförmige Durchströmung der Brennstoffzelle ohne Querschnittsveränderung des Strömungsquerschnitts nutzt. Durch die Verringerung der jeweiligen Strömungsquerschnitte in Strömungsrichtung kann die Leistung der Brennstoffzelle über im Wesentlichen die gesamte Fläche der Brennstoffzelle, beziehungsweise den gesamten Reaktionsbereich möglichst konstant gehalten werden. Eine Verarmung der Reaktionsprodukte im Bereich des Zellaustritts kann vermieden werden. Vorzugsweise werden die Reaktionsgase durch die Querschnittsverringerung bei einer großen Strömungsgeschwindigkeit gut verbraucht. Dadurch kann ein entsprechend hoher Wirkungsgrad erreicht werden, beispielsweise auch eine Rezirkulation der Reaktionsgase entfallen oder reduziert werden. Zumindest kann ein diesbezüglicher Aufwand reduziert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Seitenwände wenigstens einen Abschnitt aufweisen, der ausgebildet ist, in Strömungsrichtung der Reaktionsgase einen abnehmenden Strömungsquerschnitt zwischen den Seitenwänden bereitzustellen. Dadurch kann innerhalb dieses Abschnitts eine Reduzierung, vorzugsweise eine kontinuierliche Reduzierung, des Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung erreicht werden.
In Bezug auf eine Brennstoffzellenanordnung wird ferner vorgeschlagen, dass die Halteeinheit eine Befestigungsfläche zum Befestigen der Brennstoffzellenanordnung an einem Halteobjekt und eine Montageoberfläche zum mechanischen Verbinden mit einem Stapelende der aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen aufweist, wobei die Montageoberfläche gegenüber der Befestigungsoberfläche um einen vorgebbaren Winkel geneigt ausgebildet ist. Durch die Neigung kann erreicht werden, dass ein unerwünschtes Ansammeln von Reaktionsstoffen reduziert werden kann. Dadurch kann insbesondere bei Fahrzeugen, wenn sie im bestimmungsgemäßen Betrieb geneigt sein können, der bestimmungsgemäße Betrieb der Brennstoffzellen beziehungsweise der Brennstoffzellenanordnung weitgehend aufrechterhalten werden. Vorzugsweise ist der vorgebbare Winkel angepasst zu der während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Fahrzeugs auftretenden Neigung gewählt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Neigung gemäß dem vorgebbaren Winkel quer zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorgesehen ist. Dadurch können zum Beispiel Kurvenfahrten und/oder dergleichen berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann die Neigung gemäß dem vorgebbaren Winkel auch in Fahrtrichtung vorgesehen sein, um zum Beispiel ein Nicken eines Kraftfahrzeugs oder auch, beispielsweise bei einem Flugzeug, einen Steigungs- oder einen Sinkflug oder dergleichen berücksichtigen. Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, die Anwendung von Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellenanordnungen besonders bei Fahrzeugen weiter zu verbessern und beschränkt diese vorteilhafte Ausführung nicht auf einen Neigungszustand wie in Patent US 2009/0101423 A1 mit der Bergauf-Fahrt.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Halteeinheit als Hohlkörper ausgebildet ist. Dadurch kann die Halteeinheit nicht nur bezüglich Gewichts und Material kostengünstig ausgefertigt sein, sondern sie kann darüber hinaus auch einen Bauraum bereitstellen, der beispielsweise für zusätzliche Komponenten oder dergleichen genutzt werden kann, beispielsweise eine Drainage für Wasser, ein Rezirkulationssystem für ein oder mehrere der Reaktionsgase, aber auch weitere Komponenten des Fahrzeugs, beispielsweise eine Fahrzeugsteuerung und/oder dergleichen. Die Halteeinheit kann als geschlossener Körper beispielsweise nach Art eines Gehäuses oder dergleichen ausgebildet sein. Dem Grunde nach kann die Halteeinheit jedoch auch lediglich durch einen Rahmen mit Rahmenelementen gebildet sein, um zum Beispiel ein Gestell oder dergleichen auszubilden. Dadurch ist es möglich, die Halteeinheit auch hinsichtlich des Gewichts möglichst leicht auszubilden, sodass besonders die Anwendung bei Fahrzeugen, insbesondere bei Luftfahrzeugen, durch die Halteeinheit nur gering beeinträchtigt zu werden braucht.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass zumindest die Reaktionsprodukteabführungen der Brennstoffzellen an die Halteeinheit angeschlossen sind. So kann die Halteeinheit einen Sammelanschluss für sämtliche Reaktionsprodukteabführungen sämtlicher Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels bereitstellen. Dadurch ist es möglich, eine besonders einfache Konstruktion zu realisieren. Separate Reaktionsprodukteabführungen können somit eingespart werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Reaktionsprodukteabführung zum Beispiel eine Wasserabführung für eine Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzelle aufweist. Darüber hinaus können aber ergänzend auch eine oder mehrere Gaszuführungen für die wenigstens zwei Reaktionsgase an der Halteeinheit angeschlossen sein. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Konstruktion noch weiter zu vereinfachen, sodass separate Anschlüsse für die Brennstoffzellen weitgehend eingespart werden können. Mit der Halteeinheit kann somit eine kompakte Baueinheit geschaffen werden.
