WO2014060078A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2014060078A1 PCT/EP2013/003031 EP2013003031W WO2014060078A1 WO 2014060078 A1 WO2014060078 A1 WO 2014060078A1 EP 2013003031 W EP2013003031 W EP 2013003031W WO 2014060078 A1 WO2014060078 A1 WO 2014060078A1
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Philipp Hausmann
Matthias Jesse
Cosimo Mazzotta
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art also relates to a fuel cell system with such a fuel cell stack.
  • Fuel cell stacks or fuel cell stacks from a multiplicity of individual cells are generally known as the usual structure of fuel cells.
  • the fuel cell stack is formed from a larger number of substantially prismatic individual cells, which are stacked to the stack, or which consist of substantially prismatic items, which are completed only in the fuel cell stack to the actual single cell.
  • This structure is well known, for example, in PEM fuel cells, wherein each of the
  • MEA membrane electrode assembly
  • the anode flow field has a plurality of channels that carry hydrogen to the anode while the cathode flow field
  • the educts used also produce product water which is produced at the individual electrodes and must be removed via the flow fields. The greater part of the product water is formed on the cathode side, but also On the anode side, a certain amount of product water must be removed.
  • the object of the present invention is now a
  • the anode flow fields and / or the cathode flow fields are not provided with an outlet channel for the medium on their side facing downwards in the intended use, which runs in the stacking direction through the fuel cell stack, but are open, ie open on the corresponding side edge opposite an adjacent one Flow field arranged space. The so formed perpendicular to the stacking direction open
  • Product water favors because the water can emerge directly on the corresponding side edge of the flow field, without having to continue to flow through a line running in the stacking direction first.
  • the spaces facing the open flow fields / the open flow field / space is formed as a liquid separator or opens into such.
  • the liquid separator is then arranged in the direction of gravity below the intended use and ideally embodied in the fuel cell stack with integrated. This results in a simple and compact construction of the fuel cell stack.
  • an integrated drainage line the liquid separator which communicates with the anode flow fields in connection with the liquid separator, which with the cathode flow fields in
  • Connection stands, connects. By such a drainage line, the
  • Liquid separators be interconnected. This drainage line is also integrated in the fuel cell stack, so that it after the
  • Liquid separator ideally the larger liquid separator of
  • Cathode side used to collect all the water. This can then be discharged via a common line and a corresponding valve, for example, from time to time, depending on the level or the like.
  • a common line and a corresponding valve for example, from time to time, depending on the level or the like.
  • Fuel cell stack may be provided that the stacked single cells are bounded on at least one side by an end plate, wherein the at least one end plate extends in the stacking direction next to both the stacked individual cells and parallel to the stacked single cells.
  • Such an end plate of the fuel cell stack may be formed in this particularly favorable embodiment of the fuel cell stack according to the invention with an approximately L-shaped contour. It forms on one side of the fuel cell stack whose lateral boundary and also extends at least partially parallel to the
  • Fuel cell stack achieved with minimal effort in terms of its support.
  • the part of the at least one end plate extending parallel to the stacked individual cells comprises the space (s) which are in communication with the open sides of the flow fields.
  • the spaces provided for collecting the exhaust gas and / or the exhaust air and the product water contained therein may be in the parallel to the stacked individual cells extending part of End plate to be integrated. This results in a particularly simple, compact and effective construction of the fuel cell stack.
  • the spaces can thus be connected to a liquid separator or designed as such, wherein this is arranged within the parallel to the stacked individual cells extending portion of the end plate at the lowest point in the intended use.
  • the water can be ideally collected in this area.
  • one of the end plates in particular in the intended use upper part of the end plate, a gas jet pump for recirculation of anode exhaust gas.
  • a gas jet pump for recirculation of anode exhaust gas.
  • Anode exhaust gas may advantageously be formed integrated in the end plate.
  • a gas jet pump is disposed in the end plate with the part extending parallel to the stacked single cells, an integrated recirculation line in the end plate extending from the region where the anode flow fields are open to the gas jet pump, and the recirculation line being in the
  • Liquid separator is connected.
  • a recirculation line can be integrated into the end plate, which first at an angle to the stacking direction along the stack and then perpendicular to
  • End plate goes up. Together with the integrated gas jet pump so the entire anode recirculation can be integrated into the end plate.
  • the recirculation line always has a direction of gravity extending direction component in the intended use, ie first obliquely upward and then, for example, runs vertically upwards, can rest with the
  • Liquid separator runs back, which is connected at the lowest point of the recirculation line with this.
  • liquid separator can thus additionally a
  • Deposition can be realized in the recirculation line. This is particularly advantageous since, especially in the recirculated anode exhaust gas comparatively much water is present in relation to the volume flow and there by this water in the
  • Anodenströmungsfeldern gas channels can be easily blocked, especially in partial load operation of the fuel cell, when the freshly supplied fuel flow is relatively small. In particular, in these situations is the most ideal separation of water in the smallest possible space, as it
  • inventive design of the end plate can be achieved, of particular advantage.
  • the fuel cell stack is aligned in an intended use with respect to at least one of the spatial directions perpendicular to the stacking direction at an angle of more than 10 °, preferably about 17 ° with respect to the horizontal.
  • the fuel cell stack can thus be arranged, for example, on an edge in the fuel cell system according to the invention, or also, in each case at an angle in both perpendicular to the
  • Stacking direction spatial directions for example, on a corner, emanating from a substantially prismatic stack.
  • Such an arrangement can additionally support the flow of water with the aid of gravity, with an angle of more than 10 °, in particular approximately 17 °, to the test conditions and empirical values customarily used in vehicles Regarding inclinations, inclinations of the vehicle, etc. is received. Even with a typically assumed maximum tilt of the vehicle by 17 ° can still be implemented by a corresponding tilting of the fuel cell stack a drain with the aid of gravity, since the
  • Fuel cell stack is in turn tilted accordingly in the fuel cell system, so that an inclination of the vehicle is at least compensated by the tilting.
  • the fuel cell stack has an end plate with integrated gas jet pump.
  • the gas jet pump is arranged in the intended use of the fuel cell stack in the upper end plate in the stacking direction. This arrangement of the gas jet pump in the in
  • Stacking direction upper end plate ensures that liquid from the gas jet pump in the direction of the stack or the recirculation line runs, so that the risk that the gas jet pump is impaired by liquid water in their function or blocked, can be prevented.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system in a vehicle
  • FIG. 2 is a sectional view through a single cell in a fuel cell stack
  • FIG. Fig. 3 is a principle sectional view through the cathode side of
  • Fig. 4 is a view of a cathode flow field in a sectional view through the
  • Fig. 5 is a view of an anode flow field in a sectional view through the
  • Fuel cell stack In the illustration of Figure 1, a fuel cell system 1 can be seen in a schematic representation. The fuel cell system 1 should be arranged in an indicated motor vehicle 2 and should be used in this for the provision of electrical drive power. The fuel cell system 1 is in
  • a fuel cell stack or fuel cell stack 3 which is constructed as a stack of individual PEM fuel cells. Each of these individual cells 26 has an anode region and a cathode region, so that the fuel cell stack 3 also comprises a cathode space 4 and an anode space 5.
  • a cooling heat exchanger 6 is provided for the removal of waste heat. This is part of a very simplified illustrated cooling circuit 7 of the
  • Fuel cell system 1 which emits conventional vehicle via a radiator 8 waste heat to the environment of the vehicle 2.
  • the cooling circuit 7 also has a
  • Coolant conveyor 9 and a further heat exchanger 10 This is part of a later-described intercooler 11.
  • the anode chamber 5 of the fuel cell stack 3 is supplied with hydrogen as educt from a compressed gas reservoir 12. Via a metering and pressure control device 13, the hydrogen enters the region of the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3. Unconsumed hydrogen can be removed from the anode compartment 5 via a so-called anode recirculation 14 and via a recirculation conveyor 15
  • Anode space can be recycled together with fresh hydrogen.
  • Recirculation conveyor 15 is designed as a gas jet pump.
  • a water separator 16 is typically provided, via which accumulating liquid water is discharged either continuously or from time to time.
