WO2021037477A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

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WO2021037477A1
WO2021037477A1 PCT/EP2020/071643 EP2020071643W WO2021037477A1 WO 2021037477 A1 WO2021037477 A1 WO 2021037477A1 EP 2020071643 W EP2020071643 W EP 2020071643W WO 2021037477 A1 WO2021037477 A1 WO 2021037477A1
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fuel cell
membrane
electrodes
springs
deformation
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PCT/EP2020/071643
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Inventor
Ulrich Berner
Thilo Lehre
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with an anode side and a cathode side, wherein the anode side is flowed through by fuel, in particular H2, and the cathode side is flowed through by air.
  • the invention also relates to the use of the fuel cell for driving an electrically powered vehicle.
  • a corrosion-resistant current collector is disclosed, with a carrier material made of stainless steel and a corrosion coating made of nickel, and a method for producing such a device is described.
  • the current collector is formed by a three-dimensional structure made of stainless steel wire that is seamlessly plated with nickel.
  • the current collector is extremely resistant to corrosion in a carburizing (reducing) atmosphere at high temperatures, especially in the anode compartment of a molten carbonate fuel cell.
  • EP 1 501 144 A1 relates to a corrugated membrane provided with electrodes, which is arranged between two corrugated porous metals.
  • the corrugation creates channels for the two gases on both sides of the corrugated membrane provided with electrodes.
  • the structure shown in EP 1 501 144 A1 is only capable of the tensioning force within a fuel cell stack, which acts in particular in the X direction inadequate forwarding, which is why a collapse of the wave structure is likely.
  • a fuel cell is proposed with an anode side and a cathode side, wherein the anode side is flowed through by fuel, in particular F, and the cathode side is flowed through by air and a membrane having electrodes is arranged between the anode side and the cathode side, the membrane having the electrodes is guided essentially in undulating deformation between springs of a spring arrangement. Due to the larger active area due to the solution proposed according to the invention, a media supply and thus the overall performance are improved. Furthermore, unembossed flat sheets can be used, which means that a very simple and inexpensive construction of a fuel cell stack can be achieved.
  • the electrodes are coated on both sides of the membrane.
  • the fuel cell proposed according to the invention comprises a stack structure which comprises at least a first flat, plate-shaped structure and a further second flat, plate-shaped structure, between which the spring arrangement is arranged.
  • the membrane having electrodes - preferably in coated form - is guided in a wave-like manner between adjacent springs of the spring arrangement.
  • the springs of the spring arrangement are designed as spiral springs which assume an elliptical deformation, a circular deformation or a rectangular or square deformation in the stack structure of the fuel cell.
  • the springs are arranged within the spring arrangement in a periodically recurring sequence. For example, depending on the gas volume penetration in periodic succession circular and elliptical and then again circular channel flow cross-sections are obtained.
  • the spiral springs define channel flow cross-sections in accordance with their deformation.
  • the spiral springs form tubes that are delimited by the individual turns. Depending on the winding system of the individual windings on one another, these tubes are more or less gas-permeable.
  • the membrane having electrodes extends in wave form between the tubes.
  • the membrane having electrodes in the stack structure does not run in a corrugated but in an angled shape, having a first deflection angle and a second deflection angle.
  • the mentioned deflection angles are ideally designed as 90 ° angles.
  • the membrane having the electrodes is designed as a three-layer structure or as a five-layer structure which has additional microporous layers.
  • the stack structure can also have at least two fuel cells arranged one above the other, between which there is air cooling. This can be given, for example, by using the air flow on the cathode side for cooling.
  • flat water cooling can be formed in the stack structure between fuel cells arranged one above the other.
  • an open-pored support structure can be provided, which can be provided, for example, by an expanded metal.
  • water cooling water flows through this and, if air cooling is represented, air.
  • the invention relates to the use of the fuel cell for driving an electrically powered vehicle.
  • the solution proposed according to the invention is characterized in that a previously required bipolar plate, which was formed by previously used embossed metal sheets, can be dispensed with.
  • the solution proposed according to the invention enables fuel cells of simpler construction, since the membrane provided with electrodes is fixed between spring elements, preferably designed as spiral springs, of a spring arrangement.
  • the fluids, F and air are fed through the channels created by the spiral springs to the electrodes on both sides of the membrane.