Die Halteeinheit kann dazu ausgebildet sein, einen einzigen Brennstoffzellenstapel aufzunehmen. Darüber hinaus kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Halteeinheit mehr als einen Brennstoffzellenstapel aufnimmt, zu welchem Zweck sie nicht nur eine einzige Montageoberfläche aufweist, sondern beispielsweise zwei oder drei Montageflächen, an denen jeweils Stapelenden jeweiliger aufeinanderfolgend angeordneter Brennstoffzellen befestigt sein können. Dabei kann vorgesehen sein, dass jede der Montageoberflächen gemäß dem vorgebbaren Winkel geneigt ausgebildet ist. Natürlich können auch weitere Kombinationen hierzu vorgesehen sein.
Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen derart angeordnet, dass eine Strömungsrichtung der Reaktionsgase in Reaktionsbereichen der Brennstoffzellen unter Berücksichtigung des vorgebbaren Winkels zu einer Ebene erfolgt, die durch die Befestigungsoberfläche bestimmt ist. Somit hat die Strömungsrichtung zumindest eine Komponente, die zur Befestigungsoberfläche weist. Vorzugsweise ist diese Komponente überwiegend gegenüber anderen Komponenten der Strömungsrichtung. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Befestigungsoberfläche der Halteeinheit im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Dadurch kann für die Führung der Reaktionsgase und der Reaktionsprodukte die Schwerkraft ergänzend genutzt und verschiedene Neigungszustände berücksichtigt werden. Somit kann ein Antriebsaufwand für die Reaktionsgase und/oder die Reaktionsstoffe reduziert oder sogar eingespart werden. Dies ist natürlich besonders vorteilhaft für den mobilen Einsatz bei Fahrzeugen, weil dadurch auch Gewicht und Bauvolumen reduziert werden können.
In Bezug auf ein erfindungsgemäßes Fahrzeug erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, wenn die Brennstoffzellenanordnung eine Halteeinheit mit einer Befestigungsoberfläche aufweist, die mit dem Fahrzeug derart verbunden ist, dass die Befestigungsoberfläche zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Fahrzeugs horizontal ausgerichtet ist. Dadurch kann beispielsweise die Schwerkraft als zusätzliche Antriebsfunktion oder Antriebswirkung für die Funktion der Brennstoffzellen genutzt werden. Dies erlaubt es, Aufwand hierfür zu reduzieren.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Halteeinheit eine Montageoberfläche zum mechanischen Verbinden mit einem Stapelende der aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen aufweist, wobei die Montageoberfläche gegenüber der Befestigungsoberfläche um einen vorgebbaren Winkel geneigt ausgebildet ist, der abhängig von einer im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb auftretenden Neigung des Fahrzeugs bestimmt ist. Die Neigung kann beispielsweise eine Neigung quer zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs sein. Darüber hinaus kann die Neigung natürlich auch in Richtung des Fahrzeugs sein. Eine Neigung quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs kann zum Beispiel bei einer Kurvenfahrt oder dergleichen auftreten. Eine Neigung in Fahrtrichtung des Fahrzeugs kann zum Beispiel bei einem Kraftfahrzeug durch einen Beschleunigungs- beziehungsweise ein Bremsvorgang verursacht sein, bei einem Flugzeug beispielsweise ein Steig- oder Sinkflug. Insgesamt erlaubt es die Erfindung, die Funktion der Brennstoffzellen beziehungsweise der Brennstoffzellenanordnung während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs weiter zu verbessern. Die Zuverlässigkeit kann durch die Berücksichtigung verschiedener Neigungszustände insgesamt erhöht werden.
