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Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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In einer Brennstoffzelle hat eine Gasdiffusionsschicht (GDL) die Aufgabe, Reaktionsgase gleichmäßig einer Membran bzw. einer Katalysatorschicht zuzuführen und im Betrieb produziertes Wasser abzuführen. Daher bestehen Gasdiffusionsschichten in der Regel aus hydrophoben Fasern und können keine Wassertropfen einlagern. Dies hat den Nachteil, dass zur notwendigen Befeuchtung der Membran nur Wasserdampf dienen kann. Flüssiges Wasser kann so nicht zur Aufrechterhaltung der Membranfeuchte verwendet werden. Gerade bei niedrigen Lastpunkten reichen übliche Maßnahmen zur Befeuchtung der Membran nicht aus.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und eine Brennstoffzelle für das Brennstoffzellensystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Die Brennstoffzelle umfasst eine Bipolarplatte mit einer Anzahl Stege und eine Gasdiffusionsschicht, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Anzahl hydrophilierter Bereiche umfasst, und wobei jeweilige hydrophilierte Bereiche dazu konfiguriert sind, unterhalb von jeweiligen Stegen der Bipolarplatte Wasser aufzunehmen und das Wasser in der Gasdiffusionsschicht zu verteilen.
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Unter einem Steg, d.h. einem sogenannten „Land“ einer Bipolarplatte ist im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere ein Bereich zu verstehen, der einen Gaskanal bildet bzw. umgibt. Entsprechend sammeln sich im Bereich der Stege besonders viel im Betrieb eines Brennstoffzellensystems entstehende Produkte, wie bspw. flüssiges Wasser.
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Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass eine Gasdiffusionsschicht in einer Brennstoffzelle verwendet wird, die bereichsweise hydrophiliert ist, sodass Wasser, insbesondere flüssiges Wasser bzw. Flüssigwasser, in die Gasdiffusionsschicht aufgenommen und in der Gasdiffusionsschicht verteilt werden kann und insbesondere die Membran gleichmäßig feucht gehalten werden kann.
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Durch die Verteilung von Wasser in der Gasdiffusionsschicht wird eine elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht insbesondere in niedrigen Lastbereichen auch ohne aktive bzw. externe Befeuchtung aufrechterhalten.
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Dabei erfolgte die Verteilung von Wasser durch die Gasdiffusionsschicht mittels eines Feuchtigkeitsgradienten.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen hydrophilierten Bereiche sind dazu konfiguriert, Wasser in Bereichen unter den Stegen der Bipolarplatte aufzunehmen, sodass in einem zwischen den Stegen gebildeten Fluidkanal anfallendes flüssiges Wasser, das an den Stegen abläuft, von den Vermittlerebereichen direkt aufgenommen und in der Gasdiffusionsschicht verteilt wird. Dazu können die hydrophilierten Bereiche in den Bereichen unter den Stegen angeordnet und/oder über Verteilerbereiche mit den Bereichen unter den Stegen fluidleitend verbunden sein.
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Ein möglicher Aufbau der vorgestellten Brennstoffzelle kann folgendes umfassen:
- 1) Bipolarplatte mit den Kanälen zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Reaktionsgasen (und Feuchtigkeit)
- 2) GDL zur Verteilung der Gase (und Feuchte) auf der ganzen Fläche (auch zwischen den Kanälen), sodass die Membran und die darauf befindliche katalytische Schicht möglichst vollständig beaufschlagt ist.
- 3) Membran, die im feuchten Zustand den H+-lonen-Transport übernimmt. Auf der Oberfläche befinden sich in der Regel die Platinpartikel, die als Katalysator wirken.
- 4) GDL für das 2. Gas
- 5) Bipolarplatte für die Zuführung des 2. Gases.
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Es kann vorgesehen sein, dass die hydrophilierten Bereiche in der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig und ungerichtet verteilt sind.
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Durch eine gleichmäßige und ungerichtete Verteilung kann die vorgestellte Brennstoffzelle besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die hydrophilierten Bereiche Fasern umfassen, die mit einer vorgegebenen Ausrichtung angeordnet sind, sodass die Fasern Wasser in vorgegebene, bspw. besonders trockene Randbereiche der Gasdiffusionsschicht leiten.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die jeweiligen hydrophilierten Bereiche einen Superabsorber umfassen.