  • the channels have more or less permeable walls in accordance with the contact between the individual turns of the spiral springs.
  • the media supply and thus the performance of the fuel cell proposed according to the invention are improved by the larger active area.
  • the membrane having electrodes Since the membrane having electrodes is normally installed flat, the inventive guidance of the membrane having electrodes in wave form around the spiral springs of the spring arrangement increases the active area of the membrane having electrodes. Furthermore, the solution proposed according to the invention allows the use of non-embossed, flat, plate-shaped metal sheets, as a result of which a very simple and particularly cost-effective fuel cell stack structure can be implemented.
  • the springs of the spring arrangement in particular designed as spiral springs, can effectively pass on surface forces, in particular compressive forces, which occur in the stack structure of a fuel cell and which act from below or from above.
  • the spiral springs which are preferably used in the context of the spring arrangement, can have identical dimensions or also vary with regard to their diameter. Since the distance between the parallel flat structures, preferably designed as flat sheets, is identical at every point, this can be achieved, for example, by means of elliptically designed spring elements or spiral springs.
  • the flat structures are designed as metal sheets which have a thickness between 50 ⁇ m and 200 ⁇ m, preferably between 50 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the wire diameter of the spiral springs diameters between 20 ⁇ m and 200 ⁇ m are conceivable, preferred 50 mhi to 100 pm.
  • the plate spacing is in the order of magnitude between 50 pm and 1000 pm, preferably between 100 pm and 500 pm.
  • the spiral diameter of the spiral springs used with a circular design in the X and Z directions, corresponds to the plate spacing, while the spiral diameter in the case of an elliptical deformation in the X direction can be one to three times the plate spacing.
  • the membrane having electrodes lies undulating between adjacent spiral springs of the spring arrangement or can also have an angled clamping shape. Surface forces which act on the flat plates can be effectively passed on to the membrane having electrodes, whereby a very low contact resistance between the individual spring elements and the membrane having electrodes can be achieved.
  • Gas channels for the hydrogen and the air run separately on the two sides of the membrane having electrodes through the spiral springs in the Y direction.
  • the channel flow areas can be adapted to the volume flows of the two gases, F and air, by periodically different neighboring spring elements, for example an elliptical deformation, a circular deformation, an elliptical deformation, etc.
  • the previously required embossing of the flat structures is not necessary due to the gas routing in the spiral springs.
  • the area of the membrane with electrodes that is supplied with gas is significantly larger in relation to the plate area due to the 3-D guide, so that the fuel cell stack can be dimensioned smaller with the same output.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a fuel cell
  • FIG. 2 a PEM fuel cell with embossed metal sheets
  • FIG. 3 shows the schematic diagram of a spring arrangement with spiral springs arranged next to one another
  • FIG. 4 shows a spiral spring arrangement between two flat metal sheets under compressive force
  • Figure 5.1 a membrane having electrodes guided in wave form between adjacent spring elements
  • Figure 5.2 a membrane having electrodes in an angular guidance between two adjacent spring elements
  • FIG. 6 shows a three-layer structure of a membrane having electrodes and a five-layer structure of a membrane having electrodes
  • FIG. 7 shows a fuel cell stack arrangement with two fuel cells arranged one above the other.
  • FIG. 1 shows a fuel cell 10, on the anode side 12 of which a number of F channels 14 are implemented.
  • a membrane 20 extends between the anode side 12 and a cathode side 21.
  • the membrane 20 comprises a first catalyst layer 18 facing the anode side 12, which is preferably applied as a coating.
  • the cathode side 21 there are O2 channels 28, furthermore a second gas diffusion layer 26 and the second catalyst layer 24, which, for example, can also be applied to the membrane 20 as a coating.
  • the combination of the two catalyst layers 18 and 24 with the membrane 20 is also referred to as a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the fuel cell 10 as shown in FIG. 1 is connected to a load 30 via a line 32 shown schematically.
  • FIG. 2 shows a PEM fuel cell which has bipolar plates 56.
  • FIG. 2 shows a stack structure 40 made up of two fuel cells 10.
  • the stack structure 40 comprises cooling channels 42 running between the two superposed fuel cells 10.
  • a first embossed structure 44 for example an embossed sheet metal, includes channels 46 on the anode side.
  • the channels 46 on the anode side correspond to the H2 channels 14 shown in FIG Stack structure 40 a second embossed structure 48.