Die Kombination von Neigung der Brennstoffzellen und Strömungsquerschnittverjüngung ermöglicht bei moderatem Herstellungsaufwand aufgrund gleichbleibender Materialdicken in den Bipolarplatten einen zuverlässigen Betrieb im Hinblick auf Wasseraustrag auch am Ausgang der Anode des Brennstoffzellenstapels.
Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung und das erfindungsgemäße Fahrzeug und umgekehrt, soweit anwendbar.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale, Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung umfasst beziehungsweise als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind. Die anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher sollen die Ausführungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Ausführungsformen umfassen. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Kontur eines ersten Designs einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Brennstoffzelle gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung wie 1 einer Kontur eines zweiten Designs einer Brennstoffzelle,
4 eine schematische Darstellung wie 2 für die Brennstoffzelle gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung wie 1 einer Kontur eines dritten Designs einer Brennstoffzelle,
6 eine schematische Darstellung wie 2 für die Brennstoffzelle gemäß 5,
7 eine schematische Darstellung wie 1 einer Kontur eines vierten Designs einer Brennstoffzelle,
8 eine schematische Darstellung wie 2 für die Brennstoffzelle gemäß 7,
9 eine schematische Seitenansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit zwei Brennstoffzellenstapeln, die an einer Halteeinheit befestigt sind und die Brennstoffzellen gemäß einer der vorhergehenden Figuren aufweisen, und
10 eine schematische Schnittansicht eines Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels mit drei miteinander elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen.

10 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Brennstoffzellenanordnung 30 mit drei Brennstoffzellen 28, die vorliegend als Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen ausgebildet sind. Die Brennstoffzellen 28 sind vorliegend elektrisch in Reihe geschaltet, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb an Anschlusskontakten 86, 88 eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt wird.
Eine Brennstoffzelle 28 besteht aus zwei elektrochemischen Halbzellen, die durch eine Polymermembran 80 getrennt sind. Diese Membran 80 ist undurchlässig für Wasserstoff, Sauerstoff und die elektrischen Ladungsträger (Elektronen), während Protonen durch die Membran 80 gelangen, d.h. die Membran 80 übernimmt als Elektrolyt den Protonentransport von Anode 32 zu Kathode 34. Diese beiden Elektroden 32, 34 sind auf der Membran 80 angeordnet und bestehen typischerweise aus einem Gemisch aus Edelmetallkatalysatorpartikeln, hauptsächlich Platin oder Platinlegierungen, einem hochporösen Kohlenstoff als Trägermaterial und einem protonenleitfähigen Ionomer, also einem thermoplastischen Kunststoff, der beispielsweise unter dem Handelsnamen Nafion (DuPont) vertrieben wird.
Die chemische Reaktion findet an der Drei-Phasen-Grenze zwischen Gas, Wasser und Katalysator statt. An dieser Grenzfläche lagern sich die Gase am Katalysator an, werden ionisiert und strömen dann weg.
An der Anode 32 erfolgt die Oxidation des Wasserstoffs (H₂), wobei Elektronen freigesetzt werden: H₂ → 2H⁺ + 2 e^-
Die Reduktion des Sauerstoffs (O₂) erfolgt an der Kathode 34, wozu Elektronen benötigt werden: O₂ + 4e^- → 2O^2-
Dadurch ergibt sich die exotherme Gesamtreaktion: O₂ + 2H₂ → 2O^2- + 4H⁺
Die bei der Oxidation entstehenden Protonen H⁺ können durch die Membran 80 diffundieren und verbinden sich an der anderen Elektrode, also der Kathode 34, mit den dort entstehenden Sauerstoffionen O^2- zum Reaktionsendprodukt Wasser H₂O. Es versteht sich, dass für einen reibungslosen Betrieb einer Brennstoffzelle 28 das entstehende Wasser kontinuierlich abgeführt wird, beispielsweise durch Spülen mit den Betriebsgasen. Die Gesamtreaktion wird durch den Katalysator, der die Aktivierungsenergie verringert, beschleunigt.
