WO2010083788A1 - Wiederholeinheit für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

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channels
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Andreas Reinert
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Staxera Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a repeating unit for a fuel cell stack, having a gas guiding region for guiding a first gas to and along an active surface, wherein there is a barrier in the gas guiding region and the gas guiding region at least over the active surface a plurality of channels for guiding the first gas along the having active area.
  • the invention further relates to a fuel cell stack with a repeating unit according to the invention.
  • the invention further relates to a vehicle with a fuel cell stack, as well as a combined heat and power plant with a fuel cell stack.
  • a fuel cell comprises as essential components a cathode, an anode and a cathode separating the anode from the anode.
  • Cathode, anode and membrane form the so-called membrane electrode unit or MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • the cathode is supplied with an oxidizing gas (typically air) and the anode fuel gas (typically a hydrogen-rich reformate).
  • the fuel gas and the oxidizing gas react with each other, wherein between the anode and the cathode, an electrical voltage is generated.
  • a fuel cell stack can be thoughtfully broken down into a plurality of identical repeating units that are periodically stacked in the stacking direction.
  • the stacking direction is also referred to below as vertical direction or z-direction. It is understood that the stacking direction can have any orientation relative to the earth's surface.
  • FIG. 1 shows a schematized plan view of a repeating unit 10 according to an exemplary embodiment of the prior art.
  • the repeat unit 10 comprises a gas guide area 8 for guiding a first gas 12 and
  • the first gas 12 is air and the active surface 14 is the surface of a cathode layer.
  • the active area 14 is the surface of an anode layer
  • the first gas 12 is a fuel gas.
  • the air 12 enters the gas-guiding region 8 in a uniform, laminar flow through a transverse surface 56 of the gas-guiding region 8.
  • the air 12 continues to flow over the active surface 14.
  • a part of the air 12 reacts with fuel gas, which is supplied to an anode layer, not shown, the Wiederholtechnik 10.
  • the gas guide region 8 can have a large number, in particular in the region of the active surface 14, but also in a region upstream of the active surface 14 and / or downstream in one of the active surface 14 of parallel channels extending in the x-direction 2.
  • Parallel linear channels in the gas guide region 8 result, for example, by design, when the gas guide region 8 to "up" (here: in the z-direction 6) is defined by a corrugated sheet-like bipolar plate, which the illustrated gas guide region 8 from a region for guiding fuel gas to the Anode separates. Upstream of the active surface 14, the gas guide region 8 has a barrier 16.
  • the barrier 16 may be formed, for example, by a channel (manifold) running in the z-direction 6 for guiding fuel gas.
  • the manifold may be a collection or distribution channel formed by bipolar plates and gaskets.
  • the barrier 16 has a flow shadow extending from it in the x-direction 2. This means that with uniform flow of the gas guide region 8 on the transverse surface 56 with air 12, the flow field in the region behind the barrier 16 and in particular on the active surface 14 is no longer uniform. In the flow shadow of the barrier 16, the current density of the air 12 is lower, as indicated schematically in the drawing by the smaller of the three flow arrows 12 in the gas guide region 8.
  • a second barrier 18 Downstream of the active surface 14 is located in the gas guide region 8, a second barrier 18, in front of which the incoming air 12 accumulates.
  • the gas barrier 18 thus creates a congestion area, within which the current density of the air 12 is lower than it would be in the absence of the barrier 18.
  • the most uniform possible distribution of current on the active surface 14 is desirable.
  • it is to be expected that the efficiency of a fuel cell can be optimized by a uniform as possible current distribution on the active surface on the other hand, a uniform flow of the different areas of the active surface 14 leads to a more homogeneous temperature distribution on the active surface and possibly in entire fuel cell stack. Thermal stresses in the fuel cell stack can thus be avoided or at least reduced.
  • the current density of the air 12 should not be significantly lower at least in a central area of the active area than in the outer areas of the air active area 14.
  • the repeat unit according to the invention builds on the generic state of the art in that at least one first channel of the plurality of channels in a first point closest to the barrier defines a first flow direction and in a second point a second flow direction, one through the first Point running, parallel to the first flow direction first straight line misses the barrier, while a running through the second point, parallel to the second flow direction second straight line hits the barrier.
  • the first channel thus runs at least in sections within a flow shadow or a congestion zone of the barrier.
  • the channel is adapted to "branch off" flowing gas from a region where there is a relatively high current density . It can be provided that the first point and the second point lie within or outside a flow shadow of the barrier. Alternatively it can be provided that the first and the second point are within or outside a storage zone of the barrier.