  • the first embossed structure 44 and the second embossed structure 48 together form a bipolar plate 56.
  • the second embossed structure 48 comprises cathode-side channels 50.
  • the cathode-side channels 50 also correspond to the O2 channels 28, as shown in FIG Connection with Figure 1 are described.
  • Reference number 52 denotes a gas diffusion layer on the anode
  • position 54 denotes a gas diffusion layer arranged on the cathode side.
  • the gas diffusion layer 52 on the anode side corresponds to the first gas diffusion layer 16 according to FIG. 1; the gas diffusion layer 54 arranged on the cathode side corresponds to the second gas diffusion layer 26, as shown in FIG. Embodiments of the invention
  • FIG. 3 shows a first flat structure 64, for example designed as a flat plate-shaped sheet metal.
  • a spring arrangement 60 which comprises a number of springs 70, 72, 73.
  • three springs 70, 72, 73 lying next to one another are shown in the X-Y-Z coordinate system, which are designed as spiral springs.
  • the individual springs 70, 72, 73 are made from a spring wire 62.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a stack structure.
  • the illustration according to FIG. 4 shows that two adjacent springs 70, 72 of the spring arrangement 60, designed as spiral springs, are arranged between the first flat structure 64 and the second flat structure 66.
  • the two flat structures 64, 66 can have an essentially plate-shaped appearance and run parallel to one another.
  • the two flat structures 64, 66 are acted upon by a compressive force 68 which is applied within a stack structure 40 as shown in FIG.
  • Both springs 70, 72 lying next to one another and extending into the plane of the drawing are designed as spiral springs and have an essentially circular deformation 77.
  • a Y direction runs perpendicular to the plane of the drawing.
  • FIG. 5.1 shows a wave-shaped arrangement of a membrane having electrodes.
  • the elliptical deformation 76 arises from the elastic deformation of the springs 70, 72, both preferably designed as spiral springs.
  • the two adjacent springs 70, 72 preferably designed as spiral springs, extend in the Y direction 84, ie perpendicular to the plane of the drawing, and counteract the application of the pressure force 68 with a reaction force 79, as indicated by the arrows.
  • Both cross-sections of the springs 70, 72 which are preferably designed as spiral springs and which are arranged adjacent to one another, serve as channel flow cross-section 88 for O2 and H2, respectively.
  • the channel flow cross-sections 88 are dimensioned larger than the cross-sections given by the first spring 70 and the second spring 72, respectively.
  • a gas duct for H2 is marked with reference numeral 80 and correspondingly as hatching.
  • a corresponding gas channel for O2 is shown by reference numeral 82 and corresponding hatching in the opposite direction.
  • the two gas channels 80 and 82 are separated from one another by the wave-shaped deformed membrane 74.
  • the two flat structures 64 and 66 arranged parallel to one another run parallel to one another, with the wave-shaped membrane 74 being guided between the adjacent spring elements 70, 72.
  • FIG. 5.2 shows an alternative embodiment of a membrane 20, which is guided between two flat structures 64, 66 and has electrodes 91.
  • the illustration according to FIG. 5.2 shows that the membrane 20 is coated on both sides with the electrodes 91 and an angular guide between the first flat one Structure 64 and the second flat structure 66 experiences.
  • the two springs 70 and 72 which extend perpendicularly into the plane of the drawing, are also designed as spiral springs, also deformed in such a way that they have a rectangular, square deformation 78, in contrast to the elliptical deformation 76, as they are on the Springs 70, 72 is shown in the variant according to Figure 5.1.
  • FIG. 5.2 shows a maximum deformation of the two spring elements 70, 72 extending into the plane of the drawing, which are preferably designed as spiral springs.
  • a gas duct 80 for F and a corresponding gas duct for O2, see item 82 are identified by corresponding hatching in the illustration according to FIG. 5.2.
  • the two gas channels 80 and 82 are separated by the wave-shaped deformed membrane 74, which has assumed a rectangular, square deformation 78 in the illustration according to FIG. 5.2.
  • FIG. 6 shows design variants of the membrane 20 having electrodes 91.
  • the membrane 20 having electrodes 91 can, for example, be manufactured as a three-layer structure 90 and have electrodes 91 applied on both sides by way of the coating.