Auf den der Membran 80 gegenüberliegenden Seiten der Elektroden 32, 34 sind Gasdiffusionsschichten 82 angeordnet. Sie bestehen typischerweise aus einem Substratmaterial (aus Kohlefasern) und einer in Richtung der Elektroden 32, 34 darauf aufgebrachten mikroporösen Schicht. Gasdiffusionsschichten 82 haben vielfältige Aufgaben. Dazu gehören die Verteilung der über Bipolarplatten 64 bereitgestellten Betriebsgase auf die Katalysatorschicht, der Transport von Elektronen von und zu den Katalysatorschichten, sowie der Abtransport von Wärme und flüssigem Produktwasser aus der Katalysatorschicht.
Die erwähnten Bipolarplatten 64 erfüllen mehrere Zwecke. Über sie erfolgt die elektrische Kontaktierung zweier benachbarter Brennstoffzellen 28, so dass sich durch das elektrische In-Reihe-Schalten der Einzelzellen 28 im Stapel auf der einen Halbseite einer Bipolarplatte 64 die Anode 32 der einen Zelle 28 und auf der gegenüberliegenden Halbseite der Bipolarplatte die Kathode 34 der anderen Zelle 28 befindet. Bipolarplatten 64 ohne Nachbarzelle 28 stellen stattdessen die elektrischen Anschlusskontakte 86, 88 bereit.
Diejenigen der Bipolarplatten 64, die nicht die elektrischen Anschlüsse 86, 88 bereitstellen, stellen zugleich auch eine gasdichte Abtrennung zwischen den benachbart angeordneten beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen 28 bereit.
Bipolarplatten 64 sorgen auch für eine gewisse mechanische Stabilität und über sie werden die Brennstoffzellen 28 mit den Betriebsgasen versorgt, d.h. die Betriebsgase werden über die Bipolarplatten 64 zugeführt und möglichst homogen verteilt. Zu diesem Zweck umfasst jede Brennstoffzelle 28 über eine zugehörige Bipolarplatte 64 eine erste Gaszuführung 36 zum Zuführen von Wasserstoffgas und eine zweite Gaszuführung 38 zum Zuführen von Sauerstoffgas. Über Reaktionsprodukteabführungen 40, 42 werden die während des bestimmungsgemäßen Betriebs anfallenden Reaktionsprodukte sowie auch die nicht verbrauchten Reaktionsgase abgeführt.
Darüber hinaus weist jede der Bipolarplatten 64 in der vorliegenden Ausgestaltung einen oder mehrere Kühlkanäle 26 auf, die zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellen 28 von einem Kühlmittel, hier im vorliegenden Fall Wasser, durchströmt sind.
Jede der Brennstoffzellen 28 umfasst einen zwei gegenüberliegende Enden 44, 46 aufweisenden Reaktionsbereich 48 zum Durchführen einer exergonen Reaktion der zwei Reaktionsgase auf, bei der zwischen den jeweiligen beiden Elektroden 32, 34 eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt wird. Die Gaszuführungen 36, 38 sind am ersten Ende 44 des Reaktionsbereichs 48 und die Reaktionsprodukteabführungen am zweiten Ende 46 des Reaktionsbereichs 48 angeordnet.
Die Brennstoffzellenanordnung 30 gemäß 10 bildet vorliegend einen Brennstoffzellenstapel aus.
Die Brennstoffzellen 28 können in Stapelrichtung beziehungsweise in Richtung ihrer aufeinanderfolgenden Anordnung Konturen aufweisen, wie sie anhand der 1 bis 8 im Folgenden erläutert werden. Diese Konturen haben den Vorteil, dass ein Strömungsquerschnitt der Reaktionsgase durch die Brennstoffzelle 28 nicht konstant ist, sondern sich vorliegend zumindest teilweise an dem Verbrauch der Reaktionsgase orientiert. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen 28 verbessert werden und es können Bipolarplatten mit unterschiedlicher und/oder konstanter Materialstärke, z.B. metallisch geprägte Bipolarplatten, verwendet werden.