  • the barrier may be located upstream and / or downstream of the active area. If it is arranged upstream, it may be particularly advantageous for the first point to be located upstream of the second point. If, on the other hand, the barrier is arranged downstream of the active surface, it may be particularly advantageous for the first point to be arranged downstream of the second point.
  • a cross-sectional area of the first channel projects completely onto the barrier in a direction perpendicular to the cross-sectional area. In this way, it can be achieved that the first channel, at least in the region of the - A -
  • Cross-sectional area is arranged completely in the flow shadow of the barrier or in a storage zone of the barrier.
  • At least the first channel extends beyond the active area. Also in the area of the active area, this can result in an improved gas distribution. It is even possible that at least the first channel extends beyond the entire fuel cell to which the first channel is assigned.
  • the active area may be a partial area of a membrane electrode unit; In this case it can be provided that at least the first channel extends beyond the membrane electrode unit.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the active area is the area of the electrolyte covered by both electrodes.
  • the total area is the electrolyte area in the case of an electrolyte-supported fuel cell (ESC) and the anode area in the case of an anode-supported fuel cell (ASC, anode supported cell).
  • the first channel may extend beyond the total area of the MEA.
  • the channels can in particular run streamlined. That is, none of the channels has corners or "kinks". In other words, the direction of each of the channels changes steadily along the channel in question. Turbulence and consequent frictional losses in the channels can be reduced.
  • the barrier may comprise at least a portion of a conduit for guiding a second gas.
  • the line can be provided in particular for guiding fuel gas to or from an anode of the fuel cell stack.
  • the conduit may be formed as a manifold perpendicular to the plane of the active area.
  • the active area may be the active area of a cathode.
  • the first gas may be, for example, air or another oxygen-containing gas.
  • the repeat unit can be designed for a uniform laminar flow of the gas guide region with the first gas.
  • the channels can be gas-tight against each other. Alternatively, however, the channels can also be designed as open grooves, trenches or channels. It may be provided that the plurality of channels comprises a second channel and a third channel, and a first edge of the active area for both the second channel and the third channel represents a nearest edge of the active area, the third channel extends closer to the first edge and has a smaller cross-sectional area than the second channel. The edge-closer third channel thus has a smaller cross-sectional area than the second channel, which leads to a lower gas throughput and thus to a lower cooling of an edge region of the active surface. A uniform temperature distribution on the active surface can thus be favored.
  • the channels can also be shaped such that when the gas flow region flows uniformly with the first gas through each of the channels, the same amount of first gas flows. A particularly uniform use of different areas of the active area can thus be achieved.
  • the channels are at least partially defined by a bipolar plate.
  • the bipolar plate is thus used not only to produce an electrical contact between two adjacent fuel cells of the fuel cell stack, but also to provide the channels.
  • the fuel cell stack according to the invention is characterized in that it comprises at least one repeat unit according to the invention.
  • the vehicle according to the invention is provided with a fuel cell stack according to the invention.
  • the vehicle may in particular be a motor vehicle, for example a car or a truck.
  • the combined heat and power plant according to the invention also comprises a fuel cell stack according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a first repeating unit
  • Figure 2 is a schematic plan view of a second repeating unit
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through the second repeating unit along a first straight line
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through the second repeating unit along a second straight line.
  • the repeat unit 10 shown schematically in FIG. 2 has an active surface 14 and a gas-guiding region 8.
  • the gas guide region 8 is provided to guide oxidizing gas 12, eg air, to and along the active surface 14. Upstream of the active surface 14 are located in the gas guide region 8, a first barrier 16 and a second barrier 17. Downstream of the active surface 14 are located in the gas guide region 8, a third barrier 18 and a fourth barrier 19.
  • the barriers 16, 17, 18 and 19 are each formed by a manifold for guiding fuel gas in a direction perpendicular to the image plane (the xy-plane 2, 4) extending direction (the z-direction 6).
  • Each of the barriers 16, 17, 18, 19 constitutes a flow obstruction, in the sense that it prevents linear flow of the oxidant gas 12 along the x-direction active surface.
  • Non-linear channels 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 for guiding the oxidizing gas 12 along the active surface 14 are arranged on the active surface 14.
  • the channels 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 are shaped so that, compared to a straight (linear) channel arrangement as is known in the art, the active area 14 is more uniform Oxidation gas 12 is supplied.
  • the channel 26 leads into a region of the active surface 14, which would be underserved in a conventional, ie linear, design of the flow field.
  • the improved supply of the active surface 14 in a central portion of the channel 26 can be explained by the fact that the two free ends of the channel 26 are not arranged directly behind the first barrier 16 or directly in front of the third barrier 18, but in areas next to the first first barrier 16 and the third barrier 18, where a higher current density is expected.
