WO2004075324A2 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack with a plurality of fuel cell elements stacked one on top of the other, each with separating plates arranged therebetween, at least one internal feed channel being provided for supplying a fuel gas and at least one internal discharge channel being provided for discharging an exhaust gas and extending in the stacking direction.
  • Fuel cell stacks are used because a single fuel cell element generates only a very low voltage. In order to generate a voltage that can be used for application purposes, several fuel cell elements are therefore connected in series, so that the cell voltages add up.
  • the fuel cell elements are arranged one on top of the other in such a way that a space remains between the fuel cell elements and the separating plates, a fuel gas being provided on one side of the fuel cell element and an oxidizing agent being provided on the other side of the fuel cell element.
  • the spaces between the fuel gas and the oxidizing agent are usually designed in the form of a plurality of channels, so that there is a positive and electrical contact between the fuel line elements and the separating plates between the channels. In this way, heat and electricity generated in the fuel cells can be dissipated.
  • Fuel gases for fuel cell elements are hydrogen or a hydrogen-containing gas, which is accordingly critical with regard to handling. Hydrogen-containing gas escaping due to a fault or a leak would react, for example, with the atmospheric oxygen in an uncontrolled manner and at least damage result in the fuel cell system. It is therefore known to use internal feed and discharge channels.
  • recesses are provided in the individual fuel cell elements and the separating plates arranged between them, which form the channels in the assembled state of the fuel cell stack. Seals are provided around the recesses, so that a tight channel is formed when the fuel cell stack is appropriately braced. In this way, the required tightness can be ensured rather than with an external fuel gas supply.
  • Fuel gas and the oxidizing agent are provided so that the directions of the gas flows cross.
  • the gas guides are open on the respective sides of the fuel cell stack, the respective gas flowing against the sides of the fuel cell stack.
  • Fuel cell stacks in this so-called cross-flow technology have a relatively poor power density.
  • the external supply of fuel gas is also problematic with regard to the tightness and the inadvertent escape of hydrogen-containing fuel gas.
  • the fuel gas is conducted to the respective fuel cell elements via internal feed channels.
  • the oxidizing agent is supplied externally and guided along the other side of the fuel cell elements in the direction transverse to the flow direction of the fuel gas.
  • a third embodiment shows how the fuel gas and the oxidizing agent can be supplied so that there is a parallel flow direction of the two gases.
  • This Direct current technology or, in the opposite direction of flow, the principle called counter current technology has the advantage that the temperature distribution and the gas concentration are more uniform.
  • the disadvantage is that a lot of feed channels and drainage channels have to be provided, which has a high number of seals and associated Dichtigke 'itsprobleme result.
  • the effort for supplying and discharging the gases to the supply and discharge channels is very large, which makes fuel cell systems with such fuel cell stacks relatively expensive.
  • the internal supply of oxidizing agents is also disadvantageous because the complicated line routing results in a high pressure loss and thus results in a limited oxidizing agent throughput. To compensate, stronger fans can be provided, but this entails additional costs. In addition, the efficiency of the overall system deteriorates because an increased drive power is required for the stronger fans.
  • the limited oxidant throughput has the particular disadvantage that the oxidizing agent, e.g. Air, the heat generated in the fuel cells is insufficiently dissipated.
  • the oxidizing agent e.g. Air
  • the object of the invention is therefore to provide a fuel cell stack which works in cocurrent technology or countercurrent technology and nevertheless enables a simple system connection while ensuring a high oxidant throughput.
  • a fuel cell stack of the type mentioned at the outset which is characterized in that on the first side of the fuel cell elements, a plurality of parallel longitudinal channels for guiding the fuel gas, a distributor zone which connects the feed channel to the first ends of the longitudinal channels, and one Collection zone, which connects the discharge channel with the respective second end of the longitudinal channels, is provided and on the second side of the fuel cell elements an oxidizing agent guide is formed which runs in the direction of the longitudinal channels and is open to the sides of the fuel cell stack for supplying the oxidizing agent.
  • the feed channel and the discharge channel can be arranged in such a way that no components lie in the flow path of the oxidizing agent.
  • the oxidizing agent can thus be supplied externally, which makes the construction of a fuel cell system with the fuel cell stack according to the invention simple and inexpensive.