  • accumulating liquid water is discharged either continuously or from time to time.
  • Water separator 16 and / or independently of this a so-called purge valve 20 and a discharge line 25 may be arranged in the anode circuit 14. This can be discharged from time to time sufficient nitrogen to keep the hydrogen concentration in the anode circuit 5 at a constant high level for the functionality of the fuel cell stack 3.
  • the cathode compartment 4 of the fuel cell stack 3 air is supplied as an oxygen supplier.
  • the air passes through an air filter 17, an air conveyor 8 and the already mentioned intercooler 11 and a humidifier 19 in the
  • Hollow fiber membranes can be formed on the air flowing from the intercooler 11 to the cathode compartment 4 incoming air and moisturizes them.
  • the exhaust air passes to the humidifier 19 via a turbine 22 back to the environment.
  • the turbine 22 relaxes the exhaust air while using the residual heat and pressure energy still contained in the exhaust air in order to at least partially recover it.
  • an optional burner could also be provided in order to control the energy yield in the turbine 22, in particular in certain
  • the turbine 22 is arranged together with the air conveyor 18 on a common shaft, so that the recovered power can directly support the drive of the air conveyor 18 with. Since the recovered power is typically not sufficient to fully drive the air conveyor 18 in regular operation, an electric machine 23 is additionally arranged on the shaft.
  • the overall structure is referred to as a so-called electric turbocharger 24 or ETC (Electric Turbo Charger).
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the required additional capacity of the air conveyor 18 can be provided. If, in certain situations, more power is available in the region of the turbine 22 than is required by the air conveyor 18, then the electric machine 23 can also be operated as a generator to feed electric power into the vehicle electrical system 2.
  • the previously described fuel cell system 1 in the vehicle 2 corresponds to the principle of a fuel cell system 1, as is known from the prior art. It may have alternative variants in addition to the described embodiments, for example, by dispensing with the anode circuit 14 or the Intercooler 11 does not cool via the cooling circuit 7, but via the exhaust air to the humidifier 19. Comparable alternative embodiments are also known from the prior art and, of course, can likewise be used for the embodiments of the fuel cell system 1 according to the invention shown below.
  • each of the individual cells 26 has a so-called core in the core
  • Membrane electrode assembly 27 which in the center a
  • an anode flow field 31 is arranged on the anode side and a cathode flow field 32 is arranged on the cathode side.
  • the flow fields 31, 32 each have channels 33, which are supplied with the respective educt, ie on the anode side of hydrogen (H 2 ) and on the cathode side air, as an oxygen supplier. Through the channels 33 is through the respective flow money 31, 32 a uniform distribution of the educts on the
  • each of a cooling medium (K) flowed through areas 34 are arranged before the respective
  • Flow field 31, 32 of the adjacent single cell 26 follows. This structure described here is to be understood purely as an example. Suitable alternatives are conceivable, for example flow fields which are integrated on so-called bipolar plates together with coolant channels in such a way that they form the anode flow field on one side and the cathode flow field on the other side.
  • the individual cells 26 are then correspondingly in the fuel cell stack 3
  • FIG. 3 A principle sectional view can be seen in Figure 3, wherein the section has been made here so that it shows the anode side of the fuel cell stack 3 with respect to the guided in it media closer.
  • the cathode side is constructed analogously, so that below the operating principle of the fuel cell stack 3 is described only on the anode side. The construction of the cathode side is clear to the skilled person from this.
  • the fuel cell stack 3 is placed on an edge 35, so that there is an angle between the designated stacking direction S and the horizontal designated W in the intended use of the fuel cell stack 3 in the fuel cell system 1.
  • the angle can be in particular 17 °, so that at a usually assumed as the maximum inclination of the vehicle 2 in the direction of travel and / or transversely to 17 °, an at least horizontal orientation of the fuel cell stack 3 is given, what its special functionality, as it later is described in more detail, guaranteed even in this situation.
  • the angle between the horizontal W and the stacking direction S is selected such that the gas jet pump 15 indicated at the top right in FIG. 3 is arranged as a recirculation conveyor in intended use above, so that clogging of the gas jet pump 5 by water can be prevented reliably and reliably can.
  • the individual cells 26 only the anode spaces 5 which are open in this section and are formed alternately by the channels 33 of the anode flow fields 31 are indicated in each case in the illustration of FIG. 3.
  • FIG. 4 shows this
  • Cathode flow field is, as can be seen in the illustration of Figure 4, thereby constructed so that in its upper region an air inlet 36, a coolant inlet 37 and a hydrogen inlet 38 is arranged. Through these openings of the media inlets 36, 37, 38, the corresponding media can flow in the stacking direction S of the fuel cell stack 3 through the stack of individual cells 26.
  • a cathode seal 39 can be seen, which only as a seal 39 or in
  • This region has a liquid separator which forms the water separator 21 according to the exemplary embodiment of FIG.
  • a coolant outlet 42 and anode-side water separator 16 can be seen.
  • the cathode seal 39 is designed so that the exhaust air can only get into the region of the water separator 21 together with the resulting product water during the
  • Water separator 16 and the environment of the fuel cell stack 3 via the cathode seal 39 against the channels 33 in the cathode flow field 32 is sealed accordingly.
  • FIG. 5 a corresponding view of the anode flow field 31 with its channels 33 can now be seen analogously thereto.
  • the structure essentially corresponds to that of the cathode flow field 32, wherein here via a
  • Anode seal 43 of the air inlet 36 and the coolant inlet 37 are sealed against the channels 33 of the anode flow field 31, during the
  • Hydrogen inlet 38 communicates with them.
  • this On its intended use downwardly facing side of the anode flow field 31 this is again formed open and opens directly perpendicular to the stacking direction in the already described Wasserabscheider 31 in the stacking direction extending part 40 of the end plate 41.
  • the anode seal 43 is accordingly also formed open in this area so that water from the anode flow field 31 in the
  • Run off water separator 16 can be taken there by the exhaust gas.
  • the flow fields 31, 32 open at the bottom open into a space 44 which opens into the water separator 16.
  • the walls of the space 44 are also obliquely -ideally also with 17 ° - formed, so that a drainage of the emerging from the open side edges of the anode flow fields 31 water in the direction of the water separator 16 in each case
  • the fuel cell stack 3 in this case has the already mentioned end plate 41, which has the space 44 and the water separator 16 in a stacking direction S extending part 40 of the end plate 41.
  • the end plate has, in a manner known per se, a part 45 lying transversely to the stacking direction next to the stack of individual cells. In this part 45 of the end plate 41, for example, the already mentioned gas jet pump 15 is integrated.
  • a recirculation line 46 of the anode recirculation 14 is also integrated into the end plate 41. This runs starting from its deepest region in which it opens into the water separator 16, first obliquely to the stacking direction S upwards, then perpendicular to the stacking direction S to the intake of
  • Freeing droplets which, according to gravity, run counter to the flow direction of the exhaust gas through the recirculation line 46 and collect there in the region of the water separator 16.
  • the recirculation line 46 thus always results in a directional component within the recirculation line 46, which runs in the direction of gravity g, so that the water can still run in this area ideal and can collect in the water 16.
  • a propellant gas flow line 47 may be integrated into the end plate 41. This can in the illustration of Figure 3 in its lower part with the
  • Pressure gas storage 12 and its pressure control device to be connected. It leads through the end plate 41, so that the hydrogen from the compressed gas storage 12 as
  • Propellant gas flow in its temperature of the temperature of the fuel cell stack 3 due to the relatively high heat capacity of the fuel cell stack 3 and in particular its end plate 41 can adjust. Thereafter, the propellant gas stream flows from the propellant gas flow line 47 via a metering valve 48, which may be part of the already mentioned pressure regulating and metering device 13, for example, as a propulsion jet into the gas jet pump 15 and ensures by means of negative pressure and momentum exchange that the exhaust gas stream of the fuel cell stack 3 sucked in via the recirculation line 46 is fed back to the anode chambers 5 again.
  • a metering valve 48 which may be part of the already mentioned pressure regulating and metering device 13, for example, as a propulsion jet into the gas jet pump 15 and ensures by means of negative pressure and momentum exchange that the exhaust gas stream of the fuel cell stack 3 sucked in via the recirculation line 46 is fed back to the anode chambers 5 again.