  • the course of the channel 26 relative to the first barrier 16 can be described in more detail as follows. In a point 46 closest to the barrier 16, the first channel 26 defines a first flow direction. In a second point 48, the channel 26 defines a second flow direction. One missed by the first point 46 running parallel to the first flow direction first straight line the barrier 16, while a running through the second point 48 to the second flow direction parallel second straight line 52 hits the barrier 16.
  • the course of the channel 26 with respect to the third barrier 18 can be described analogously.
  • the active surface 14 is rectangular and in particular has a lower edge 54. Since it can be expected that, with approximately uniform flow of the active surface 14, the center of the active surface 14 will be heated to a greater degree than edge regions of the active surface 14, it may be advantageous for channels close to the edge (eg the channels 20, 22) to have a smaller cross-section and thus have a lower cooling capacity than further from the edge 54 remote channels (eg, the channels 24, 26, 28, 30, 32, 34).
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through the repeating unit 10 along the line CD from FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a corresponding cross section of the repeating unit 10 along the line AD from FIG. 2.
  • the active surface 14 already explained with reference to FIG The surface of a cathode layer 38.
  • the cathode layer 38 forms, together with an anode layer 42 and a membrane 40 lying between the cathode layer 38 and the anode layer 42, a membrane electrode unit (MEA) 44.
  • MEA 44 associated with the repeat unit 10 is in electrical contact via a bipolar plate 36 an MEA 144 of an adjacent repeat unit, which is not fully illustrated in the figure.
  • the MEA 144 is identical to the MEA 44.
  • the bipolar plate 36 In cross-section along the line CD (see Figure 3), the bipolar plate 36 extends undulating in the y-direction 4. It defines the channels 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32nd 34 for guiding the oxidizing gas 12 (see FIG. 2) as well as channels 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33 for guiding fuel gas along an active surface of the anode layer 142.
  • CD In cross section CD (FIG the channels for guiding oxidizing gas 20 to 34 and the channels for guiding fuel gas 21 to 33 equidistant and have the same cross sections.
  • the channels 20 to 26 and the channels 28 to 34 each form a group of channels, which are separated by the channel 27, the width of which corresponds approximately to the width of the visible in Figure 2 barrier 16.
  • the course of the oxidizing gas passages 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 is strong with the passage of the fuel gas passages 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33 correlated, since the oxidation gas channels are interconnected to a certain extent with the fuel gas channels.
  • top,””bottom,””left,””right,””vertical,” and “horizontal” designate where they are used only relative positions or relative orientations of components of the described subject matter. These terms do not indicate a position or orientation with respect to a body or frame of reference not mentioned in the application, in particular not with respect to the earth's surface.
  • MEA Membrane Electrode Unit
  • MEA Membrane Electrode Unit

Abstract

Eine Wiederholeinheit (10) für einen Brennstoff zellenstapel enthaltend eine Membrane lektrodeneinheit und eine Bipolarplatte weist einen Gasführungsbereich (8) zum Führen eines ersten Gases (12) zu und entlang einer aktiven Fläche (14) auf. Im Gasführungsbereich befindet sich eine Barriere (16). Der Gasführungsbereich weist zumindest über der aktiven Fläche eine Vielzahl von Kanälen (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) zur Führung des ersten Gases entlang der aktiven Fläche auf. Zumindest ein erster Kanal (26) aus der Vielzahl von Kanälen definiert in einem der Barriere am nächsten liegenden ersten Punkt (46) eine erste Strömungsrichtung und in einem zweiten Punkt (48) eine zweite Strömungsrichtung, wobei eine durch den ersten Punkt (46) verlaufende, zur ersten Strömungsrichtung parallele erste Gerade (50) die Barriere (16) verfehlt, während eine durch den zweiten Punkt (48) verlaufende, zur zweiten Strömungsrichtung parallele zweite Gerade (52) die Barriere trifft. Die Barriere (16) kann stromaufwärts oder stromabwärts der aktiven Fläche (14) angeordnet sein.

Description

Wiederholeinheit für einen Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft eine Wiederholeinheit für einen Brennstoffzellenstapel, mit einem Gasführungsbereich zum Führen eines ersten Gases zu und entlang einer aktiven Fläche, wobei sich im Gasführungsbereich eine Barriere befindet und der Gasführungsbereich zumindest über der aktiven Fläche eine Vielzahl von Kanälen zur Führung des ersten Gases entlang der aktiven Fläche aufweist.