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Ein Superabsorber, wie bspw. ein sogenanntes „super absorbent plastic“, kann ein Kunststoff sein, der in der Lage ist, ein Vielfaches seines Eigengewichts, bspw. bis zum 1000-fachen, an polaren Flüssigkeiten aufzusaugen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Gasdiffusionsschicht einen hydrophoben Kern und in dem Kern gleichmäßig verteilte hydrophile Strukturelemente umfasst.
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Die vorgestellte Gasdiffusionsschicht kann einen hydrophoben Kern, aus bspw. Kohlefasern umfassen, der entsprechend porös und zur Aufnahme von Strukturelementen, wie bspw. Fasern geeignet ist. Entsprechend kann der hydrophobe Kern zumindest teilweise durch hydrophile Fasern hydrophiliert werden, sodass Wasser durch den hydrophoben Kern geleitet bzw. in der Gasdiffusionsschicht verteilt werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Gasdiffusionsschicht an eine Katalysatorschicht angrenzt und die hydrophilierten Bereiche dazu konfiguriert sind, aufgenommenes Wasser in die Katalysatorschicht einzuleiten.
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Eine Katalysatorschicht, d.h. eine mit Edelmetallpartikeln beladene poröse Schicht kann durch Kontakt mit bspw. hydrophilen Fasern effizient befeuchtet werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die hydrophilierten Bereiche zwischen der Bipolarplatte und der Katalysatorschicht angeordnet sind.
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Hydrophilierte Bereiche zwischen der Bipolarplatte und der Katalysatorschicht können in der Bipolarplatte produziertes Wasser aufnehmen und in die Katalysatorschicht leiten.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Anzahl hydrophilierter Bereiche lediglich in einem Bereich eines ersten Drittels auf einer Seite eines Kathodengaseintritts der Brennstoffzelle angeordnet sind.
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Durch eine Anordnung der Anzahl hydrophilierter Bereiche lediglich in einem Bereich eines ersten Drittels auf einer Seite eines Kathodengaseintritts der Brennstoffzelle wird in einem Kathodensubsystem eines Brennstoffzellensystems zirkulierendes Wasser aufgenommen und entlang eines Feuchtigkeitsgradienten in trockene Bereiche, insbesondere auf Anodenseite, geleitet.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte zumindest bereichsweise derart von der Gasdiffusionsschicht beabstandet ist, dass eine Volumenänderung der Gasdiffusionsschicht nicht durch die Bipolarplatte blockiert wird.
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Durch eine Geometrie des Bipolarplatte der vorgestellten Brennstoffzelle, die eine Volumenänderung der Gasdiffusionsschicht, bspw. in Reaktion auf eine Wassereinlagerung nicht blockiert, wird eine Spannung eines entsprechenden Brennstoffzellenstapels unabhängig von einem Befeuchtungszustand der Brennstoffzellen konstant gehalten. Dazu kann die Bipolarplatte bspw. bereichsweise beabstandet von der Gasdiffusionsschicht angeordnet sein.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Wasser zumindest teilweise flüssiges Wasser umfasst.
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Die hydrophilierten Bereiche der vorgestellten Bipolarplatte können insbesondere zum Aufnehmen und Verteilen von flüssigem Wasser konfiguriert sein. Dazu können die hydrophilierten Bereiche bspw. hydrophile Fasern umfassen, die flüssiges Wasser mittels des Kapillareffekts ansaugen bzw. aufnehmen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Gasdiffusionsschicht hydrophilierte Bereiche in Form von Vermittlerbereichen umfasst, die zum Speichern von Wasser konfiguriert sind und hydrophilierte Bereiche in Form von Verteilerbereichen umfasst, die zum Verteilen von Wasser in der Gasdiffusionsschicht konfiguriert sind, wobei die Verteilerbereiche mit den Vermittlerbereichen fluidleitend verbunden sind und die Verteilerbereiche hydrophile Fasern umfassen.