  • the end plate 41 with the parallel to the stacking direction S extending part 40 can be ideally used to stiffen the fuel cell stack and mechanically stabilize.
  • the end plate 41 can also be used to stack the individual cells 26 of the fuel cell stack 3 directly on the end plate 41 and then this example, via tension bands (not shown) to the
  • a valve device 48 may be provided, which may comprise a valve for water and / or the purge valve 20.
  • the water may, for example, be discharged into the environment and / or flow into the water separator 21 of the cathode side, as indicated principally by a principally arranged drainage line 49 within the portion 40 of the end plate 41 in the illustrations of FIGS.
  • the discharge line 25 for removing the exhaust gas from the anode circuit 14 may preferably lead into the region of the supply air to the cathode chambers 4, so that any residual hydrogen in the exhaust gas on the cathode of the cathode 28 is oxidized together with the oxygen in the air and rendered harmless.
  • the discharge line 25 is indicated in principle within the end plate 41, and extends there into a region 50 which it communicates with the air inlets 36 of the
  • Fuel cell stack 3 connects accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (3) mit einer Vielzahl von Einzelzellen (26), welche jeweils ein Anodenströmungsfeld (31), eine Membranelektrodenanordnung (27) sowie ein Kathodenströmungsfeld (32) umfassen, wobei jedes Strömungsfeld (31, 32) einen Medieneinlass (36, 37, 38) und Kanäle (33) zur Medienführung aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenströmungsfelder (31) und/oder die Kathodenströmungsfelder (32) auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach oben gewandten Seite den Medieneinlass (36, 37, 38) aufweist, und auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite offen ausgeführt sind.

Description

Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstacks aus einer Vielzahl von Einzelzellen sind als üblicher Aufbau von Brennstoffzellen allgemein bekannt. Typischerweise wird der Brennstoffzellenstapel dabei aus einer größeren Anzahl von im Wesentlichen prismatisch ausgebildeten Einzelzellen ausgebildet, welche zu dem Stapel aufgestapelt werden, oder welche aus im Wesentlichen prismatischen Einzelteilen bestehen, welche erst in dem Brennstoffzellenstapel zu der eigentlichen Einzelzelle komplettiert werden. Dieser Aufbau ist beispielsweise bei PEM-Brennstoffzellen allgemein bekannt, wobei jede der
Einzelzellen dabei eine sogenannte Membranelektrodenanordnung (MEA) aufweist, welche die Membran sowie zwei Gasdiffusionslagen und Elektroden umfasst. Zur Versorgung dieser Elektroden mit den entsprechenden Edukten ist dabei sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig ein sogenanntes Strömungsfeld bzw. Flow Field vorgesehen. Das Anodenströmungsfeld weist eine Vielzahl von Kanälen auf, welche Wasserstoff zu der Anode führen, während das Kathodenströmungsfeld
dementsprechend eine Vielzahl von Kanälen aufweist, welche Sauerstoff bzw. Luft als Sauerstofflieferant zur Kathode führen.
Beim Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels wird aus
Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt. Neben der elektrischen Energie fällt aus den eingesetzten Edukten außerdem Produktwasser an, welches an den einzelnen Elektroden entsteht und über die Strömungsfelder mit abgeführt werden muss. Der größere Teil des Produktwassers entsteht dabei auf der Kathodenseite, jedoch auch auf der Anodenseite muss eine gewisse Menge an entstehendem Produktwasser abgeführt werden.
Um eine gute Abführung des Produktwassers in allen Betriebssituationen des
Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, versucht beispielsweise der in der DE 10 2006 039 105 A1 beschriebene Aufbau, den Abfluss des Produktwassers durch eine
Schrägstellung der Strömungsfelder des Brennstoffzellenstapels zu verbessern. Dies ist im Prinzip möglich, wobei die in der genannten Schrift beschriebene Stapelung die Problematik aufweist, dass bei einer Schrägstellung eines Fahrzeugs, welches
beispielsweise mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, die Strömungsfelder sehr leicht wieder in eine waagrechte oder annähernd waagrechte Position gelangen, wodurch dann in dieser Betriebssituation der Abfluss von Wasser mittels Unterstützung der Schwerkraft entsprechend gefährdet ist. Eine vergleichbare Ausführungsform ist außerdem aus der JP 201 1 009 137 A bekannt.
Neben der bereits angesprochenen Problematik ist es in beiden Ausführungsformen so, dass die Strömungsfelder in der üblichen Art und Weise auf der einen Seite die
Medieneinlässe und auf der gegenüberliegenden Seite die Medienauslässe aufweisen. Durch das Stapeln der Einzelzellen aufeinander entsteht so ein Medieneinlasskanal für jedes der Edukte, welcher in Stapelrichtung durch den Stapel verläuft und typischerweise oben angeordnet ist, während ein Medienauslassstapel in Stapelrichtung durch die Brennstoffzelle verlaufend idealerweise unten angeordnet ist.
In der Praxis, insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, ist es nun so, dass diese Brennstoffzellenstapel nach wie vor das Problem aufweisen, dass diese sich sehr schlecht entwässern lassen, wodurch innerhalb der Strömungsfelder gelegentlich Kanäle mit Wasser blockiert werden, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Eduktgase führen kann. Dies kann die Performance des Brennstoffzellenstapels nachteilig beeinflussen und kann Einzelzellen aufgrund der in diesem Fall niedrigeren von ihnen erzeugten Spannung schädigen oder schlimmstenfalls umpolen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen
Brennstoffzellenstapel anzugeben, welcher diese erkannten Nachteile vermeidet, und welcher in allen Betriebssituationen und in allen typischerweise beim Einsatz,
beispielsweise in einem Fahrzeug, auftretenden Ausrichtungen des Brennstoffzellenstapels eine sichere und zuverlässige Entwässerung seiner
Strömungsfelder gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den
Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Außerdem löst ein
Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 13 und mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich aus den restlichen abhängigen
Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist es vorgesehen, dass die
Anodenströmungsfelder und/oder die Kathodenströmungsfelder auf ihrer im
bestimmungsgemäßen Einsatz nach oben gewandten Seite den Medieneinlass aufweisen und auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite offen ausgeführt sind. Die Anodenströmungsfelder und/oder die Kathodenströmungsfelder sind erfindungsgemäß auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite nicht mit einem Auslasskanal für das Medium versehen, welcher in Stapelrichtung durch den Brennstoffzellenstapel verläuft, sondern sind offen ausgebildet, also auf der entsprechenden Seitenkante offen gegenüber einem benachbart zum Strömungsfeld angeordneten Raum. Die so senkrecht zur Stapelrichtung offen ausgebildeten
Strömungsfelder ermöglichen es den Abgasen bzw. der Abluft und dem in diesen Gasen enthaltenen Produktwasser unmittelbar aus jedem einzelnen Strömungsfeld in den benachbarten Raum auszutreten. Hierdurch wird auch bei einer entsprechenden
Schrägstellung des Brennstoffzellenstapels die Ableitung von entstehendem
Produktwasser begünstigt, da das Wasser direkt an der entsprechenden Seitenkante des Strömungsfelds austreten kann, ohne zuerst über eine in Stapelrichtung verlaufende Leitung weiterströmen zu müssen.