Die Erfindung betrifft des weiteren einen Brennstoffzellenstapel mit einer erfindungsgemäßen Wiederholeinheit.
Die Erfindung betrifft des weiteren ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel, so- wie eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit einem Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellen dienen ähnlich wie Batterien der Umwandlung chemischer in elektrischer Energie. Eine Brennstoffzelle umfasst als wesentliche Komponenten eine Kathode, eine Anode sowie eine die Kathode von der Anode trennende Membran. Kathode, Anode und Membran bilden die sogenannte Membranelektrodeneinheit oder MEA (Membrane Electrode Assembly). Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Kathode ein Oxidationsgas (typischerweise Luft) und der Anode Brenngas (typischerweise ein wasserstoffreiches Reformat) zugeführt. Das Brenngas und das Oxidationsgas reagieren miteinander, wobei zwischen der Anode und der Kathode eine elektrische Spannung entsteht. Da diese Spannung im Allgemeinen gering ist (typischerweise unter 1 Volt), ist es üblich, eine Vielzahl von Brennstoffzellen elektrisch in Serie zu schalten. Eine derartige Serienschaltung wird durch einen sogenannten Brennstoffzellenstapel verwirklicht. Ein Brennstoffzellenstapel kann gedanklich zerlegt werden in mehrere identische Wiederholeinheiten, die in Stapelrichtung periodisch aufeinandergestapelt sind.
Die Stapelrichtung wird im Folgenden auch als vertikale Richtung oder z-Richtung bezeichnet. Dabei versteht es sich, dass die Stapelrichtung jede beliebige Orientierung relativ zur Erdoberfläche haben kann.
Figur 1 zeigt eine schematisierte Draufsicht auf eine Wiederholeinheit 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Standes der Technik. Die Wiederholeinheit 10 umfasst einen Gasführungsbereich 8 zum Führen eines ersten Gases 12 zu und ent- lang einer aktiven Fläche 14. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das erste Gas 12 Luft, und die aktive Fläche 14 ist die Oberfläche einer Kathodenschicht. In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform ist die aktive Fläche 14 die Oberfläche einer Anodenschicht, und das erste Gas 12 ist ein Brenngas. Die Luft 12 tritt in einer uniformen, laminaren Strömung durch eine Querfläche 56 des Gasführungsbereiches 8 in den Gasführungsbereich 8 ein. Die Luft 12 strömt weiter über die aktive Fläche 14. Dabei reagiert ein Teil der Luft 12 mit Brenngas, das einer nicht dargestellten Anodenschicht der Wiederholeinheit 10 zugeführt wird. Verbleibende Luft 12 verlässt den Gasführungsbereich 8 durch eine zweite Querfläche 58 des Gasführungsbereiches 8. Der Gasführungsbereich 8 kann insbesondere im Bereich der aktiven Fläche 14, aber auch in einem der aktiven Fläche 14 vorgelagerten und/oder in einem der aktiven Fläche 14 nachgelagerten Bereich eine Vielzahl von parallelen sich in x-Richtung 2 erstreckenden Kanälen aufweisen. Parallele lineare Kanäle im Gasführungsbereich 8 ergeben sich beispielsweise konstruktionsbedingt dann, wenn der Gasführungsbereich 8 nach "oben" (hier: in z-Richtung 6) durch eine wellblechähnliche Bipolarplatte definiert wird, welche den dargestellten Gasführungsbereich 8 von einem Bereich zur Führung von Brenngas an die Anode trennt. Stromaufwärts der aktiven Fläche 14 weist der Gasführungsbereich 8 eine Barriere 16 auf. Die Barriere 16 kann beispielsweise durch einen in z-Richtung 6 verlaufenden Kanal (Manifold) zur Führung von Brenngas gebil- det sein. Das Manifold kann insbesondere ein von Bipolarplatten und Dichtungen aufgespannter Sammel- oder Verteilerkanal sein. Die Barriere 16 weist einen sich von ihr in x-Richtung 2 erstreckenden Strömungsschatten auf. Dies bedeutet, dass bei gleichmäßiger Beströmung des Gasführungsbereiches 8 auf der Querfläche 56 mit Luft 12 das Strömungsfeld im Bereich hinter der Barriere 16 und insbesondere auf der aktiven Fläche 14 nicht mehr uniform ist. Im Strömungsschatten der Barriere 16 ist die Stromdichte der Luft 12 geringer, wie in der Zeichnung schematisch durch den kleineren der drei Strömungspfeile 12 im Gasführungsbereich 8 angedeutet wird. Stromabwärts der aktiven Fläche 14 befindet sich im Gasführungsbereich 8 eine zweite Barriere 18, vor der sich die anströmende Luft 12 staut. Die Gasbarriere 18 erzeugt somit einen Stau- bereich, innerhalb dessen die Stromdichte der Luft 12 