So zeigt zum Beispiel 1 eine erste Ausgestaltung für eine Kontur 10 einer Brennstoffzelle 18, bei der die Gaszuführungen 36, 38 an einem ersten Ende 44 des Reaktionsbereichs 48 und die Reaktionsprodukteabführungen 40, 42 am zweiten Ende 46 des Reaktionsbereichs angeordnet sind, das dem ersten Ende 44 gegenüberliegend am Reaktionsbereich 48 angeordnet ist. Die Gasströmung der Reaktionsgase erfolgt in eine Strömungsrichtung 54 (10).
Am ersten Ende 44 stellt der Reaktionsbereich 48 einen ersten Strömungsquerschnitt 50 für die Reaktionsgase und am zweiten Ende 46 einen zweiten Strömungsquerschnitt 52 bereit. Der erste Strömungsquerschnitt 50 ist größer als der zweite Strömungsquerschnitt 52. Dies gilt nicht nur für die Ausgestaltung gemäß 1, sondern gleichermaßen auch für die weiteren Ausgestaltungen gemäß der 3, 5 und 7.
Quer zur Strömungsrichtung 54 weisen die Brennstoffzellen 18 beziehungsweise die Bipolarplatten 64 stirnseitig abschließend eine jeweilige erste Seitenwand 58 und eine jeweilige zweite Seitenwand 60 auf, zwischen denen der Reaktionsbereich 48 angeordnet ist. Zusammen mit den Bipolarplatten 64 stellen die Seitenwände 58, 60 somit einen Raumbereich bereit, in dem der Reaktionsbereich 48 angeordnet ist. Vorliegend schließen die Seitenwände 58, 60 zusammen mit den Bipolarplatten 64 den Raumbereich 48 fluiddicht ab.
In 1 ist der Reaktionsbereich 48 aufgrund der Kontur 10 ausgebildet, in einem Teilabschnitt 56 in Strömungsrichtung 54 der Reaktionsgase einen sich kontinuierlich reduzierenden Strömungsquerschnitt bereitzustellen. Dadurch kann die Reduktion des Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung entsprechend angepasst reduziert werden, sodass die Wirkung der Brennstoffzelle 18 insbesondere im Bereich des zweiten Endes 46 verbessert werden kann.
Wie aus 1 ersichtlich ist, stellt der Teilabschnitt 56 zugleich auch das zweite Ende 46 bereit und mündet in den zweiten Strömungsquerschnitt 52. Darüber hinaus stellen die Seitenwände 58, 60 zwischen dem ersten Ende 44 und dem Beginn des Teilabschnitts 56 in Strömungsrichtung 54 einen linearen Abschnitt 62 bereit, in dem die Seitenwände 58, 60 im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 54 der Reaktionsgase angeordnet sind. In diesem Bereich kann daher eine Durchströmung der Brennstoffzelle 18 mit vergleichsweise geringem Strömungswiderstand realisiert werden. Die Brennstoffzelle 28 weist eine Kontur 10 auf.
2 zeigt in einer schematischen Draufsicht die Brennstoffzelle 18 gemäß 1. Der Reaktionsbereich 48 ist von einem Dichtungsbereich 90 umgeben und an die Kontur 10 angepasst ausgebildet. Es ist ferner ersichtlich, dass der erste Strömungsquerschnitt 50 größer als der zweite Strömungsquerschnitt 52 ist.
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung für eine Brennstoffzelle 20 mit einer Kontur 12, wobei im Folgenden lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß 1 diskutiert werden. Die übrigen Merkmale entsprechen dem, was bereits zu den vorhergehenden Figuren und Ausgestaltungen erläutert wurde, weshalb diesbezüglich hierauf verwiesen wird.
Aus 3 ist ersichtlich, dass die Kontur 12 im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet ist. 4 zeigt eine entsprechende zugehörige Darstellung des Reaktionsbereichs 48 und des Dichtungsbereichs 90. Aus 4 ist ferner ersichtlich, dass der erste Strömungsquerschnitt 50 größer als der zweite Strömungsquerschnitt 52 ist. Ferner ist ersichtlich, dass die erste Seitenwand 58 vorliegend im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 54 der Reaktionsgase ausgerichtet ist. Die zweite Seitenwand 60 ist dagegen derart ausgebildet, dass der Strömungsquerschnitt vom ersten Ende 44 zum zweiten Ende 46 linear kontinuierlich abnimmt.