Im Prinzip kann es dabei ausreichen, entweder die Anodenströmungsfelder oder die Kathodenströmungsfelder in der beschriebenen Art auszubilden, wobei insbesondere die Kathodenströmungsfelder aufgrund der größeren auf der Kathodenseite entstehenden Menge an Produktwasser bevorzugt in der erfindungsgemäßen Art auszubilden sind. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass sowohl die
Anodenströmungsfelder als auch die Kathodenströmungsfelder auf ihrer im
bestimmungsgemäßen Einsatz unten liegenden Seitenkante offen ausgebildet sind. Hierdurch wird eine ideale Entwässerung sowohl der Anodenseite als auch der
Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist es ferner vorgesehen, dass die den offenen Strömungsfeldern/der dem offenen Strömungsfeld zugewandten Räume/zugewandte Raum als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet ist oder in einen solchen mündet. Dieser Aufbau des den offenen
Strömungsfeldern zugewandten Raums als Flüssigkeitsabscheider oder als
strömungsführende Leitung, welche zu einem Flüssigkeitsabscheider führt, ist besonders effizient um die Flüssigkeit nicht nur aus den Strömungsfeldern des
Brennstoffzellenstapels zu entfernen, sondern diese auch aus den Abgasen des
Brennstoffzellenstapels sicher und effizient abzuscheiden. Durch den den offenen Strömungsfeldern benachbarten Raum, welcher sich in seinem Querschnitt idealerweise stark gegenüber dem durchströmbaren Querschnitt der Strömungsfelder erweitert, wird die Strömung beruhigt und flüssige Wassertröpfchen können abregnen. Idealerweise ist dann in Richtung der Schwerkraft unten beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Flüssigkeitsabscheider angeordnet und idealerweise in den Brennstoffzellenstapel mit integriert ausgeführt. Hierdurch entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau des Brennstoffzellenstapels. Durch die Integration des Flüssigkeitsabscheiders in den Brennstoffzellenstapel wird dieser zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel erwärmt und kühlt gemeinsam mit diesem vergleichsweise langsam ab, sodass im Falle einer Auskondensation anfallendes Kondensat in dem Flüssigkeitsabscheider mit
abgeschieden werden kann. Selbst bei Temperaturen in der Umgebung des
Brennstoffzellenstapels unterhalb des Gefrierpunkts bleibt der Flüssigkeitsabscheider und die flüssigkeitsführenden Leitungen noch vergleichsweise lange warm und damit auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts. Hierdurch wird ein frühes Einfrieren des Flüssigkeitsabscheiders und der flüssigkeitsführenden Leitungen verhindert. Das entstehende Kondensat kann somit noch sehr lange aus dem Bereich des
Brennstoffzellenstapels abfließen, sodass die Eisbildung in dem Brennstoffzellenstapel minimiert wird. Um diesen Effekt noch weiter zu verstärken, kann es dabei in einer vorteilhaften
Weiterbildung außerdem vorgesehen sein, das eine integrierte Drainageleitung den Flüssigkeitsabscheider, welcher mit den Anodenströmungsfeldern in Verbindung steht, mit dem Flüssigkeitsabscheider, welcher mit den Kathodenströmungsfeldern in
Verbindung steht, verbindet. Durch eine solche Drainageleitung können die
Flüssigkeitsabscheider untereinander verbunden sein. Auch diese Drainageleitung ist dabei integriert in dem Brennstoffzellenstapel ausgeführt, sodass diese nach dem
Abschalten vergleichsweise lange auf höherer Temperatur verbleibt. Durch die
Verbindung der beiden Flüssigkeitsabscheider untereinander wird einer der
Flüssigkeitsabscheider, idealerweise der größere Flüssigkeitsabscheider der
Kathodenseite verwendet, um das gesamte Wasser zu sammeln. Dieses kann dann über eine gemeinsame Leitung und ein entsprechendes Ventil beispielsweise von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des Füllstands oder dergleichen abgelassen werden. Damit ist nur ein Ventil und eine Steuerstrategie, sowie die dafür gegebenenfalls erforderliche Sensorik, notwendig,
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenstapels kann es vorgesehen sein, dass die aufgestapelten Einzelzellen auf wenigstens einer Seite von einer Endplatte begrenzt werden, wobei die wenigstens eine Endplatte sich in Stapelrichtung sowohl neben den aufgestapelten Einzelzellen als auch parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen erstreckt. Eine solche Endplatte des Brennstoffzellenstapels kann in dieser besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit einer in etwa L-förmigen Kontur ausgebildet sein. Sie bildet auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels dessen seitliche Begrenzung und erstreckt sich außerdem zumindest teilweise parallel zu dem
Brennstoffzellenstapel. Hierdurch wird eine entsprechend hohe Festigkeit des
Brennstoffzellenstapels mit minimalem Aufwand hinsichtlich seiner Abstützung erzielt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dann außerdem vorgesehen sein, dass der sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen erstreckende Teil der wenigstens einen Endplatte den Raum/die Räume, welche mit den offenen Seiten der Strömungsfelder in Verbindung stehen, umfasst. Die zum Sammeln des Abgases und/oder der Abluft sowie des darin enthaltenen Produktwassers vorgesehenen Räume können in den sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen erstreckenden Teil der Endplatte integriert ausgeführt werden. Hierdurch entsteht ein besonders einfacher, kompakter und effektiver Aufbau des Brennstoffzellenstapels.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Idee sieht es dabei vor, dass der sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen erstreckende Teil der wenigstens einen Endplatte wenigstens einen Flüssigkeitsabscheider aufweist, welcher an der im
bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Stelle angeordnet ist. Die Räume können also mit einem Flüssigkeitsabscheider verbunden oder als solcher ausgebildet sein, wobei dieser innerhalb des sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen erstreckenden Teils der Endplatte an der im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Stelle angeordnet ist.
Hierdurch kann unter Ausnutzung der Schwerkraft das Wasser ideal in diesem Bereich gesammelt werden.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee ist es ferner vorgesehen, dass eine der Endplatten, insbesondere im im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Teil der Endplatte, eine Gasstrahlpumpe zur Rezirkulation von Anodenabgas aufweist. Eine solche Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung zur Rezirkulation von
Anodenabgas kann vorteilhafterweise in die Endplatte integriert ausgebildet sein.
In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, dass die
Gasstrahlpumpe in der Endplatte mit dem sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen erstreckenden Teil angeordnet ist, wobei eine integrierte Rezirkulationsleitung in der Endplatte von dem Bereich, in dem die Anodenströmungsfelder offen ausgebildet sind, zu der Gasstrahlpumpe verläuft, und wobei die Rezirkulationsleitung im
bestimmungsgemäßen Einsatz jeweils eine in Richtung der Schwerkraft verlaufende Richtungskomponente aufweist, und an ihrem tiefsten Punkt mit dem
Flüssigkeitsabscheider verbunden ist. Durch die Integration der Gasstrahlpumpe in die Endplatte, welche den parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen verlaufenden Teil aufweist, kann eine Rezirkulationsleitung in die Endplatte integriert werden, welche zuerst in einem Winkel zur Stapelrichtung entlang des Stapels und dann senkrecht zur
Stapelrichtung in dem neben den aufgestapelten Einzelzellen liegenden Teil der
Endplatte nach oben verläuft. Zusammen mit der integrierten Gasstrahlpumpe kann so die gesamte Anodenrezirkulation in die Endplatte integriert werden. Dadurch, dass die Rezirkulationsleitung im bestimmungsgemäßen Einsatz immer eine in Richtung der Schwerkraft verlaufende Richtungskomponente aufweist, also zuerst schräg nach oben und dann beispielsweise senkrecht nach oben verläuft, kann restliches mit dem
rezirkulierten Gasstrom mitgerissenes Wasser durch die Schwerkraft verlangsamt werden, sodass dieses entlang der Wandungen der Rezirkulationsleitung in den
Flüssigkeitsabscheider zurückläuft, welcher im tiefsten Punkt der Rezirkulationsleitung mit dieser verbunden ist. Zusätzlich zur Flüssigkeitsabscheidung in dem in der Endplatte angeordneten Raum und/oder Flüssigkeitsabscheider kann so zusätzlich eine
Abscheidung im Bereich der Rezirkulationsleitung realisiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da vor allem im rezirkulierten Anodenabgas vergleichsweise viel Wasser im Verhältnis zum Volumenstrom vorhanden ist und da durch dieses Wasser in den
Anodenströmungsfeldern Gaskanäle sehr leicht blockiert werden können, insbesondere im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle, wenn der frisch zugeführte Brennstoffstrom vergleichsweise klein ist. Insbesondere in diesen Situationen ist eine möglichst ideale Abscheidung von Wasser auf möglichst kleinem Bauraum, wie es durch den
erfindungsgemäßen Aufbau der Endplatte erzielt werden kann, von besonderem Vorteil.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es nun vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel in einer der beschriebenen
Ausgestaltungsvarianten zum Einsatz kommt. Durch die im bestimmungsgemäßen Gebrauch unten offenen Strömungsfelder lässt sich bereits eine sehr gute Entwässerung des Brennstoffzellenstapels, unabhängig von der Lage eines beispielsweise mit dem Brennstoffzellensystem ausgestalteten Fahrzeugs erzielen, da beispielsweise bei einer senkrechten Ausrichtung der Strömungsfelder leichte Abweichungen von der senkrechten Richtung kaum zu einer Beeinträchtigung der Wirkung der Schwerkraft auf die
Flüssigkeitstropfen führen. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird dieser Aufbau nun dadurch weiter verbessert, dass der Brennstoffzellenstapel im bestimmungsgemäßen Gebrauch bezüglich wenigstens einer der senkrecht auf der Stapelrichtung stehenden Raumrichtungen in einem Winkel von mehr als 10°, bevorzugt ca. 17° gegenüber der Waagrechten ausgerichtet ist. Der Brennstoffzellenstapel kann in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem also beispielsweise auf einer Kante angeordnet sein, oder auch, bei jeweils einem Winkel in beide senkrecht auf der
Stapelrichtung stehenden Raumrichtungen beispielsweise auf einer Ecke, wenn man sinnbildlich von einem im Wesentlichen prismatischen Stapel ausgeht. Eine solche Anordnung kann den Ablauf von Wasser unter Zuhilfenahme der Schwerkraft zusätzlich unterstützen, wobei durch einen Winkel von mehr als 10°, insbesondere ca. 17°, auf die üblicherweise bei Fahrzeugen angewandten Testbedingungen und Erfahrungswerte bezüglich Steigungen, Schräglagen des Fahrzeugs etc. eingegangen wird. Selbst bei einer typischerweise als maximal angenommenen Schräglage des Fahrzeugs um 17° kann durch eine entsprechende Kippung des Brennstoffzellenstapels immer noch ein Ablauf unter Zuhilfenahme der Schwerkraft realisiert werden, da der
Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem wiederum entsprechend gekippt ist, sodass eine Schrägstellung des Fahrzeugs durch die Kippung zumindest ausgeglichen wird.