geringer ist als sie es bei Nicht- vorhandensein der Barriere 18 wäre. Grundsätzlich ist jedoch eine möglichst uniforme Stromverteilung auf der aktiven Fläche 14 wünschenswert. Zum Einen ist zu erwarten, dass der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle durch eine möglichst uniforme Stromverteilung auf der aktiven Fläche optimiert werden kann, zum Anderen führt eine gleich- mäßige Beströmung der verschiedenen Bereiche der aktiven Fläche 14 zu einer homogeneren Temperaturverteilung auf der aktiven Fläche und möglicherweise im gesamten Brennstoffzellenstapel. Thermische Spannungen im Brennstoffzellenstapel können somit vermieden oder zumindest verringert werden. Da die herangeführte Luft 12 insbesondere die aktive Fläche 14 sowie eine angrenzende oder benachbarte Bipolarplatte (siehe Figuren 3 und 4) kühlt, sollte zumindest in einem zentralen Bereich der aktiven Fläche 14 die Stromdichte der Luft 12 nicht signifikant niedriger sein als in Au- ßenbereichen der aktiven Fläche 14.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Wiederholeinheit derart weiterzubilden, dass eine Unterbeströmung eines zentralen Bereichs der aktiven Fläche vermieden wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch die charakteristischen Merkmale von Anspruch 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Wiederholeinheit baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass zumindest ein erster Kanal aus der Vielzahl von Kanälen in einem der Barriere am nächsten liegenden ersten Punkt eine erste Strömungsrichtung und in einem zweiten Punkt eine zweite Strömungsrichtung definiert, wobei eine durch den ersten Punkt laufende, zur ersten Strömungsrichtung parallele erste Gerade die Barriere verfehlt, während eine durch den zweiten Punkt laufende, zur zweiten Strömungsrichtung parallele zweite Gerade die Barriere trifft. Der erste Kanal verläuft somit zumindest abschnittsweise innerhalb eines Strömungsschattens beziehungsweise einer Stauzone der Barriere. Dadurch, dass der erste Kanal in einem der Barriere am nächsten liegenden Punkt (d.h., dem ersten Punkt) nicht auf die Barriere gerichtet ist, ist der Kanal dazu geeignet, strömendes Gas aus einem Bereich "abzuzweigen", in dem eine relativ hohe Stromdichte besteht. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Punkt und der zweite Punkt innerhalb bzw. außerhalb eines Strömungsschattens der Barriere liegen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Punkt innerhalb bzw. außerhalb einer Stauzone der Barriere liegen.
Die Barriere kann stromaufwärts oder/und stromabwärts der aktiven Fläche angeordnet sein. Ist sie stromaufwärts angeordnet, so kann besonders vorteilhaft sein, dass der erste Punkt stromaufwärts des zweiten Punktes liegt. Ist die Barriere hingegen stromabwärts der aktiven Fläche angeordnet, so kann besonders vorteilhaft sein, dass der erste Punkt stromabwärts des zweiten Punkts angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Querschnittsfläche des ersten Kanals in einer zu der Querschnittsfläche senkrechten Richtung vollständig auf die Barriere projiziert. Hierdurch kann erreicht werden, dass der erste Kanal zumindest im Bereich der ge- - A -
nannten Querschnittsfläche vollständig im Strömungsschatten der Barriere bzw. in einer Stauzone der Barriere angeordnet ist.
Es ist möglich, dass sich zumindest der erste Kanal über die aktive Fläche hinaus er- streckt. Auch im Bereich der aktiven Fläche kann sich hierdurch eine verbesserte Gasverteilung ergeben. Es ist sogar möglich, dass sich zumindest der erste Kanal über die gesamte Brennstoffzelle, der der erste Kanal zugeordnet ist, hinauserstreckt.
Die aktive Fläche kann eine Teilfläche einer Membranelektrodeneinheit sein; in diesem Fall kann vorgesehen sein, dass sich zumindest der erste Kanal über die Membranelektrodeneinheit hinaus erstreckt. Bei einer Membranelektrodeneinheit (MEA) unterscheidet man zwischen der aktiven Fläche und der Gesamtfläche der MEA. Die aktive Fläche ist die Fläche des Elektrolyten, die von beiden Elektroden bedeckt ist. Die Gesamtfläche ist bei einer elektrolytgetragenen Brennstoffzelle (ESC, electrolyte suppor- ted cell) die Elektrolytfläche und bei einer anodengetragenen Brennstoffzelle (ASC, anode supported cell) die Anodenfläche. Der erste Kanal kann sich insbesondere über die Gesamtfläche der MEA hinauserstrecken.