  • the illustration according to FIG. 6 shows that a five-layer structure 92 can also be implemented in which the membrane 20 has a first microporous layer 94 and a second in addition to the electrodes 91, which are preferably applied on both sides by way of the coating may have microporous layer 96.
  • both of the design variants shown in FIG. H. the three-layer structure 90 and the five-layer structure 92 can, as shown above in connection with FIGS. 5.1 and 5.2, experience an undulating deformation 74 according to FIG. 5.1 and an essentially angular deformation according to FIG Cases the membrane 20 having electrodes 91 is guided between the two flat structures 64, 66, as shown.
  • a stack structure 40 comprises two fuel cells 10, which are arranged one above the other and are only shown schematically here.
  • the membrane 20 having electrodes 91 is guided in a wave-shaped deformation 74 along adjacently arranged spring elements 70, 72, 73, which are preferably designed as spiral springs.
  • a periodicity 86 can be implemented in the spring arrangement 60, springs 70 having an elliptical deformation 76 and springs 72 having a circular deformation 77 being arranged next to one another in an alternating sequence.
  • air cooling 98 can enable a very simple stack structure 40. If, however, a water cooling, d. H. a planar cooling 100 with a cooling water channel 102 is provided, so it can very easily be arranged one above the other between the two
  • Fuel cells 10 in the stack structure 40 a flat cooling water channel 102 can be created.
  • This can be formed, for example, by an open-pored support structure 104, which can be designed as expanded metal.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einer Anodenseite (12) und einer Kathodenseite (14), wobei die Anodenseite (12) von Brennstoff, insbesondere H2, durchströmt ist und die Kathodenseite (14) von Luft durchströmt ist, wobei zwischen der Anodenseite (12) und der Kathodenseite (14) eine Elektroden (91) aufweisende Membran (20) angeordnet ist. Die Elektroden (91) aufweisende Membran (20) ist im Wesentlichen wellenförmig zwischen Federn (70, 72, 73) einer Federanordnung (60) geführt. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung der Brennstoffzelle (10) als Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.

Description

Brennstoffzelle
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, wobei die Anodenseite von Brennstoff, insbesondere H2, durchströmt ist, und die Kathodenseite von Luft durchströmt ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennstoffzelle zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
DE 195 17443 Al bezieht sich auf einen korrosionsbeständigen Stromkollektor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen. Es wird ein korrosionsbeständiger Stromkollektor offenbart, mit einem Trägermaterial aus Edelstahl und einer Korrosionsbeschichtung aus Nickel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen beschrieben. Der Stromkollektor ist durch eine dreidimensionale Struktur aus nahtlos mit Nickel plattiertem Edelstahldraht gebildet. Der Stromkollektor ist hervorragend korrosionsbeständig in aufkohlender (reduzierender) Atmosphäre bei hohen Temperaturen, insbesondere im Anodenraum einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle.
EP 1 501 144 Al bezieht sich auf eine gewellt ausgebildete, mit Elektroden versehene Membran, die zwischen zwei gewellt ausgeführten porösen Metallen angeordnet ist. Durch die Wellung entstehen für die beiden Gase Kanäle auf beiden Seiten der gewellt ausgebildeten, mit Elektroden versehenen Membran. Die in EP 1 501 144 Al dargestellte Struktur vermag die Verspannkraft innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, die insbesondere in X-Richtung wirkt, nur unzureichend weiterzuleiten, weswegen ein Kollaps der Wellenstruktur wahrscheinlich ist.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, wobei die Anodenseite von Brennstoff, insbesondere F , durchströmt ist und die Kathodenseite von Luft durchströmt ist und zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite eine Elektroden aufweisende Membran angeordnet ist, wobei die Elektroden aufweisende Membran im Wesentlichen in wellenförmiger Verformung zwischen Federn einer Federanordnung geführt ist. Aufgrund der durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung größeren aktiven Fläche wird eine Medienversorgung und damit die Gesamtperformance verbessert. Des Weiteren können ungeprägte flache Bleche Einsatz finden, wodurch ein sehr einfacher und kostengünstiger Aufbau eines Brennstoffzellenstapels erreicht werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle sind die Elektroden beidseitig auf der Membran beschichtet.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennstoffzelle umfasst einen Stapelaufbau, der mindestens eine erste flache, plattenförmige Struktur und eine weitere zweite flache, plattenförmige Struktur umfasst, zwischen denen die Federanordnung angeordnet ist.