  • the feed channel and the discharge channel can be provided on the same side of the fuel cell stack, so that a strong bracing only has to be provided on this side of the fuel cell stack. Since only the fuel gas is supplied internally, there is sufficient space for the distribution and collection zone. Therefore, the fuel cell stack can be realized with only one feed channel and only one discharge channel, which greatly reduces the number of feedthroughs per plate and therefore only very few seals are necessary.
  • the fuel cell stack according to the invention has the advantage of improved cooling due to an increased oxidant throughput, a simpler and cheaper construction and an increased reliability. Tensioning of the fuel cell stack is only possible in a small area around the seals, which makes the fuel cell stack very light, which results in a higher vibration tolerance and less construction work.
  • the distributor zone and the discharge zone taper starting from the feed channel or discharge channel along the ends of the longitudinal channels. This makes it particularly smooth
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel cell element with the flow directions of the fuel gas and the oxidizing agent
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of a fuel cell stack with several fuel elements
  • FIG. 3 shows a three-dimensional representation of a separating plate
  • FIG. 4 shows the assignment of a fuel cell element to a partition plate
  • FIG. 5 shows the arrangement of the feed and discharge channel in a first embodiment
  • Figure 7 shows the arrangement of the feed and discharge channel in a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a plan view of the underside of a • fuel cell element 2 in a schematic representation.
  • An active region 12 of the fuel cell element 2 is flowed over by fuel gas 13 on the upper side.
  • the fuel gas is fed to the fuel cell element 2 via a feed channel 4.
  • the feed channel 4 is formed by openings in the stacked fuel cell elements and separating plates arranged between them.
  • the fuel gas 13 is guided over the active region 12 of the fuel cell element 2 in longitudinal channels, but these cannot be seen in FIG. 1, since they are formed by the profiling of the separating plates arranged between fuel cell elements.
  • a distributor zone 7 is formed, in which the fuel gas supplied through the feed channel 4 is divided into the individual longitudinal channels.
  • oxidizing agent 15 in the simplest case air, is guided over the underside of the active region 12.
  • the flow direction of the oxidant runs in the same direction as the fuel gas 13.
  • the adjacent sides of the fuel cell element 2 are free for external supply of the oxidizing agent 15, the flow of which is not impeded by channels running there, as would be the case with an arrangement according to the prior art described at the beginning.
  • the oxidizing agent 15 leaves the fuel cell element on the opposite side as exhaust air 16.
  • FIG. 2 shows a more specific embodiment of a fuel cell stack according to the invention in a perspective view.
  • the fuel cell stack 1 is cut open on its upper side, so that the separating plate 3 lying under a fuel cell element 2 is visible.
  • Long channels 6 are formed on the separating plate 3 on the upper side, through which the fuel gas 13 is passed and which leaves the fuel cell stack again as exhaust gas 14.
  • a distributor zone 7 is formed in the embodiment of FIG. 2 in that a web 17 is provided at a distance from the ends of the longitudinal channels 6 and delimits the area between the ends of the longitudinal channels 6 and the edge of the separating plate 3. Fuel gas 13 flowing in through the feed channel 4 can be divided into the individual longitudinal channels 6 in the distributor zone 7.
  • the distributor zone 7 is designed such that it tapers along the ends of the longitudinal channels, which results in an improved pressure distribution.
  • the top of the partition plate 3 is profiled so that entering through the feed channel 4
  • Fuel gas 13 cannot flow directly to the discharge duct 5, but must pass through the longitudinal ducts 6.
  • a collecting zone 8 is formed, which is designed in the same way as the distributor zone 7.
  • the oxidant 15 flows parallel to the direction of the longitudinal channels 6 on the other 'side of the partition plate and thus to the underlying fuel cell element along.
  • FIG. 3 shows a partition plate 3 in a detailed representation. Longitudinal channels 6 are formed on the upper side of the separating plate 3 by a multiplicity of parallel grooves. Between the feed channel 4 and the discharge channel 5, the thickness of the separating plate 3 is provided in such a way that the incoming gas cannot flow directly to the discharging channel 5, since the separating plate in this area bears positively on an overlying fuel cell element.