Die Kanäle können insbesondere stromlinienförmig verlaufen. Das heißt, keiner der Kanäle weist Ecken oder "Knicke" auf. In anderen Worten ändert sich die Richtung eines jeden der Kanäle stetig entlang des betreffenden Kanals. Turbulenzen und dadurch bedingte Reibungsverluste in den Kanälen können so vermindert werden.
Die Barriere kann zumindest einen Abschnitt einer Leitung zur Führung eines zweiten Gases aufweisen. Die Leitung kann insbesondere zur Führung von Brenngas zu oder von einer Anode des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sein. Die Leitung kann beispielsweise als senkrecht zu der Ebene der aktiven Fläche verlaufendes Manifold ausgebildet sein.
Die aktive Fläche kann die aktive Fläche einer Kathode sein. In diesem Fall kann das erste Gas beispielsweise Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas sein.
Die Wiederholeinheit kann für eine uniforme laminare Anströmung des Gasführungsbereiches mit dem ersten Gas ausgelegt sein.
Die Kanäle können gegeneinander gasdicht sein. Alternativ können die Kanäle aber auch als offene Furchen, Gräben oder Rinnen ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Vielzahl der Kanäle einen zweiten Kanal und einen dritten Kanal umfasst und ein erster Rand der aktiven Fläche sowohl für den zweiten Kanal als auch für den dritten Kanal einen am nächsten liegenden Rand der aktiven Fläche darstellt, wobei der dritte Kanal näher an dem ersten Rand verläuft und eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der zweite Kanal. Der randnähere dritte Kanal hat somit eine kleinere Querschnittsfläche als der zweite Kanal, was zu einem geringeren Gasdurchsatz führt und somit zu einer geringeren Kühlung eines Randbereiches der aktiven Fläche. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der aktiven Fläche kann somit begünstigt werden.
Die Kanäle können aber auch derart geformt sein, dass bei uniformer Anströmung des Gasführungsbereiches mit erstem Gas durch jeden der Kanäle die gleiche Menge an erstem Gas strömt. Eine besonders gleichmäßige Nutzung verschiedener Bereiche der aktiven Fläche kann somit erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kanäle zumindest teilweise durch eine Bipolarplatte definiert. Die Bipolarplatte wird somit nicht nur zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen des Brenn- stoffzellenstapels genutzt, sondern auch zur Bereitstellung der Kanäle.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest eine erfindungsgemäße Wiederholeinheit aufweist.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel versehen. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug, zum Beispiel ein PKW oder ein LKW sein.
Die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage umfasst ebenfalls einen erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstapel.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei bezeichnen oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten. Solche Komponenten werden zur Vermeidung von Wiederholungen zumindest teilweise nur einmal erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Wiederholeinheit;
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Wiederholeinheit;
Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch die zweite Wiederholeinheit entlang einer ersten Geraden;
Figur 4 einen schematischen Querschnitt durch die zweite Wiederholeinheit entlang einer zweiten Geraden.