In der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist die Elektroden - vorzugsweise in beschichteter Form - aufweisende Membran wellenförmig zwischen benachbarten Federn der Federanordnung hindurchgeführt. Insbesondere sind die Federn der Federanordnung als Spiralfedern ausgeführt, die im Stapelaufbau der Brennstoffzelle eine elliptische Verformung, eine kreisförmige Verformung oder eine rechteckige oder quadratische Verformung annehmen.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle sind die Federn innerhalb der Federanordnung in periodisch wiederkehrender Folge angeordnet. So können zum Beispiel je nach Gasvolumendurchtritt in periodischer Abfolge kreisförmige und elliptische und dann wieder kreisförmige Kanaldurchflussquerschnitte erhalten werden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle definieren die Spiralfedern entsprechend ihrer Verformung Kanaldurchflussquerschnitte.
Die Spiralfedern bilden Röhren, die durch die Einzelwindungen begrenzt sind. Je nach Windungsanlage der Einzelwindungen aneinander sind diese Röhren mehr oder weniger gasdurchlässig. Zwischen den Röhren erstreckt sich die Elektroden aufweisende Membran in Wellenform.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle besteht alternativ die Möglichkeit, dass die Elektroden aufweisende Membran im Stapelaufbau nicht in gewellter, sondern in abgewinkelter Form verläuft, einen ersten Umlenkwinkel und einen zweiten Umlenkwinkel aufweisend. Idealerweise sind die genannten Umlenkwinkel bei dieser Ausführungsvariante der Führung der Elektroden aufweisenden Membran als 90°-Winkel ausgestaltet.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist die die Elektroden aufweisende Membran als Drei-Lagen-Struktur oder als Fünf- Lagen -Struktur, die zusätzliche mikroporöse Schichten aufweist, ausgebildet.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle kann darüber hinaus der Stapelaufbau mindestens zwei übereinanderliegend angeordnete Brennstoffzellen aufweisen, zwischen denen eine Luftkühlung herrscht. Diese kann zum Beispiel dadurch gegeben sein, dass der Luftstrom auf der Kathodenseite zum Kühlen genutzt wird.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle kann im Stapelaufbau zwischen übereinanderliegend angeordneten Brennstoffzellen eine flächige Wasserkühlung ausgebildet sein. Dazu kann eine offenporige Stützstruktur vorgesehen werden, die beispielsweise durch ein Streckmetall gegeben sein kann. Diese ist im Falle einer Wasserkühlung von Wasser durchströmt und falls eine Luftkühlung dargestellt wird, von Luft.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennstoffzelle zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass eine bisher erforderliche Bipolarplatte entfallen kann, die durch bisher eingesetzte geprägte Bleche gebildet wurde. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht einfacher bauende Brennstoffzellen, da die mit Elektroden versehene Membran zwischen bevorzugt als Spiralfedern ausgestalteten Federelementen einer Federanordnung fixiert ist. Die Fluide, F und Luft werden durch die durch die Spiralfedern erzeugten Kanäle zu den Elektroden beidseits der Membran geführt. Entsprechend der Anlage der Einzelwindungen der Spiralfedern aneinander weisen die Kanäle mehr oder weniger durchlässige Wände auf. Durch die größere aktive Fläche wird die Medienversorgung und damit die Leistung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle verbessert. Da die Elektroden aufweisende Membran im Normalfall flach eingebaut ist, wird durch die erfindungsgemäße Führung der Elektroden aufweisenden Membran in Wellenform um die Spiralfedern der Federanordnung herum eine Vergrößerung der aktiven Fläche der Elektroden aufweisenden Membran erreicht. Des Weiteren können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ungeprägt ausgeführte, flache, plattenförmige Bleche eingesetzt werden, wodurch ein sehr einfacher und besonders kostengünstiger Brennstoffzellenstapelaufbau realisiert werden kann.