In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel eine Endplatte mit integrierter Gasstrahlpumpe aufweist. Erfindungsgemäß ist es dann so, dass die Gasstrahlpumpe im bestimmungsgemäßen Einsatz des Brennstoffzellenstapels in der in Stapelrichtung oberen Endplatte angeordnet ist. Diese Anordnung der Gasstrahlpumpe in der in
Stapelrichtung oberen Endplatte gewährleistet, dass Flüssigkeit von der Gasstrahlpumpe in Richtung des Stapels bzw. der Rezirkulationsleitung abläuft, sodass die Gefahr, dass die Gasstrahlpumpe durch flüssiges Wasser in ihrer Funktion beeinträchtigt bzw. blockiert wird, verhindert werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenstapels sowie eines Brennstoffzellensystems mit dem
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine Einzelzelle in einem Brennstoffzellenstapel; Fig. 3 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch die Kathodenseite des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels;
Fig. 4 eine Ansicht eines Kathodenströmungsfelds in einer Schnittdarstellung durch den
Brennstoffzellenstapel; und
Fig. 5 eine Ansicht eines Anodenströmungsfelds in einer Schnittdarstellung durch den
Brennstoffzellenstapel. In der Darstellung der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer schematischen Darstellung zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 soll in einem angedeuteten Kraftfahrzeug 2 angeordnet sein und soll in diesem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 besteht im
Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack 3, welcher als Stapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen aufgebaut ist. Jede dieser Einzelzellen 26 weist dabei einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich auf, sodass auch der Brennstoffzellenstapel 3 einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 umfasst.
Außerdem ist ein Kühlwärmetauscher 6 zur Abfuhr von Abwärme vorgesehen. Dieser ist Teil eines sehr stark vereinfacht dargestellten Kühlkreislaufs 7 des
Brennstoffzellensystems 1 , welcher fahrzeugüblich über einen Kühler 8 Abwärme an die Umgebung des Fahrzeugs 2 abgibt. Der Kühlkreislauf 7 weist außerdem eine
Kühlmittelfördereinrichtung 9 sowie einen weiteren Wärmetauscher 10 auf. Dieser ist Teil eines später noch näher beschriebenen Ladeluftkühlers 11.
Dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3 wird Wasserstoff als Edukt aus einem Druckgasspeicher 12 zugeführt. Über eine Dosier- und Druckregeleinrichtung 13 gelangt der Wasserstoff in den Bereich des Anodenraums 5 des Brennstoffzellenstacks 3. Nicht verbrauchter Wasserstoff kann über eine sogenannte Anodenrezirkulation 14 aus dem Anodenraum 5 abgeführt und über eine Rezirkulationsfördereinrichtung 15 dem
Anodenraum zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt werden. Die
Rezirkulationsfördereinrichtung 15 ist als Gasstrahlpumpe ausgebildet. Im Bereich der Anodenrezirkulation 14 ist dabei typischerweise ein Wasserabscheider 16 vorgesehen, über welchen sich ansammelndes flüssiges Wasser entweder kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit abgeführt wird. Außerdem kann beispielsweise im Bereich des
Wasserabscheiders 16 und/oder auch unabhängig von diesem ein sogenanntes Purge- Ventil 20 und eine Ablassleitung 25 in dem Anodenkreislauf 14 angeordnet sein. Über dieses kann von Zeit zu Zeit sich anreichender Stickstoff abgelassen werden, um die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf 5 auf einem konstant hohen Niveau für die Funktionalität des Brennstoffzellenstacks 3 zu halten.
Dem Kathodenraum 4 des Brennstoffzellenstacks 3 wird Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Luft gelangt über einen Luftfilter 17, eine Luftfördereinrichtung 8 und den bereits angesprochenen Ladeluftkühler 11 sowie einen Befeuchter 19 in den
Kathodenraum 4 des Brennstoffzellenstacks 3. Die nach der Luftfördereinrichtung 18 verdichtete und dadurch aufgeheizte Zuluft wird zuerst mit dem Ladeluftkühler 11 , welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in den Kühlkreislauf 7 mit eingebunden ist, abgekühlt. Die abgekühlte Luft gelangt dann über einen Befeuchter 19, welcher insbesondere als Gas-Gas-Befeuchter ausgebildet ist, in den Bereich des Kathodenraums 4. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit Produktwasser des
Brennstoffzellenstacks 3 beladene Abluft strömt aus dem Kathodenraum 4 über einen Wasserabscheider 21 ab. Sie gelangt in den Befeuchter 19 und gibt in ihr enthaltende Feuchtigkeit durch für Wasserdampf durchlässige Membranen des Befeuchters 19, welcher beispielsweise als Plattenbefeuchter oder als Befeuchter mit
Hohlfasermembranen ausgebildet sein kann, an die von dem Ladeluftkühler 11 zum Kathodenraum 4 strömende Zuluft ab und befeuchtet diese. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt die Abluft nach dem Befeuchter 19 über eine Turbine 22 wieder an die Umgebung. Die Turbine 22 entspannt die Abluft dabei und nutzt dabei die in der Abluft noch enthaltene Restwärme und Druckenergie, um diese zumindest teilweise zurückzugewinnen. Von der Turbine 22 könnte ferner ein optionaler Brenner vorgesehen sein, um die Energieausbeute in der Turbine 22, insbesondere in bestimmten
Betriebsphasen, zu erhöhen.
Die Turbine 22 ist zusammen mit der Luftfördereinrichtung 18 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, sodass die zurückgewonnene Leistung unmittelbar den Antrieb der Luftfördereinrichtung 18 mit unterstützen kann. Da die zurückgewonnene Leistung typischerweise nicht ausreicht, um im regulären Betrieb die Luftfördereinrichtung 18 vollständig anzutreiben, ist auf der Welle zusätzlich eine elektrische Maschine 23 angeordnet. Der Aufbau insgesamt wird als sogenannter elektrischer Turbolader 24 oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die elektrische Maschine 23 im
motorischen Betrieb kann die benötigte weitere Förderleistung der Luftfördereinrichtung 18 bereitgestellt werden. Kommt es in bestimmten Situationen dazu, dass im Bereich der Turbine 22 mehr Leistung zur Verfügung steht, als von der Luftfördereinrichtung 18 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 23 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Leistung in das Bordnetz des Fahrzeugs 2 einzuspeisen.