  • An oxidizing agent guide 9 is provided on the underside of the separating plate and extends in the direction of the longitudinal channels 6 on the upper side of the separating plate 3.
  • Another fuel cell element on the underside of the separating plate, but since all separating plates 3 are equipped identically, a further separating plate 3 would lie on top of a fuel cell element resting on the separating plate 3, so that one on the other side of the fuel cell element Oxidizing agent guide 9 adjoins.
  • separating plates 3 are wave-shaped in the section adjoining the active region 12, so that the channels for the fuel gas 13 and for the oxidizing agent 15 are offset.
  • FIG. 4 shows how the fuel assembly from FIG. 3 and a fuel cell element are assembled. It can be seen in particular that the openings in the fuel cell element 2 and the separating plate 3 come to lie one above the other to form the feed channel 4 and the discharge channel 5.
  • FIG. 5 shows a top view of a separating plate 3 with the flow direction of the fuel gas shown in a first embodiment.
  • the feed channel 4 and the discharge channel 5 are arranged on the same side of the partition plate 3 and thus of the fuel cell stack.
  • An alternative arrangement is shown in FIG. 6.
  • the openings provided to form the supply and discharge channels are provided in the area of opposite corners of the separating plates 3 and the fuel cell elements. This arrangement can prove to be advantageous when it comes to a very uniform distribution of the fuel gas concentration in the fuel cell element, since the ones to be covered
  • FIG. 1 Another alternative for the arrangement of the openings is shown in FIG. There, the openings for both the feed channel 4 and for the discharge channel 5 are arranged on the side of the first ends of the longitudinal channels 6, that is, where the fuel gas 13 flows into the longitudinal channels 6.

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Abstract

Die Erfindung betrift einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl aufeinander geschichteter Brennstoffzellenelemente (2) mit heweils dazwischen angeordneten Trennplatten (3). Für die Zuführung des Brenngases und die Ableitung des Abgases sind innenliegende Kanäle (4,) gebildet. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet, daß auf jeweils einer ersten Seite der Brennstoffelemente (2) mehrere parallel verlaufende Längskanële (6) zur Führung eines Brenngases gebildet sind und an den einen Enden eine Verteilerzone (7) gebildet ist, die einen Zuführkanal (4) mit den jeweils ersten Enden der Längskanäle (6) verbindet und eine Sammelzone (8) vorgesehen ist, die den Ableitkanal (5) mit dem jeweils zweiten Ende der Längskanäle (6) verbindet, und daß auf der zweiten Seite der Brennstoffzellenelemente (2) eine in Richtung der Längskanäle (6) verlaufende Oxidationsmittelführung (9) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl aufeinandergeschichteter BrennstoffZellenelemente mit jeweils dazwischen angeordneten Trennplatten, wobei zur Zuführung eines Brenngases mindestens ein innenliegender Zuführkanal und zur Ableitung eines Abgases mindestens ein in- nen liegender Ableitkanal vorgesehen sind, die sich in Stapelrichtung erstrecken.
Brennstoffzellenstapel werden eingesetzt, da ein einzelnes Brennstoffzellenelement nur eine sehr geringe Spannung er- zeugt. Um eine für Anwendungszwecke nutzbare Spannung zu erzeugen, werden daher mehrere BrennstoffZellenelemente in Reihe geschaltet, so daß sich die Zellenspannungen addieren. Die Brennstoffzellenelemente werden so aufeinander angeordnet, daß zwischen den Brennstoffzellenelementen und den Trennplat- ten jeweils ein Zwischenraum bleibt, wobei auf einer Seite des Brennstoffzellenelementes ein Brenngas und auf der anderen Seite des Brennstoffzellenelementes ein Oxidationsmittel bereitgestellt wird. Die Zwischenräume für das Brenngas und das Oxidationsmittel sind üblicherweise in Form mehrerer Ka- näle ausgebildet, so daß zwischen den Kanälen ein formschlüssiger und elektrischer Kontakt zwischen den BrennstoffZeilenelementen und den Trennplatten besteht. Auf diese Weise können in den Brennstoffzellen erzeugte Wärme und Strom abgeleitet werden.