In vorteilhafter Weise können die insbesondere als Spiralfedern ausgebildeten Federn der Federanordnung Flächenkräfte, insbesondere Druckkräfte, die im Stapelaufbau einer Brennstoffzelle auftreten und die von unten oder von oben wirken, effektiv weiterleiten. Die Spiralfedern, die vorzugsweise im Rahmen der Federanordnung Verwendung finden, können identische Dimensionen haben oder auch hinsichtlich ihres Durchmessers variieren. Da der Abstand zwischen den parallelen flachen Strukturen, vorzugsweise als Flachbleche ausgebildet, an jeder Stelle identisch ist, kann dies beispielsweise durch elliptisch ausgeführte Federelemente beziehungsweise Spiralfedern erreicht werden.
Hinsichtlich der Dimensionierung ist festzuhalten, dass die flachen Strukturen als Bleche ausgebildet werden, die eine Dicke zwischen 50 pm und 200 pm, bevorzugt zwischen 50 pm und 100 pm aufweisen. Beim Drahtdurchmesser der Spiralfedern sind Durchmesser zwischen 20 pm und 200 pm denkbar, bevorzugt 50 mhi bis 100 pm. Der Plattenabstand liegt in der Größenordnung zwischen 50 pm bis 1000 pm, bevorzugt zwischen 100 pm und 500 pm. Der Spiraldurchmesser der eingesetzten Spiralfedern, bei kreisförmiger Ausbildung in X- und Z-Richtung, entspricht dem Plattenabstand, während der Spiraldurchmesser bei einer elliptischen Verformung in X-Richtung das Ein- bis Dreifache des Plattenabstandes annehmen kann.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt die Elektroden aufweisende Membran wellenförmig zwischen benachbarten Spiralfedern der Federanordnung oder kann auch eine gewinkelte Einspannform aufweisen. Flächenkräfte, die auf die flach ausgebildeten Platten wirken, können effektiv an die Elektroden aufweisende Membran weitergeleitet werden, wodurch ein sehr geringer Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Federelementen und der Elektroden aufweisenden Membran erreicht werden kann.
Gaskanäle für den Wasserstoff und die Luft verlaufen getrennt auf den beiden Seiten der Elektroden aufweisenden Membran durch die Spiralfedern in Y- Richtung.
Die Kanaldurchflussflächen, gegeben durch die Federanordnung aus Spiralfedern mit durchlässigen Kanalwänden, lassen sich durch periodisch unterschiedlich benachbarte Federelemente, zum Beispiel eine elliptische Verformung, eine kreisförmige Verformung, eine elliptische Verformung usw., an die Volumenströme der beiden Gase, F und Luft anpassen.
Eine bisher erforderliche Prägung der flachen Strukturen ist durch die Gasführung in den Spiralfedern nicht notwendig. Außerdem ist die jeweils mit Gas versorgte Fläche der Elektroden aufweisenden Membran durch die 3D- Führung deutlich größer bezogen auf die Plattenfläche, wodurch der Brennstoffzellenstapel bei gleicher Leistung kleiner dimensioniert werden kann.
Bei der eingesetzten Elektroden aufweisenden Membran kann entweder eine klassische Drei-Lagen-Struktur aus Membran und beidseitig als Beschichtung aufgebrachten Elektroden zum Einsatz kommen oder eine fünflagig ausgebildete Membranstruktur, die neben den als Beschichtung aufgebrachten Elektroden zusätzliche mikroporöse Schichten enthalten kann. Werden Brennstoffzellen mit beschränkter Leistung gefordert, kann eine Luftkühlung einen sehr einfachen Stapelaufbau ermöglichen, während bei der Implementierung einer Wasserkühlung auf einfache, vorteilhafte Weise zwischen zwei benachbart übereinanderliegenden Brennstoffzellen ein flächiger Kühlwasserkanal ausgeführt werden kann, der beispielsweise durch eine offenporige Stützstruktur, wie beispielsweise ein Streckmetall, gebildet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze einer Brennstoffzelle,
Figur 2 eine PEM-Brennstoffzelle mit geprägten Blechen
Figur 3 die Prinzipskizze einer Federanordnung mit nebeneinander angeordneten Spiralfedern,
Figur 4 eine Spiralfederanordnung zwischen zwei flachen Blechen unter Druckkraftbeanspruchung,
Figur 5.1 eine Elektroden aufweisende Membran geführt in Wellenform zwischen benachbarten Federelementen,
Figur 5.2 eine Elektroden aufweisende Membran in winkelförmiger Führung zwischen zwei benachbarten Federelementen,
Figur 6 eine Drei-Lagen-Struktur einer Elektroden aufweisenden Membran sowie eine Fünf- Lagen -Struktur einer Elektroden aufweisenden Membran und Figur 7 eine Brennstoffzellenstapelanordnung mit zwei übereinanderliegend angeordneten Brennstoffzellen.