Das bisher beschriebene Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 entspricht dabei dem Prinzip eines Brennstoffzellensystems 1 , wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es kann neben den beschriebenen Ausführungsvarianten alternative Varianten aufweisen, beispielsweise indem es auf den Anodenkreislauf 14 verzichtet oder den Ladeluftkühler 11 nicht über den Kühlkreislauf 7, sondern über die Abluft nach dem Befeuchter 19 kühlt. Vergleichbare alternative Ausgestaltungen sind ebenso aus dem Stand der Technik bekannt und können für die nachfolgend dargestellten Ausführungen des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der Erfindung selbstverständlich genauso eingesetzt werden.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun ein möglicher Aufbau einer Einzelzelle 26 bzw. eines Ausschnitts aus dem Brennstoffzellenstack 3 in einer detaillierteren Schnittdarstellung zu erkennen. Jede der Einzelzellen 26 weist im Kern eine sogenannte
Membranelektrodenanordnung 27 auf, welche im Zentrum eine
Protonenaustauschmembran 28 sowie jeweils benachbart dazu eine Gasdiffusionslage und Elektrode 29 auf der Anodenseite und eine entsprechende Gasdiffusionslage und
Elektrode 30 auf der Kathodenseite aufweist. Benachbart dazu ist auf der Anodenseite ein Anodenströmungsfeld 31 und auf der Kathodenseite ein Kathodenströmungsfeld 32 angeordnet. Die Strömungsfelder 31, 32 weisen jeweils Kanäle 33 auf, welche mit dem jeweiligen Edukt, also auf der Anodenseite Wasserstoff (H2)und auf der Kathodenseite Luft, als Sauerstofflieferant versorgt werden. Über die Kanäle 33 wird durch das jeweilige Strömungsgeld 31, 32 eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Edukte auf die
IEIektroden 29, 30 erzielt. Benachbart zu den Strömungsfeldern 31, 32 sind jeweils von einem Kühlmedium (K) durchströmte Bereiche 34 angeordnet, bevor das jeweilige
Strömungsfeld 31, 32 der benachbarten Einzelzelle 26 folgt. Dieser hier beschriebene Aufbau ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Es sind entsprechende Alternativen denkbar, beispielsweise Strömungsfelder, welche auf sogenannten Bipolarplatten gemeinsam mit Kühlmittelkanälen so integriert sind, dass sie auf ihrer einen Seite das Anodenströmungsfeld und auf der anderen Seite das Kathodenströmungsfeld ausbilden.
Die Einzelzellen 26 werden dann in dem Brennstoffzellenstack 3 entsprechend
aufgestapelt. Eine prinzipmäßige Schnittdarstellung ist in Figur 3 zu erkennen, wobei der Schnitt hier so ausgeführt worden ist, dass er die Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 3 hinsichtlich der in ihm geführten Medien näher zeigt. Die Kathodenseite ist dabei analog aufgebaut, sodass nachfolgend das Funktionsprinzip des Brennstoffzellenstacks 3 lediglich anhand der Anodenseite beschrieben wird. Der Aufbau der Kathodenseite ergibt sich für den Fachmann hieraus klar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist der Brennstoffzellenstack 3 auf einer Kante 35 aufgestellt, sodass sich ein Winkel zwischen der mit S bezeichneten Stapelrichtung und der mit W bezeichneten Waagrechten im bestimmungsgemäßen Einsatz des Brennstoffzellenstacks 3 in dem Brennstoffzellensystem 1 ergibt. Der Winkel kann dabei insbesondere 17° betragen, sodass bei einer üblicherweise als maximal angenommenen Neigung des Fahrzeugs 2 in Fahrtrichtung und/oder quer dazu von 17° weiterhin eine zumindest waagrechte Ausrichtung des Brennstoffzellenstacks 3 gegeben ist, was dessen besondere Funktionalität, wie es später noch näher beschrieben wird, auch in dieser Situation gewährleistet.
Der Winkel zwischen der Waagrechten W und der Stapelrichtung S ist dabei so gewählt, dass die in der Darstellung der Figur 3 rechts oben angedeutete Gasstrahlpumpe 15 als Rezirkulationsfördereinrichtung im bestimmungsgemäßen Gebrauch oben angeordnet ist, sodass ein Verstopfen der Gasstrahlpumpe 5 durch Wasser sicher und zuverlässig verhindert werden kann. Von den Einzelzellen 26 sind in der Darstellung der Figur 3 lediglich die in diesem Schnitt offenen durch die Kanäle 33 der Anodenströmungsfelder 31 gebildeten Anodenräume 5 sowie abwechselnd dazu jeweils die verschlossen dargestellten Kathodenräume 4 angedeutet.
Die jeweils jeder der Einzelzellen 26 zugeordneten Strömungsfelder sind in den
Darstellungen der Figuren 4 und 5 näher zu erkennen. Figur 4 zeigt dabei das
Kathodenströmungsfeld 32, Figur 5 das Anodenströmungsfeld 31. Das
Kathodenströmungsfeld ist, wie in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen, dabei so aufgebaut, dass in seinem oberen Bereich ein Lufteinlass 36, ein Kühlmitteleinlass 37 und ein Wasserstoffeinlass 38 angeordnet ist. Durch diese Öffnungen der Medieneinlässe 36, 37, 38 können die entsprechenden Medien in Stapelrichtung S des Brennstoffzellenstacks 3 durch den Stapel der Einzelzellen 26 strömen. In der Darstellung der Figur 4 ist dabei eine Kathodendichtung 39 zu erkennen, welche lediglich als Dichtung 39 oder in
Kombination mit entsprechenden Stegen des Kathodenströmungsfelds 32 dafür sorgt, dass der Lufteinlass 36 mit den Kanälen 33 des Kathodenströmungsfelds 32 verbunden ist, während der Kühlmitteleinlass 37 und der Wasserstoffeinlass 38 keine Verbindung mit dem Kathodenströmungsfeld 32 bzw. seinen Kanälen 33 aufweisen. Entlang der Kanäle 33 kann damit die Luft in den Bereich der Kathode sowie der dortigen Gasdiffusionslage 30 gelangen. Unterhalb des Kathodenströmungsfelds 32 ist ein parallel zur Stapelrichtung S
verlaufender Teil 40 einer Endplatte 41 des Brennstoffzellenstacks 3 zu erkennen. Dieser Beriech weist einen Flüssigkeitsabscheider auf, welcher den Wasserabscheider 21 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ausbildet. Daneben ist ein Kühlmittelauslass 42 sowie anodenseitige Wasserabscheider 16 zu erkennen. Die Kathodendichtung 39 ist dabei so ausgeführt, dass die Abluft zusammen mit dem entstehenden Produktwasser lediglich in den Bereich des Wasserabscheiders 21 gelangen kann, während der
Wasserabscheider 16 sowie die Umgebung des Brennstoffzellenstacks 3 über die Kathodendichtung 39 gegenüber den Kanälen 33 in dem Kathodenströmungsfeld 32 entsprechend abgedichtet ist.
In der Darstellung der Figur 5 ist nun analog dazu eine entsprechende Ansicht des Anodenströmungsfelds 31 mit seinen Kanälen 33 zu erkennen. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem des Kathodenströmungsfelds 32, wobei hier über eine
Anodendichtung 43 der Lufteinlass 36 und der Kühlmitteleinlass 37 gegenüber den Kanälen 33 des Anodenströmungsfelds 31 abgedichtet sind, während der
Wasserstoffeinlass 38 mit ihnen in Verbindung steht. Auf deren bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite des Anodenströmungsfelds 31 ist dieses wiederum offen ausgebildet und mündet direkt senkrecht zur Stapelrichtung in den bereits beschriebenen Wasserabscheider 31 in dem in Stapelrichtung verlaufenden Teil 40 der Endplatte 41. Die Anodendichtung 43 ist dementsprechend ebenfalls in diesem Bereich offen ausgebildet, sodass Wasser aus dem Anodenströmungsfeld 31 in den
Wasserabscheider 16 ablaufen bzw. vom Abgas dorthin mitgenommen werden kann.