Bei Brenngasen für Brennstoffzellenelemente handelt es sich um Wasserstoff beziehungsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, das entsprechend kritisch hinsichtlich der Handhabung ist. Aufgrund eines Fehlers oder einer Undichtigkeit austretendes wasserstoffhaltiges Gas würde beispielsweise mit dem Luftsauerstoff unkontrolliert reagieren und zumindest eine Beschädi- gung des Brennstoffzellensystems zur Folge haben. Daher ist es bekannt, innenliegende Zuführ- und Ableitkanäle zu verwenden. Dazu sind in den einzelnen BrennstoffZellenelementen und den dazwischen angeordneten Trennplatten Ausnehmungen vorge- sehen, die im zusammengesetzten Zustand des Brennstoffzellen- stapels die Kanäle bilden. Um die Ausnehmungen herum sind Dichtungen vorgesehen, so daß bei entsprechender Verspannung des Brennstoffzellenstapels ein dichter Kanal entsteht. Die erforderliche Dichtigkeit ist auf diese Weise eher sicherzu- stellen als bei einer externen BrenngasZuführung.
Aus A. J. Appleby: Fuel Cell Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York 1989, sind auf den Seiten 450 ff. verschiedene Ausführungen der Zuführung von Brenngas und Oxidationsmitteln bekannt. In einer ersten Ausführung sind Führungen für das
Brenngas und das Oxidationsmittel so vorgesehen, daß sich die Richtungen der Gasströme kreuzen. Die Gasführungen sind dabei an den jeweiligen Seiten des Brennstoffzellenstapels offen, wobei die Seiten des Brennstoffzellenstapels von dem jeweili- gen Gas angeströmt werden. Brennstoffzellenstapel in dieser sogenannten Kreuzstromtechnik haben jedoch eine verhältnismäßig schlechte Leistungsdichte. Die externe Zuführung von Brenngas ist zudem problematisch bezüglich der Dichtigkeit und des unbeabsichtigten Austretens von wasserstoffhaltigem Brenngas.
In einer zweiten gezeigten Ausführung wird das Brenngas über interne Zuführkanäle zu den jeweiligen Brennstoffzellenele- menten geleitet. Das Oxidationsmittel wird extern zugeführt und in Querrichtung zur Strömungsrichtung des Brenngases auf der jeweils anderen Seite der Brennstoffzellenelemente entlang geführt.
Eine dritte Ausführungsart zeigt, wie das Brenngas und das Oxidationsmittel zugeführt werden können, daß sich eine parallele Strömungsrichtung der beiden Gase ergibt. Dieses Gleichstromtechnik beziehungsweise bei entgegengesetzter Strömungsrichtung Gegenstromtechnik genannte Prinzip besitzt den Vorteil, daß die Temperaturverteilung und die Gaskonzentration gleichmäßiger ist. Der Nachteil besteht darin, daß sehr viele Zuführkanäle und Ableitkanäle vorgesehen werden müssen, was eine hohe Anzahl von Dichtungen und die damit verbundenen Dichtigke'itsprobleme zur Folge hat. Darüber hinaus ist außerhalb des Brennstoffzellenstapels der Aufwand für die Zuführung und Ableitung der Gase zu den Zuführ- und Ab- leitkanälen sehr groß, was Brennstoffzellensysteme mit solchen Brennstoffzellenstapeln verhältnismäßig teuer macht.
Die interne Zuführung von Oxidationsmitteln ist darüber hinaus nachteilig, weil durch die komplizierte Leitungsführung ein hoher Druckverlust auftritt und somit sich ein eingeschränkter Oxidatiαnsmitteldurchsatz ergibt. Zur Kompensation können stärkere Gebläse vorgesehen werden, was jedoch zusätzliche Kosten verursacht. Zusätzlich verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems, da für die stärkeren Gebläse eine erhöhte Antriebsleistung erforderlich ist.
Eine externe Zuführung des Oxidationsmittels ist in Kombination mit der Gleichstrom- bzw. Gegenstromtechnik bisher nicht machbar, da aufgrund der Zuführ- und Ableitkanäle für das Brenngas zu viele Bauteile im Strömungsweg liegen und deshalb kein ausreichender Oxidationsmitteldurchsatz erzielbar ist.