Die in Figur 2 schematisch dargestellte Wiederholeinheit 10 weist eine aktive Fläche 14 sowie einen Gasführungsbereich 8 auf. Der Gasführungsbereich 8 ist dazu vorgesehen, Oxidationsgas 12, z.B. Luft, zu und entlang der aktiven Fläche 14 zu führen. Stromaufwärts der aktiven Fläche 14 befinden sich im Gasführungsbereich 8 eine erste Barriere 16 und eine zweite Barriere 17. Stromabwärts der aktiven Fläche 14 befinden sich im Gasführungsbereich 8 eine dritte Barriere 18 sowie eine vierte Barriere 19. Die Barrieren 16, 17, 18 und 19 werden jeweils durch ein Manifold zur Führung von Brenngas in einer senkrecht zur Bildebene (der xy-Ebene 2, 4) verlaufenden Richtung (der z- Richtung 6) gebildet. Jede einzelne der Barrieren 16, 17, 18, 19 stellt ein Strömungshindernis dar, in dem Sinne, dass es ein geradliniges Strömen des Oxidationsgases 12 entlang der aktiven Fläche in der x-Richtung verhindert. Auf der aktiven Fläche 14 sind nichtlineare Kanäle 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 zur Führung des Oxidationsgases 12 entlang der aktiven Fläche 14 angeordnet. Die Kanäle 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 sind so geformt, dass im Vergleich zu einer Anordnung mit geraden (linearen) Kanälen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, die aktive Fläche 14 gleichmäßiger mit Oxidationsgas 12 versorgt wird. Insbesondere der Kanal 26 führt in einen Bereich der aktiven Fläche 14, der bei einer herkömmlichen, d.h. linearen, Gestaltung des Strömungsfeldes unterversorgt bliebe. Die verbesserte Versorgung der aktiven Fläche 14 in einem mittleren Abschnitt des Kanals 26 ist dadurch zu erklären, dass die beiden freien Enden des Kanals 26 nicht unmittelbar hinter der ersten Barriere 16 bzw. unmittelbar vor der dritten Barriere 18 angeordnet sind, sondern in Bereichen neben der ersten Barriere 16 bzw. der dritten Barriere 18, wo eine höhere Stromdichte zu erwarten ist. Der Verlauf des Kanals 26 relativ zur ersten Barriere 16 lässt sich genauer wie folgt beschreiben. In einem der Barriere 16 am nächsten liegenden Punkt 46 definiert der erste Kanal 26 eine erste Strömungsrichtung. In einem zweiten Punkt 48 definiert der Kanal 26 eine zweite Strömungsrichtung. Dabei verfehlt eine durch den ersten Punkt 46 laufende zur ersten Strömungsrichtung parallele erste Gerade die Barriere 16, während eine durch den zweiten Punkt 48 laufende zur zweiten Strömungsrichtung parallele zweite Gerade 52 die Barriere 16 trifft. Der Verlauf des Kanals 26 im Hinblick auf die dritte Barriere 18 lässt sich analog beschreiben.
Die aktive Fläche 14 ist rechteckig und weist insbesondere einen unteren Rand 54 auf. Da zu erwarten ist, dass sich bei annähernd gleichmäßiger Beströmung der aktiven Fläche 14 das Zentrum der aktiven Fläche 14 stärker erhitzt als Randbereiche der aktiven Fläche 14, kann es vorteilhaft sein, dass randnahe Kanäle (z.B. die Kanäle 20, 22) einen geringeren Querschnitt und damit eine geringere Kühlleistung haben als weiter vom Rand 54 entfernte Kanäle (z.B. die Kanäle 24, 26, 28, 30, 32, 34).
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Wiederholeinheit 10 entlang der Linie CD aus Figur 2. Figur 4 zeigt einen entsprechenden Querschnitt der Wieder- holeinheit 10 entlang der Linie AD aus Figur 2. Die bereits unter Bezugnahme auf Figur 2 erläuterte aktive Fläche 14 ist die Oberfläche einer Kathodenschicht 38. Die Kathodenschicht 38 bildet zusammen mit einer Anodenschicht 42 und einer zwischen der Kathodenschicht 38 und der Anodenschicht 42 liegenden Membran 40 eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 44. Die der Wiederholeinheit 10 zugeordnete MEA 44 steht über eine Bipolarplatte 36 in elektrischem Kontakt mit einer MEA 144 einer benachbarten Wiederholeinheit, welche in der Figur nicht vollständig dargestellt ist. Die MEA 144 ist identisch zur MEA 44. Im Querschnitt entlang der Linie CD (siehe Figur 3) erstreckt sich die Bipolarplatte 36 wellenförmig in y-Richtung 4. Dabei definiert sie die Kanäle 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 zur Führung des Oxidationsgases 12 (siehe Figur 2) so- wie Kanäle 21 , 23, 25, 27, 29, 31 , 33 zur Führung von Brenngas entlang einer aktiven Fläche der Anodenschicht 142. Im Querschnitt CD (Figur 3) sind sowohl die Kanäle zur Führung von Oxidationsgas 20 bis 34 als auch die Kanäle zur Führung von Brenngas 21 bis 33 äquidistant und weisen gleiche Querschnitte auf. Im Querschnitt AD (Figur 4) hingegen bilden die Kanäle 20 bis 26 sowie die Kanäle 28 bis 34 jeweils eine Gruppe von Kanälen, die durch den Kanal 27, dessen Breite in etwa der Breite der in Figur 2 sichtbaren Barriere 16 entspricht, getrennt sind.
Bei dem unter Bezugnahme auf Figuren 3 und 4 beschriebenen Aufbau ist der Verlauf der Oxidationsgaskanäle 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 stark mit dem Verlauf der Brenngaskanäle 21 , 23, 25, 27, 29, 31 , 33 korreliert, da die Oxidationsgaskanäle gewissermaßen mit den Brenngaskanälen verzahnt sind. Alternativ ist es jedoch auch möglich, einen Gasführungsbereich zur Führung des Brenngases entlang der Anode 142 völlig unabhängig von der Form des zur Führung von Oxidationsgas 12 vorgeseh- nen Gasführungsbereiches 8 zu gestalten.