Betrachtet man den Brennstoffzellenstack 3 wiederum in Figur 3 in der Schnittdarstellung von der Seite, dann ist zu erkennen, dass die nach unten offenen Strömungsfelder 31 , 32 in einen Raum 44 öffnen, welcher in den Wasserabscheider 16 mündet. Die Wandungen des Raums 44 sind dabei ebenfalls schräg -idealerweise ebenfalls mit 17°- ausgebildet, sodass ein Ablaufen des aus den offenen Seitenkanten der Anodenströmungsfelder 31 austretenden Wassers in Richtung des Wasserabscheiders 16 in jedem Fall
gewährleistet ist, auch wenn eine Schrägstellung des Fahrzeugs 2 auftritt.
Dabei ist neben der in Figur 3 dargestellten Schrägstellung, dem auf der Kante 35 aufgestellten Brennstoffzellenstack 3, auch eine zusätzliche Schrägstellung in der Richtung senkrecht dazu möglich. Diese ist in der Darstellung der Figur 5 angedeutet und kann alternativ oder ergänzend zu der in Figur 3 dargestellten Schrägstellung eingesetzt werden. Als Winkel ist jeweils ein Winkel von 17° zu bevorzugen, aus den oben bereits beschriebenen Gründen.
Über den Aufbau, welcher in der Darstellung der Figur 3 zu erkennen ist, wird ein sicherer und zuverlässiger Austrag des Wassers über die im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten offenen Seitenkanten der Anodenströmungsfelder 31 erzielt. Vergleichbares gilt für die Kathodenströmungsfelder 32. Der Brennstoffzellenstapel 3 weist dabei die bereits angesprochene Endplatte 41 auf, welche den Raum 44 und den Wasserabscheider 16 in einem in Stapelrichtung S verlaufenden Teil 40 der Endplatte 41 aufweist. Zusätzlich weist die Endplatte in an sich bekannter Art und Weise einen quer zur Stapelrichtung neben dem Stapel der Einzelzellen liegenden Teil 45 auf. In diesem Teil 45 der Endplatte 41 ist beispielsweise die bereits angesprochene Gasstrahlpumpe 15 integriert. Neben der Gasstrahlpumpe 15 ist außerdem eine Rezirkulationsleitung 46 der Anodenrezirkulation 14 in die Endplatte 41 integriert. Diese verläuft ausgehend von ihrem tiefsten Bereich, in welchem sie in den Wasserabscheider 16 mündet, zuerst schräg zur Stapelrichtung S nach oben, um dann senkrecht zur Stapelrichtung S zum Ansaugbereich der
Gasstrahlpumpe 15 zu führen. In der Rezirkulationsleitung 46 strömendes Anodenabgas wird dadurch aufgrund der Schwerkraft von in ihm eventuell enthaltenen flüssigen
Tröpfchen befreit, welche der Schwerkraft folgend entgegen der Strömungsrichtung des Abgases durch die Rezirkulationsleitung 46 nach unten laufen und sich dort im Bereich des Wasserabscheiders 16 sammeln. Durch diese Anordnung der Rezirkulationsleitung 46 ergibt sich also immer eine Richtungskomponente innerhalb der Rezirkulationsleitung 46, welche in Richtung der Schwerkraft g verläuft, sodass das Wasser auch in diesem Bereich noch ideal ablaufen und sich im Wasserabscheider 16 sammeln kann.
Zusätzlich kann außerdem eine Treibgasstromleitung 47 in die Endplatte 41 integriert sein. Diese kann in der Darstellung der Figur 3 in ihrem unteren Bereich mit dem
Druckgasspeicher 12 bzw. seiner Druckregeleinrichtung verbunden sein. Sie führt durch die Endplatte 41 , sodass der Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 12 als
Treibgasstrom sich in seiner Temperatur der Temperatur des Brennstoffzellenstacks 3 aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmekapazität des Brennstoffzellenstacks 3 und insbesondere seiner Endplatte 41 anpassen kann. Danach strömt der Treibgasstrom aus der Treibgasstromleitung 47 über ein Dosierventil 48, welches beispielsweise ein Teil der bereits angesprochenen Druckregel- und Dosiereinrichtung 13 sein kann, als Treibstrahl in die Gasstrahlpumpe 15 und sorgt über Unterdruck und Impulsaustausch dafür, dass der über die Rezirkulationsleitung 46 angesaugte Abgasstrom des Brennstoffzellenstacks 3 den Anodenräumen 5 wieder zugeführt wird. Durch die Vorwärmung des Wasserstoffs in der Treibgasstromleitung 47 wird die Gefahr einer Kondensation von Feuchte aus dem Anodenabgas im vermischten Gasstrom minimiert.
Die Endplatte 41 mit dem parallel zur Stapelrichtung S verlaufenden Teil 40 lässt sich dabei ideal einsetzen, um den Brennstoffzellenstapel zu versteifen und mechanisch zu stabilisieren. Die Endplatte 41 kann auch eingesetzt werden, um die Einzelzellen 26 des Brennstoffzellenstacks 3 unmittelbar auf der Endplatte 41 entsprechend aufzustapeln und diese dann beispielsweise über Spannbänder (nicht dargestellt) zu dem
Brennstoffzellenstapel 3 zu verspannen.
Neben diesem Aufbau auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 3 existiert in einer parallelen Ebene dazu, beispielsweise vor oder hinter der Schnittdarstellung in der Figur 3, ein vergleichbarer Aufbau der Kathodenseite, wobei hier auf die Rezirkulationsleitung verzichtet wird. Abgas aus dem Anodenraum 5 bzw. der Anodenrezirkulation 14 und Wasser aus dem Wasserabscheider 16 müssen beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit eines Füllstands bzw. einer Stoffkonzentration abgelassen werden. Hierfür kann eine Ventileinrichtung 48 vorgesehen sein, welche ein Ventil für Wasser und/oder das Purgeventil 20 umfassen kann. Das Wasser kann beispielsweise in die Umgebung abgelassen werden und/oder in den Wasserabscheider 21 der Kathodenseite strömen, wie es durch eine prinzipmäßig angeordnete Drainageleitung 49 innerhalb des Teils 40 der Endplatte 41 in den Darstellungen der Figuren 4 und 5 prinzipmäßig angedeutet ist.
Die Ablassleitung 25 zur Abfuhr des Abgases aus dem Anodenkreislauf 14 kann vorzugsweise in den Bereich der Zuluft zu den Kathodenräumen 4 führen, sodass eventueller Restwasserstoff in dem Abgas am Katalysator der Kathode 28 zusammen mit dem Sauerstoff in der Luft oxidiert und unschädlich gemacht wird. In der Darstellung der Figur 3 ist die Ablassleitung 25 prinzipmäßig innerhalb der Endplatte 41 angedeutet, und verläuft dort in einen Bereich 50, welcher sie mit den Lufteinlässen 36 des
Brennstoffzellenstacks 3 entsprechend verbindet.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenstapel (3) mit einer Vielzahl von Einzelzellen (26), welche jeweils ein Anodenströmungsfeld (31), eine Membranelektrodenanordnung (27) sowie ein Kathodenströmungsfeld (32) umfassen, wobei jedes Strömungsfeld (31 , 32) einen Medieneinlass (36, 37, 38) und Kanäle (33) zur Medienführung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodenströmungsfelder (31) und/oder die Kathodenströmungsfelder (32) auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach oben gewandten Seite den
Medieneinlass (36, 37, 38) aufweist, und auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite offen ausgeführt sind.
2. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Membranelektrodenanordnung (27) und den Strömungsfeldern (31 , 32) jeweils Dichtungen (39, 43) angeordnet sind, welche analog zu den
Strömungsfeldern (31 , 32) auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite offen ausgebildet sind.
3. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodenströmungsfelder (31) und die Kathodenströmungsfelder (32) auf ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten gewandten Seite offen ausgeführt sind.
4. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die den offenen Strömungsfeldern/der dem offenen Strömungsfeld zugewandten Räume/zugewandte Raum (44) als Flüssigkeitsabscheider (16, 21) ausgebildet ist, oder in einen sich solchen mündet.
5. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine integrierte Drainageleitung (49) den Flüssigkeitsabscheider (16), welcher mit den Anodenströmungsfeldern (31) in Verbindung steht, mit dem
Flüssigkeitsabscheider (21), welcher mit den Kathodenströmungsfeldern (32) in Verbindung steht, verbindet.
6. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine integrierte Ablassleitung (25) den Raum (44), welcher mit den
Anodenströmungsfeldern (31) in Verbindung steht, mit dem Medieneinlass (36) der Kathodenströmungsfelder (31) verbindet.
7. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die aufgestapelten Einzelzellen (26) auf wenigstens einer Seite von einer Endplatte (41) begrenzt werden, wobei die wenigstens eine Endplatte (41) sich in
Stapelrichtung (S) sowohl neben den aufgestapelten Einzelzellen (26) als auch parallel dazu erstreckt.
8. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 5 oder 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen (26) erstreckende Teil (40) der wenigstens einen Endplatte (30) den Raum (44)/die Räume, welche mit den offenen Seiten der Strömungsfelder (31 , 32) in Verbindung stehen, umfasst.
9. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen (26) erstreckende Teil (40) der wenigstens einen Endplatte (41) wenigstens einen Flüssigkeitsabscheider (16, 21) aufweist, welcher an der im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Stelle angeordnet ist.
10. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 7, 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine der Endplatten (41), insbesondere in im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Teil der Endplatte (41), eine Gasstrahlpumpe (15) zur Rezirkulation von
Anodenabgas aufweist.
11. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gasstrahlpumpe (15) in der Endplatte (41) mit dem sich parallel zu den aufgestapelten Einzelzellen (26) erstreckenden Teil (41) angeordnet ist, wobei eine integrierte Rezirkulationsleitung (46) in der Endplatte (41 ) von dem Bereich, in dem die Anodenströmungsfelder (31) offen ausgebildet sind, zu der Gasstrahlpumpe (15) verläuft, und wobei die Rezirkulationsleitung (46) im bestimmungsgemäßen Einsatz jeweils eine in Richtung der Schwerkraft verlaufende Richtungskomponente aufweist, und an ihrem tiefsten Punkt mit dem Flüssigkeitsabscheider (16) verbunden ist.
12. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 10 oder 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gasstrahlpumpe (15) über eine Treibgasstromleitung (47) mit einem Speicher für Brennstoff, insbesondere einem Druckgasspeicher (12) für Wasserstoff, verbunden ist, wobei die Treibgasstromleitung (47) teilweise durch die Endplatte (41) mit der Gasstrahlpumpe (15) verläuft, und zwar insbesondere so, dass die Treibgasstromleitung (47) auf einer der Gasstrahlpumpe (15) abgewandten Seite in die Endplatte (41) eintritt.
13. Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoffzellenstapel (3) im bestimmungsgemäßen Gebrauch bezüglich wenigstens einer der senkrecht auf der Stapelrichtung (S) stehenden
Raumrichtungen in einem Winkel von mehr als 15°, bevorzugt ca. 17°, gegenüber der Waagrechten (W) ausgerichtet ist.
14. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 13 und mit einem Brennstoffzellenstapel (3), welcher eine Endplatte (41) mit integrierter Gasstrahlpumpe (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Gasstrahlpumpe (15) im bestimmungsgemäßen Einsatz des
Brennstoffzellenstapels (3) in der weiter oben liegenden Endplatte (41) angeordnet ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107592945A (zh) * 2015-01-19 2018-01-16 燃料电池技术中心有限公司 双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2990337B1 (de) * 2014-08-28 2017-10-25 Airbus Operations GmbH Versorgungssystem zur Bereitstellung von mindestens sauerstoffarmer Luft und Wasser in einem Fahrzeug und Flugzeug mit solch einem Versorgungssystem
DE102015215201A1 (de) * 2015-08-10 2017-02-16 Volkswagen Ag Brennstoffzellenstapel mit interner Partikelzurückhaltefunktion sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
JP6565865B2 (ja) * 2016-10-27 2019-08-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび車両
JP7018591B2 (ja) * 2016-12-07 2022-02-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
JP2018097993A (ja) * 2016-12-12 2018-06-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US10581097B2 (en) * 2018-01-16 2020-03-03 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Operating fuel cell vehicles during inclination events
AT521903B1 (de) * 2018-11-27 2021-04-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Rezirkulation von Abgas in einem Brennstoffzellensystem
DE102019201183A1 (de) * 2019-01-30 2020-07-30 Robert Bosch Gmbh Förderaggregat für einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellen-Systems zur Förderung eines gasförmigen Medium
DE102019201170A1 (de) 2019-01-30 2020-07-30 Robert Bosch Gmbh Förderaggregat für einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems zur Förderung eines gasförmigen Medium und Brennstoffzellensystem
DE102019001337B4 (de) 2019-02-26 2024-06-06 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Brennstoffzellenstapel
AU2020296174A1 (en) 2019-06-21 2022-02-03 Alakai Technologies Corporation Lightweight high power density fault-tolerant fuel cell system, method and apparatus for clean fuel electric aircraft
SE2250235A1 (en) * 2022-02-22 2023-08-23 Grimaldi Dev Ab A fuel cell stack arrangement comprising a separating unit, and a method for treatment of cathode intake air using a separating unit
DE102022205131A1 (de) * 2022-05-23 2023-11-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzelleneinheit
CN117638183B (zh) * 2024-01-25 2024-06-07 河南工学院 一种燃料电池封装结构

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10304657A1 (de) * 2002-02-08 2003-09-04 Gen Motors Corp Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
US20040202911A1 (en) * 1999-10-19 2004-10-14 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Full cell stack
WO2005048389A2 (en) * 2003-11-13 2005-05-26 Nissan Motor Co., Ltd. Solid polymer fuel cell
US20070122681A1 (en) * 2005-11-29 2007-05-31 Ming-Zi Hong Direct oxidation fuel cell
EP1852931A1 (de) * 2006-05-03 2007-11-07 Samsung SDI Co., Ltd. Abteiler für eine Brennstoffzelle
DE102006039105A1 (de) 2006-08-19 2008-02-21 Daimler Ag Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit Brennstoffzellensystem
US20100209798A1 (en) * 2009-02-19 2010-08-19 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP2011009137A (ja) 2009-06-29 2011-01-13 Toyota Motor Corp 燃料電池スタック

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4543303A (en) 1982-07-09 1985-09-24 United Technologies Corporation Fuel cell battery with in cell oxidant-product liquid separators
US6794068B2 (en) * 2002-08-29 2004-09-21 General Motors Corporation Fuel cell stack design and method of operation

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040202911A1 (en) * 1999-10-19 2004-10-14 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Full cell stack
DE10304657A1 (de) * 2002-02-08 2003-09-04 Gen Motors Corp Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
WO2005048389A2 (en) * 2003-11-13 2005-05-26 Nissan Motor Co., Ltd. Solid polymer fuel cell
US20070122681A1 (en) * 2005-11-29 2007-05-31 Ming-Zi Hong Direct oxidation fuel cell
EP1852931A1 (de) * 2006-05-03 2007-11-07 Samsung SDI Co., Ltd. Abteiler für eine Brennstoffzelle
DE102006039105A1 (de) 2006-08-19 2008-02-21 Daimler Ag Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit Brennstoffzellensystem
US20100209798A1 (en) * 2009-02-19 2010-08-19 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP2011009137A (ja) 2009-06-29 2011-01-13 Toyota Motor Corp 燃料電池スタック

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107592945A (zh) * 2015-01-19 2018-01-16 燃料电池技术中心有限公司 双极元件的阴极板和用于运行这种阴极板的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20150318562A1 (en) 2015-11-05
US9882230B2 (en) 2018-01-30
DE102012020294A1 (de) 2014-04-17

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