Der eingeschränkte Oxidationsmitteldurchsatz hat insbesondere zum Nachteil, daß durch das Oxidationsmittel, z.B. Luft, die in den Brennstoffzellen entstehende Wärme unzureichend abgeführt wird. Je geringer der Durchsatz von Oxidationsmittel bzw. Luft ist, desto größer ist die Gefahr der Überhitzung des Brennstoffzellenstapels .
Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Brennstoffzellenstapeln in Gleichstromtechnik besteht darin, daß aufgrund der vielen Zuführ- und Ableitkanäle sehr viele Verspannungen des Stapels notwendig sind, um die erforderliche Dichtigkeit zu gewährleisten. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel sehr massiv, was einen hohen Bauaufwand und somit erhöhte Kosten bedeutet .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brennstoffzellenstapel anzugeben, der in Gleichstromtechnik bzw. Gegenstromtechnik arbeitet und trotzdem eine einfache Systemanbindung unter Gewährleistung eines hohen Oxidationsmitteldurchsatzes ermöglicht .
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der ersten Seite der Brennstoffzellenelemente mehrere parallel verlaufende Langskanale zur Führung des Brenngases, eine Verteilerzone, die den Zuführkanal mit den jeweils ersten Enden der Längskanäle verbindet, und eine Sammelzone, die den Ableitkanal mit dem jeweils zweiten Ende der Längskanäle verbindet, vorgesehen sind und auf der zweiten Seite der Brennstoffzellenelemente eine in Richtung der Längskanäle verlaufende Oxidationsmittelführung gebildet ist, die zu den Seiten des Brennstoffzellenstapels offen ist zur Zuführung des Oxidationsmittels .
Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Verteilerzonen und Sammelzonen können der Zuführkanal und der Ableitkanal so angeordnet werden, daß keine Bauteile im Strömungsweg des Oxidationsmittels liegen. Das Oxidationsmittel kann somit extern zugeführt werden, was den Aufbau eines Brennstoffzellensy- stems mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel einfach und kostengünstig macht. Der Zuführkanal und der Ableitkanal können auf der gleichen Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen werden, so daß eine starke Verspannung nur an dieser Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen werden muß. Da nur das Brenngas intern zugeführt wird, ist ausreichend Platz für die Verteiler- und Sammelzone vorhanden. Daher kann der Brennstoffzellenstapel mit nur einem Zuführkanal und nur einem Ableitkanal realisiert werden, was die Anzahl der Durchführungen pro Platte stark reduziert und somit auch nur sehr wenige Dichtungen notwendig sind.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel besitzt den Vorteil einer verbesserten Kühlung durch einen erhöhten Oxidati- onsmitteldurchsatz, eines einfacheren und kostengünstigeren Aufbaus und einer erhöhten Zuverlässigkeit. Verspannungen des Brennstoffzellenstapels sind nur noch in einem kleinen Bereich um die Dichtungen herum möglich, wodurch der Brennstoffzellenstapel sehr leicht wird, was sich in einer höheren Vibrationstoleranz und weniger Bauaufwand auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels verjüngen sich die Verteilerzone und die Ableitzone ausgehend von dem Zuführkanal bzw. Ableitkanal entlang den Enden der Längskanäle. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige
Druckverteilung erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenelementes mit den Strömungsrichtungen des Brenngases und des Oxidationsmittels,
Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffelementen,
Figur 3 eine dreidimensionale Darstellung einer Trennplat- te, Figur 4 die Zuordnung eines Brennstoffzellenelementes zu einer Trennplatte,
Figur 5 die Anordnung des Zuführ- und Ableitkanals in einer ersten Ausführung,
Figur 6 die Anordnung des Zuführ- und Ableitkanals in einer zweiten Ausführung und
Figur 7 die Anordnung des Zuführ- und Ableitkanals in einer dritten Ausführung.
Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite eines • Brennstoffzellenelementes 2 in einer schematischen Darstel- lung. Ein aktiver Bereich 12 des BrennstoffZellenelements 2 wird auf der Oberseite von Brenngas 13 überströmt. Das Brenngas wird dabei über einen Zuführkanal 4 dem Brennstoffzel- lenelement 2 zugeführt. Der Zuführkanal 4 wird durch Durchbrüche in den übereinandergestapelten Brennstoffzellenelemen- ten und dazwischen angeordneten Trennplatten gebildet. Das Brenngas 13 wird über dem aktiven Bereich 12 des Brennstoff- zellenelements 2 in Längskanälen geführt, die sind jedoch in der Figur 1 nicht zu erkennen, da sie durch die Profilierung der zwischen Brennstoffzellenelementen angeordneten Trenn- platten gebildet werden. Zwischen dem Zuführkanal 4 und dem Eintrittsbereich des Brenngases 13 in die Längskanäle über dem aktiven Bereich 12 ist eine Verteilerzone 7 gebildet, in der sich das durch den Zuführkanal 4 zugeführte Brenngas auf die einzelnen Längskanäle aufteilt.
Auf der entgegengesetzten Seite des aktiven Bereichs 12 enden die Längskanäle und das als Abgas austretende, reagierte Brenngas wird in einer Sammelzone 8 zusammengeführt und über den Ableitkanal 5 abgeführt. Auf der anderen Seite des BrennstoffZellenelements 2, in der Darstellung von Figur 1 auf der Unterseite, wird Oxidationsmittel 15, im einfachsten Fall Luft, über die Unterseite des aktiven Bereichs 12 geführt. Die Strömungsrichtung des Oxida- tionsmittels verläuft dabei in gleicher Richtung wie das Brenngas 13.
Durch die seitliche Anordnung des Zuführkanals 4 und. des Ableitkanals 5 sind die angrenzenden Seiten des Brennstoffzel- lenelements 2 frei für eine externe Zuführung des Oxidations- mittels 15, dessen Strömung nicht durch dort verlaufende Kanäle behindert wird, wie dies bei einer eingangs beschriebenen Anordnung nach dem Stand der Technik der Fall wäre . Das Oxidationsmittel 15 verläßt das Brennstoffzellenelement auf der entgegengesetzten Seite als Abluft 16.
In der Verteilerzone 7 sowie der Sammelzone 8 werden Brenngas und Luft sehr eng, nur durch eine dünne Schicht Material getrennt, aneinander vorbei geführt. Da zudem die Flächen der Verteilerzone 7 und der Sammelzone 8 verhältnismäßig groß sind, wird eine Wärmetauscherfunktion erreicht, so daß sich die unterschiedlichen Temperaturen beider Gasströme aneinander angleichen können. Dadurch wird im Brennstoffzellenstapel eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht, das heißt es werden unerwünschte thermomechanische Spannungen vermindert. Die Angleichung der Temperatur erfolgt im Bereich der Verteilerzone 7 und der Sammelzone 8, die wesentlich unempfindlicher sind als der aktive Bereich 12 eines Brennstoffzel- 1enelernents 2.
Die Flächen der Verteilerzone 7 und der Sammelzone 8 können unabhängig von der aktiven Fläche 12 des Brennstoffelements 2 gewählt werden. Damit kann die oben beschriebene Wärmetauscherfunktion bzw. Kühlerfunktion vergrößert werden, ohne die Anströmung der aktiven Fläche 12 zu verschlechtern. Dies ist ein Vorteil gegenüber bekannten Konstruktionen. In der Figur 2 ist eine konkretere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist an seiner Oberseite aufgeschnitten, so daß die unter einem Brennstoffzellenelement 2 liegende Trennplatte 3 sichtbar ist. Auf der Trennplatte 3 sind an der oberen Seite Langskanale 6 gebildet, durch die das Brenngas 13 geleitet wird und das den Brennstoffzellenstapel als Abgas 14 wieder verläßt.
Eine Verteilerzone 7 ist in der Ausführung von Figur 2 dadurch gebildet, daß beabstandet von den Enden der Längskanäle 6 ein Steg 17 vorgesehen ist, der den Bereich zwischen den Enden der Längskanäle 6 und dem Rand der Trennplatte 3 begrenzt. Durch den Zuführkanal 4 einströmendes Brenngas 13 kann sich in der Verteilerzone 7 auf die einzelnen Längskanäle 6 aufteilen. Die Verteilerzone 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel so ausgeführt, daß sie sich entlang den Enden der Längskanäle verjüngt, wodurch sich eine verbesserte Druckverteilung ergibt. Die Oberseite der Trennplatte 3 ist so profiliert, daß durch den Zuführkanal 4 eintretendes
Brenngas 13 nicht auf direktem Weg zu dem Ableitkanal 5 strömen kann, sondern dazu die Längskanäle 6 passieren muß.