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Durch eine Mischung von Vermittlerbereichen, die insbesondere ein großes Speichervolumen für Wasser bereitstellen, und Verteilerbereichen, die sich insbesondere längs und/oder quer durch die Gasdiffusionsschicht erstrecken, kann eine kontrollierte Verteilung und Speicherung von Wasser in der Gasdiffusionsschicht und, dadurch bedingt, eine kontrollierte Befeuchtung der Katalysatorschicht der vorgestellten Brennstoffzelle erfolgen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Bren nstoffzel le.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem kann besonders kompakt ausgestaltet werden, da auf einen Befeuchter bzw. einen Tank für Flüssigwasser verzichtet werden kann. Entsprechend kann das Brennstoffzellensystem befeuchterfrei bzw. befeuchterlos ausgestaltet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Brennstoffzelle
- 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung einer Gasdiffusionsschicht der vorgestellten Brennstoffzelle in einer Draufsicht,
- 3 die Gasdiffusionsschicht gemäß 2 in einer Seitenansicht,
- 4 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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In 1 ist eine Brennstoffzelle 10 dargestellt. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathodenaustrittsseite 5 mit entsprechenden Fluidkanälen, die mit einem Kathodensubsystem eines Brennstoffzellensystems verbindbar sind.
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In 1 ist lediglich eine Bipolarplatte 1 erkennbar, unter der sich eine Gasdiffusionsschicht befindet, die in 1 jedoch nicht erkennbar ist.
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In 2 und 3 ist die Gasdiffusionsschicht 3 im Detail dargestellt. Die Gasdiffusionsschicht 3 weist zusätzlich zu einem Grundkörper aus Kohlefasern gleichmäßig verteilte hydrophilierte Bereiche in Form von Vermittlerbereichen 6 und Verteilerbereichen 4a und 4b auf, um Wasser auf der meist feuchten Kathodenaustrittsseite 5 aufzunehmen, zu speichern und abzugeben.
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Die Gleichverteilung der Vermittlerbereiche 6 ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigung der Brennstoffzelle 10 ohne definierte Positionierung.
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Die treibende Kraft für einen Transport bzw. eine Verteilung von Wasser in der Gasdiffusionsschicht 3 bzw. durch die Gasdiffusionsschicht 3 ist ein Konzentrationsgefälle des Wassers in der Membran 2.
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Optional können die Verteilerbereiche 4a und 4b hydrophile Fasern aufweisen, die einen Transport bzw. eine Verteilung von Wasser in der Gasdiffusionsschicht 3 bzw. durch die Gasdiffusionsschicht 3 unterstützen und so auch in Rand- und/oder Außenbereiche der Gasdiffusionsschicht 3 befeuchten können.
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Diese Verteilerbereiche 4a und 4b verlaufen bspw. entlang der Längsseite der Gasdiffusionsschicht 3 und weisen mindestens eine Verbindung zu dem und/oder den großflächigen Vermittlermaterialbereichen 6 auf. Besonders bevorzugtes Material für die Vermittlerbereiche 6 ist sogenanntes „Super Absorbent Plastic“.
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Die Verteilerbereiche 4a und 4b und/oder eine Membran mit einer Katalysatorschicht 2 verteilen aufgrund der Konzentrationsgefälle Wasser und geben es an den anderen Enden der Verteilerbereiche 4a und 4b und/oder der Membran in der Fläche der Gasdiffusionsschicht 3 ab. Dort kann das Wasser direkt in der Membran eingelagert werden und stellt so die Leitfähigkeit der Membran sicher.
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Die Vermittlerbereiche 6 sind in Bereichen unter jeweiligen Stegen einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle 10 angeordnet, sodass in einem zwischen den Stegen gebildeten Fluidkanal anfallendes flüssiges Wasser an den Stegen abläuft und von den Vermittlerebereichen 6 direkt aufgenommen werden kann.
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In 4 ist ein Brennstoffzellensystem 20 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 21 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 10 gemäß 1. Dabei sind jeweilige Bipolarplatten 1 der Brennstoffzellen 10 derart geformt, dass die Gasdiffusionsschichten 3 der Brennstoffzellen 10 sich in ihrem Volumen ändern können. Dazu können die Bipolarplatten 1 bspw. in einer Geometrie geformt sein, die einen Bewegungsraum zwischen den jeweiligen Bipolarplatten 1 und den jeweiligen Gasdiffusionsschichten bildet.
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Durch den Bewegungsraum wird eine mechanische Spannung in dem Brennstoffzellenstapel 21 auch bei einer Einlagerung bzw. Auslagerung von Wasser in bzw. aus den Gasdiffusionsschichten 3 konstant gehalten.