Begriffe wie "oben", "unten", "links", "rechts", "vertikal" und "horizontal" bezeichnen, wo sie verwendet werden, lediglich Relativpositionen bzw. Relativorientierungen von Komponenten des beschriebenen Gegenstandes. Diese Begriffe bezeichnen keine Position oder Orientierung bezüglich eines in der Anmeldung nicht erwähnten Körpers oder Bezugssystems, insbesondere nicht bezüglich der Erdoberfläche.
Bezugszeichen:
2 x-Richtung
4 y-Richtung
6 z-Richtung
8 Gasführungsbereich
10 Wiederholeinheit
12 Gas
14 aktive Fläche
16 Barriere
17 Barriere
18 Barriere
19 Barriere
20 Kanal
22 Kanal
24 Kanal
26 Kanal
28 Kanal
30 Kanal
32 Kanal
34 Kanal
36 Bipolarplatte
38 Kathode
40 Membran
42 Anode
44 Membran-Elektroden-Einheit (MEA)
46 Punkt
48 Punkt
50 Gerade
52 Gerade
54 Rand
56 Querfläche
58 Querfläche
136 Bipolarplatte
138 Kathode 140 Membran
142 Anode
144 Membran-Elektroden-Einheit (MEA)

Claims

ANSPRÜCHE
1. Wiederholeinheit (10) für einen Brennstoffzellenstapel, mit einem Gasführungsbereich (8) zum Führen eines ersten Gases (12) zu und entlang einer aktiven Fläche (14), wobei sich im Gasführungsbereich eine Barriere (16) befindet und der Gasführungsbereich zumindest über der aktiven Fläche eine Vielzahl von Kanälen (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) zur Führung des ersten Gases entlang der aktiven Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Kanal (26) aus der Vielzahl von Kanälen in einem der Barriere am nächsten liegenden ersten Punkt (46) eine erste Strömungsrichtung und in einem zweiten Punkt (48) eine zweite Strömungsrichtung definiert, wobei eine durch den ersten Punkt (46) laufende, zur ersten Strömungsrichtung parallele erste Gerade (50) die Barriere (16) verfehlt, während eine durch den zweiten Punkt (48) laufende, zur zweiten Strömungsrichtung parallele zweite Gerade (52) die Barriere (16) trifft.
2. Wiederholeinheit (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere (16) stromaufwärts oder/und stromabwärts der aktiven Fläche (14) angeordnet ist.
3. Wiederholeinheit (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des ersten Kanals (26) in einer zu der Querschnittsfläche senkrechten Richtung (52) vollständig auf die Barriere (16) projiziert.
4. Wiederholeinheit (10) gemäß Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest der erste Kanal (26) über die aktive Fläche (14) hinaus erstreckt.
5. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die aktive Fläche (14) eine Teilfläche einer Membranelektrodeneinheit
(44) ist und sich zumindest der erste Kanal (26) über die Membranelektrodeneinheit (44) hinaus erstreckt.
6. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kanäle (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) stromlinienförmig verlaufen.
7. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere (16) zumindest einen Abschnitt einer Leitung zur Führung eines zweiten Gases aufweist.
8. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche (14) eine aktive Fläche einer Kathode (38) ist.
9. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholeinheit (10) für eine uniforme laminare Anströmung des Gasführungsbereiches (8) mit dem ersten Gas (12) ausgelegt ist.
10. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) gegeneinander gasdicht sind.
11. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Kanäle (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) einen zweiten Kanal (22) und einen dritten Kanal (20) umfasst und ein erster Rand (54) der aktiven Fläche (14) sowohl für den zweiten Kanal (22) also auch für den dritten Kanal (20) ei- nen am nächsten liegenden Rand der aktiven Fläche (14) darstellt, wobei der dritte Kanal (20) näher an dem ersten Rand (14) verläuft und eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der zweite Kanal (22).
12. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kanäle (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) derart geformt sind, dass bei uniformer Anströmung des Gasführungsbereiches (8) mit erstem Gas (12) durch jeden der Kanäle die gleiche Menge an erstem Gas (12) pro Zeiteinheit strömt.
13. Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kanäle (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) zumindest teilweise durch eine Bipolarplatte (36) definiert werden.
14. Brennstoffzellenstapel mit einer Wiederholeinheit (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 14.
16. Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit einem Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 14.
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