Auf der anderen Seite der Längskanäle 6 ist eine Sammelzone 8 ausgebildet, die in gleicher Weise wie die Verteilerzone 7 ausgestaltet ist.
Das Oxidationsmittel 15 strömt parallel zur Richtung der Längskanäle 6 auf der anderen' Seite der Trennplatte und damit an dem darunterliegenden Brennstoffzellenelement entlang. Die
Bereiche seitlich der Längskanäle 6, wo sich die Verteilerzone 7 und die Sammelzone 8 befinden, sind verhältnismäßig groß. Dadurch ergeben sich zusätzliche Kühlflächen bzw. Wärmetauscherflächen, da an diesen Flächen das Oxidationsmittel. 15 ebenfalls vorbeiströmt und die in dem Brennstoffzellenelement 2 erzeugte Wärme abführt . Die Figur 3 zeigt eine Trennplatte 3 in einer detaillierten Darstellung. Auf der Oberseite der Trennplatte 3 sind Längskanäle 6 gebildet durch eine Vielzahl von parallelen Nuten. Zwischen dem Zuführkanal 4 und dem Ableitkanal 5 ist die Dik- ke der Trennplatte 3 so vorgesehen, daß das eintretende Gas nicht auf direktem Wege zu dem Ableitkanal 5 strömen kann, da die Trennplatte in diesem Bereich formschlüssig an einem dar- überliegenden Brennstoffzellenelement anliegt. Auf der Unter- seite der Trennplatte ist eine Oxidationsmittelführung 9 vorgesehen, die sich in Richtung der Längskanäle 6 auf der Oberseite der Trennplatte 3 erstreckt. An der Unterseite der Trennplatte liegt natürlich ein anderes Brennstoffzellenelement an, da jedoch alle Trennplatten 3 gleich ausgestattet sind, würde im eingebauten Zustand auf der Oberseite eines auf der Trennplatte 3 aufliegenden BrennstoffZellenelements eine weitere Trennplatte 3 aufliegen, so daß an die andere Seite des BrennstoffZellenelements eine Oxidationsmittelführung 9 angrenzt.
Für die Führung des Oxidationsmittels sind ebenfalls mehrere Kanäle vorgesehen. Dabei ist es günstig, wenn die Trennplatten 3 in dem an den aktiven Bereich 12 angrenzenden Abschnitt wellenförmig ausgebildet sind, so daß die Kanäle für das Brenngas 13 und für das Oxidationsmittel 15 versetzt sind.
Durch diese Ausführung der Kanäle hat das Material der Trennplatten 3 sehr intensiven, flächigen Kontakt mit der aktiven Fläche 12, der durch Abflachungen im Bereich des Kontakts weiter verbessert wird. Dadurch werden Strom und Wärme sehr gut von der Brennstoffzelle 2 abgeleitet, insbesondere besser, als wenn es nur punktförmige oder gitterförmige Auflageflächen gibt. Gleichzeitig werden jedoch die Gasströme in ihrer Eigenschaft als Wärmeträgermedium sehr nahe an die aktive Fläche 12 herangeführt - nämlich nur durch die Materialstärke der Trennplatte 3 getrennt. Dies verbessert die Wärmeübertragung auf die Gasströme. In der Figur 4 ist dargestellt, wie das Brennelement von Figur 3 und ein Brennstoffzellenelement zusammengefügt werden. Dabei ist insbesondere zu erkennen, daß die Durchbrüche in dem Brennstoffzellenelement 2 und der Trennplatte 3 übereinander zu liegen kommen zur Bildung des Zuführkanals 4 und des Ableitkanals 5.