5 zeigt eine dritte Ausgestaltung einer Kontur 14 für eine Brennstoffzelle 22, die dem Grunde nach im Wesentlichen etwa trapezförmig ausgebildet ist. 6 zeigt die zugehörige schematische Darstellung des Reaktionsbereichs 48 und des Dichtungsbereichs 90 sowie den ersten Strömungsquerschnitt 50 und den zweiten Strömungsquerschnitt 52. Die Ausgestaltung gemäß 5 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 3 im Wesentlichen dadurch, dass die Seitenwände 58, 60 über ihre Längserstreckung in Strömungsrichtung 54 einen linear abnehmenden Strömungsquerschnitt zwischen den Seitenwänden 58, 60 bereitstellen. Dem Grunde nach entspricht die Funktion jedoch der, wie sie bereits zuvor erläutert wurde.
7 zeigt eine vierte Ausgestaltung für eine Kontur 16 einer Brennstoffzelle 24, die auf der Kontur 12 gemäß 3 dem Grunde nach basiert. 8 zeigt eine entsprechende Darstellung wie 6 für den Reaktionsbereich 48 und den Dichtungsbereich 90 sowie den ersten und den zweiten Strömungsquerschnitt 50, 52. Zu erkennen ist, dass hier - ebenso wie in 1 - ein Teilabschnitt 56 im Bereich des zweiten Endes 46 ausgebildet ist, bei dem der Strömungsquerschnitt kontinuierlich linear reduziert ausgebildet ist. Zwischen dem Teilabschnitt 56 und dem ersten Ende 44 sind dagegen die Seitenwände 58, 60 - wie bei der Ausgestaltung gemäß 1 - im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 54 ausgebildet.
Natürlich können aus den Ausgestaltungen gemäß der 1 bis 8 auch weitere Konturen für die Brennstoffzelle 28 abgeleitet werden, um eine Reduktion des Strömungsquerschnitts insbesondere im Reaktionsbereich 48 der Brennstoffzellen 28 in Strömungsrichtung 54 realisieren zu können. Die Wahl der Kontur kann von der Funktion der Brennstoffzelle sowie auch der Anwendung abhängig gewählt sein.
Ist beispielsweise eine mobile Anwendung vorgesehen, kann mit der Ausgestaltung gemäß 1 erreicht werden, dass die Funktion der Brennstoffzelle 28 auch bei einem Kurvenfahren eines Fahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle 28 gemäß 1 angeordnet ist, weitgehend realisiert werden kann. Die Wahl der Kontur kann somit anwendungsspezifisch gewählt sein.
9 zeigt nun in einer schematischen Seitenansicht eine Brennstoffzellenanordnung 30 mit zwei Brennstoffzellenstapeln 64, wobei jeder der Brennstoffzellenstapel 64 jeweilige aufeinanderfolgend angeordnete Brennstoffzellen 28 aufweist. Vorliegend sind die Brennstoffzellen 28 unmittelbar benachbart zueinander quer zur Strömungsrichtung 54 in Stapelbauweise angeordnet, wobei zugleich eine elektrische Kontaktierung wie 10 realisiert ist.
Die Brennstoffzellenanordnung 30 weist ferner eine Halteeinheit 68 zum Halten der Brennstoffzellen 28 beziehungsweise der Brennstoffzellenstapel 64 auf. Die Halteeinheit 68 weist eine Befestigungsoberfläche 70 zum Befestigen der Brennstoffzellenanordnung 30 an einem Halteobjekt auf. Das Halteobjekt kann zum Beispiel eine stationäre oder mobile Energieversorgungseinrichtung sein, beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug oder dergleichen. Vorzugsweise ist die Befestigungsoberfläche 70 im angeordneten Zustand am Halteobjekt zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
Die Halteeinheit 68 weist ferner zwei Montageoberflächen 72 auf, die dem mechanischen Verbinden mit jeweiligen Stapelenden 74 der Brennstoffzellenstapel 64 dienen. Aus 9 ist ersichtlich, dass die Montageoberflächen 72 gegenüber der Befestigungsoberfläche 70 jeweils um einen vorgebbaren Winkel 78 geneigt ausgebildet ist. Der Winkel beträgt vorliegend etwa 20° bis etwa 30°.