In der Figur 5 ist eine Draufsicht auf eine Trennplatte 3 dargestellt mit eingezeichneter Strömungsrichtung des Brenngases in einer ersten Ausführung. Der Zuführkanal 4 und der Ableitkanal 5 sind dabei an der gleichen Seite der Trennplatte 3 und damit des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Eine alternative Anordnung ist in der Figur 6 gezeigt. Dort sind die zur Bildung des Zuführ- und Ableitkanals vorgesehenen Durchbrüche im Bereich gegenüberliegender Ecken der Trennplatten 3 und der Brennstoffzellenelemente vorgesehen. Diese Anordnung kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn es auf eine sehr gleichmäßige Verteilung der Brenngaskonzentration in dem Brennstoffzellenelement ankommt, da die zurückzulegenden
Wege und die Druckverteilungen bezüglich jedes Längskanals gleich sind.
Eine weitere Alternative für die Anordnung der Durchbrüche ist in der Figur 7 gezeigt. Dort sind die Durchbrüche sowohl für den Zuführkanal 4 als auch für den Ableitkanal 5 auf der Seite der ersten Enden der Längskanäle 6 angeordnet, also da, wo das Brenngas 13 in die Längskanäle 6 einströmt.
Welche der in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Alternativen gewählt wird, hängt von den jeweiligen konstruktiven Anforderungen ab, insbesondere wie die sich außerhalb des Brennstoffzellenstapels befindenden Systemkomponenten angeordnet werden sollen. Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel
2 Brennstoffzellenelement 3 Trennplatte
4 Zuführkanal
5 Ableitkanal
6 Längskanäle
7 Verteilerzone 8 Sammelzone
9 Oxidationsmittelführung
11 Seite des Brennstoffzellenstapels
12 aktiver Bereich eines BrennstoffZellenelements
13 Brenngas 14 Abgas 5 Oxidationsmittel 6 Abluft

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Mehrzahl aufeinandergeschichteter Brennstoffzellenele- mente (2) mit jeweils dazwischen angeordneten Trennplatten
(3), wobei zur Zuführung eines Brenngases (13) mindestens ein innenliegender Zuführkanal (4) und zur Ableitung eines Abgases (14) mindestens ein innenliegender Ableitkanal (5) vorgesehen sind, die sich in Stapelrichtung erstrecken, wobei auf jeweils einer ersten Seite der Brennstoffzellenelemente (2) eine Zuführung des Brenngases (13) und auf der jeweils anderen Seite eine Zuführung eines Oxidationsmittels (15) vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c'h n e t , daß auf der ersten Seite der Brennstoffzellenelemente (2) mehrere parallel verlaufende Längskanäle (6) zur Führung des Brenngases (13), eine Verteilerzone (7), die den Zuführkanal (4) mit den jeweils ersten Enden der Längskanäle (6) verbindet, und - eine Sammelzone (8), die den Ableitkanal (5) mit dem jeweils zweiten Ende der Längskanäle (6) verbindet, vorgesehen sind und auf der zweiten Seite der Brennstoffzellenelemente (2) eine in Richtung der Längskanäle (6) verlaufende Oxidationsmittel- führung (9) gebildet ist, die zu den Seiten des Brennstoff- zellenstapels (1) offen ist zur Zuführung des Oxidationsmittels (15) .
2. Brennstof f zellenstapel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mindestens eine Zuführkanal (4) und der mindestens eine Ableitkanal (5) im Bereich einer Seite (11) des Brennstoffzellenstapels (1) angeordnet sind.
3. Brennstof f zellenstapel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mindestens eine Zuführkanal (4) und der mindestens eine Ableitkanal (5) bezüglich des Brennstof f zellenstapels diago- nal gegenüber angeordnet sind.
4. Brennstof f zellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich die Verteilerzone (7) ausgehend von dem Zuführkanal (4) entlang den ersten Enden der Längskanäle (6) verjüngt und sich die Sammelzone (8) ausgehend von dem Ableitkanal (5) entlang den zweiten Enden der Längskanäle (6) verjüngt.
5. Brennstof f zellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , daß die Verteilerzone (7) und die Sammelzone (8) bezüglich der Brennstof f zellenelemente symmetrisch ausgebildet sind.
6. Brennstof f zellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch die Verteilerzone (7) und die Sammelzone (8) zusätzliche Kühlflächen gebildet sind.
7. Brennstof f zellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Verteilerzone (7) und/oder die Sammelzone (8) Wärmeaustauschflächen gebildet sind, durch die Wärmeenergie zwischen dem Brenngas (13) und dem Oxidationsmittel (15) übertragbar ist.
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