Die Halteeinheit 68 ist als Hohlkörper aus einem Kunststoff ausgebildet. Dadurch können Versorgungseinheiten für die Brennstoffzellen 28 zumindest teilweise innerhalb der Halteeinheit 68 angeordnet werden, sodass eine sehr kompakte Brennstoffzellenanordnung 30 erreicht werden kann. Im vorliegenden Fall ist ferner vorgesehen, dass die Reaktionsprodukteabführungen 40, 42 der Brennstoffzellen 28 an die Halteeinheit 68 angeschlossen sind. In der vorliegenden Ausgestaltung kann somit insbesondere das im bestimmungsgemäßen Betrieb anfallende Wasser auf einfache Weise abgeführt werden. Durch die Neigung der Brennstoffzellenstapel 64 wird eine zuverlässige Abführung des anfallenden Wassers unter Nutzung der Schwerkraft bei verschiedenen Neigungszuständen ermöglicht. Zugleich kann dadurch auch erreicht werden, dass die Brennstoffzellen 28 so angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung 54 der Reaktionsgase in den jeweiligen Reaktionsbereichen 48 der Brennstoffzellen 28 unter Berücksichtigung des vorgebbaren Winkels 78 zu einer Ebene 76 erfolgt, die durch die Befestigungsoberfläche 70 bestimmt ist. Auch hierdurch kann die Nutzung der Schwerkraft bei verschiedenen Neigungszuständen für die bestimmungsgemäße Funktion der Brennstoffzellen 28 genutzt werden.
Für die Anordnung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Luftfahrzeug, erweist sich die Konstruktion gemäß 9 darüber hinaus auch dahingehend als vorteilhaft, dass der vorgebbare Winkel 78 so gewählt sein kann, dass Neigungen, die im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Fahrzeugs auftreten können, beispielsweise bei einem Kurvenflug oder dergleichen, nicht zu einer Funktionsstörung der Brennstoffzellen 28 im bestimmungsgemäßen Betrieb führen können. Durch geeignete Wahl des vorgebbaren Winkels 78 kann nämlich die zuverlässige Abführung insbesondere von Wasser auch während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Fahrzeugs bei verschiedenen Neigungszuständen weitgehend gewährleistet werden.
Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, wie durch geeignete Wahl der Kontur der Brennstoffzellen 28 sowie auch durch eine geeignete Konstruktion der Halteeinheit 68, insbesondere mobile Anwendungen, verbessert werden können. Die Erfindung eignet sich daher vorzugsweise für die Anwendung bei Luftfahrzeugen, besonders bei Drohnen. Auch für Unterwasserfahrzeuge ist die Erfindung vorteilhaft.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2644793 A1 [0005]
DE 102015015579 B3 [0005]
EP 2673825 B1 [0005]
US 2009/0101423 A1 [0031]

Claims

Brennstoffzelle (28) mit: - wenigstens zwei Elektroden (32, 34), - einem Elektrolyten, der die wenigstens zwei Elektroden (32, 34) kontaktiert, - einer Bipolarplatte (62) mit einer ersten und einer zweiten Gaszuführung (36, 38) zum Zuführen von wenigstens einem jeweiligen ersten und zweiten Reaktionsgas zu den jeweiligen Elektroden (32, 34), sowie wenigstens einer Reaktionsprodukteabführung (40, 42) zum Abführen von Reaktionsstoffen, und - einem zwei gegenüberliegende Enden (44, 46) aufweisenden Reaktionsbereich (48) zum Durchführen einer exergonen Reaktion der wenigstens zwei Reaktionsgase, bei der zwischen den wenigstens zwei Elektroden (32, 34) eine elektrische Spannung bereitgestellt wird, wobei die Gaszuführungen (36, 38) am ersten Ende (44) des Reaktionsbereichs (48) und die wenigstens eine Reaktionsprodukteabführung (40, 42) am zweiten Ende (46) des Reaktionsbereichs (48) angeordnet sind, wobei der Reaktionsbereich (48) ausgebildet ist, am ersten Ende (44) einen jeweils ersten Strömungsquerschnitt (50) für das erste und das zweite Reaktionsgas und am zweiten Ende (46) jeweils einen zweiten Strömungsquerschnitt (52) für das erste und das zweite Reaktionsgas bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils erste Strömungsquerschnitt (50) größer als der jeweils zweite Strömungsquerschnitt (52) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (48) ausgebildet ist, zumindest in einem Teilabschnitt (56) in Strömungsrichtung (54) der Reaktionsgase einen sich zumindest teilweise kontinuierlich reduzierenden Strömungsquerschnitt bereitzustellen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (48) ausgebildet ist, mit dem Teilabschnitt (56) wenigstens das zweite Ende (46) bereitzustellen.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (48) ausgebildet ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsquerschnitt (50, 52) einen in Strömungsrichtung (54) kontinuierlich abnehmenden Strömungsquerschnitt bereitzustellen.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Reaktionsbereich (48) quer zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase gegenüberliegende Seitenwände (58, 60) ausgebildet sind, wobei wenigstens eine der Seitenwände (58, 60) einen zumindest teilweise linearen Abschnitt (62) parallel zur Strömungsrichtung (54) der Reaktionsgase aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (58, 60) wenigstens einen Abschnitt aufweisen, der ausgebildet ist, in Strömungsrichtung (54) der Reaktionsgase einen abnehmenden Strömungsquerschnitt zwischen den Seitenwänden (58, 60) bereitzustellen.
Brennstoffzellenanordnung (30) mit: - einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (28), die jeweilige Gaszuführungen (36, 38) zum Zuführen von wenigstens einem jeweiligen ersten und zweiten Reaktionsgas zu jeweiligen Elektroden (32, 34) sowie jeweils wenigstens eine Reaktionsprodukteabführung (40, 42) zum Abführen von Reaktionsstoffen aufweisen und die quer zu einer Strömungsrichtung (54) der Reaktionsgase aufeinanderfolgend angeordnet sind, und - einer Halteeinheit (68) zum Halten der Brennstoffzellen (28), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Brennstoffzellen (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (68) eine Befestigungsoberfläche (70) zum Befestigen der Brennstoffzellenanordnung (30) an einem Halteobjekt und eine Montageoberfläche (72) zum mechanischen Verbinden mit einem Stapelende (74) der aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen (28) aufweist, wobei die Montageoberfläche (72) gegenüber der Befestigungsoberfläche (70) um einen vorgebbaren Winkel (78) geneigt ausgebildet ist und dadurch verschiedene Neigungszustände im Betrieb berücksichtigt.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (68) als Hohlkörper ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Reaktionsprodukteabführungen (40, 42) der Brennstoffzellen (28) an die Halteeinheit (68) angeschlossen sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (28) derart angeordnet sind, dass eine Strömungsrichtung (54) der Reaktionsgase in jeweiligen Reaktionsbereichen (48) der Brennstoffzellen (28) unter Berücksichtigung des vorgebbaren Winkels (78) zu einer Ebene (76) erfolgt, die durch die Befestigungsoberfläche (70) bestimmt ist.
Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug oder Wasserfahrzeug, mit: - einer Antriebseinrichtung, und - einer Brennstoffzellenanordnung (30), die an die Antriebseinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (30) eine Halteeinheit (68) mit einer Befestigungsoberfläche (70) aufweist, die mit dem Fahrzeug derart verbunden ist, dass die Befestigungsoberfläche (70) zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Fahrzeugs horizontal ausgerichtet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (68) eine Montageoberfläche (72) zum mechanischen Verbinden mit einem Stapelende (74) der aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen (28) aufweist, wobei die Montageoberfläche (72) gegenüber der Befestigungsoberfläche (70) um einen vorgebbaren Winkel (78) geneigt ausgebildet ist, der abhängig von einer im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb auftretenden Neigung des Fahrzeugs bestimmt ist und im Fahrbetrieb verschiedene Neigungszustände zulässt.