Figur 1 zeigt eine Brennstoffzelle 10, auf deren Anodenseite 12 eine Anzahl von F -Kanälen 14 ausgeführt sind. Zwischen der Anodenseite 12 und einer Kathodenseite 21 erstreckt sich eine Membran 20. Die Membran 20 umfasst eine der Anodenseite 12 zuweisende erste Katalysatorschicht 18, die vorzugsweise als Beschichtung aufgebracht ist. Zwischen den H2- Kanälen 14 und der ersten Katalysatorschicht 18 verläuft eine erste Gasdiffusionslage 16, ein Kohlefaservlies enthaltend, sowie eine mikroporöse Partikelschicht, die der ersten Katalysatorschicht 18 zuweist.
Auf der Kathodenseite 21 befinden sich O2- Kanäle 28, ferner eine zweite Gasdiffusionslage 26 sowie die zweite Katalysatorschicht 24, die beispielsweise ebenfalls als Beschichtung auf die Membran 20 aufgebracht sein kann. Die Kombination aus den beiden Katalysatorschichten 18 und 24 mit der Membran 20 wird auch als Membrane Electrode Assembly (MEA) bezeichnet. Die Brennstoffzelle 10 gemäß der Darstellung in Figur 1 ist über eine schematisch dargestellte Leitung 32 mit einer Last 30 verbunden.
Figur 2 zeigt eine PEM-Brennstoffzelle, die Bipolarplatten 56 aufweist. Figur 2 ist ein Stapelaufbau 40 aus zwei Brennstoffzellen 10 zu entnehmen. Der Stapelaufbau 40 umfasst zwischen den beiden übereinanderliegend angeordneten Brennstoffzellen 10 verlaufende Kühlkanäle 42. Eine erste geprägte Struktur 44, beispielsweise ein geprägtes Blech, umfasst anodenseitige Kanäle 46. Die anodenseitigen Kanäle 46 entsprechen den in Figur 1 dargestellten H2- Kanälen 14. Darüber hinaus umfasst der Stapelaufbau 40 eine zweite geprägte Struktur 48. Die erste geprägte Struktur 44 sowie die zweite geprägte Struktur 48 bilden zusammen eine Bipolarplatte 56. Die zweite geprägte Struktur 48 umfasst kathodenseitige Kanäle 50. Auch die kathodenseitigen Kanäle 50 entsprechen den O2- Kanälen 28, wie sie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben sind. Mit Bezugszeichen 52 ist eine Gasdiffusionsschicht an der Anode bezeichnet, während Position 54 eine kathodenseitig angeordnete Gasdiffusionsschicht bezeichnet. Die Gasdiffusionsschicht 52 auf der Anodenseite entspricht der ersten Gasdiffusionslage 16 gemäß Figur 1; die kathodenseitig angeordnete Gasdiffusionsschicht 54 entspricht der zweiten Gasdiffusionslage 26, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Während in dem Stapelaufbau 40 gemäß Figur 2, der zwei übereinanderliegend angeordnete Brennstoffzellen 10 umfasst, geprägte Strukturen 44 und 48 ausgebildet sind, ist in der Darstellung gemäß Figur 3 eine erste flache Struktur 64, beispielsweise ausgebildet als ein flaches plattenförmiges Blech, dargestellt. Auf dieser befindet sich eine Federanordnung 60, die eine Anzahl von Federn 70, 72, 73 umfasst. In der Darstellung gemäß Figur 3 sind im X-Y-Z- Koordinatensystem drei nebeneinanderliegende Federn 70, 72, 73 dargestellt, die als Spiralfedern ausgeführt sind. Die einzelnen Federn 70, 72, 73 sind aus einem Federdraht 62 gefertigt.
Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines Stapelaufbaus zu entnehmen. Aus der Darstellung gemäß Figur 4 ergibt sich, dass zwei nebeneinanderliegende Federn 70, 72 der Federanordnung 60, ausgeführt als Spiralfedern, zwischen der ersten flachen Struktur 64 und der zweiten flachen Struktur 66 angeordnet sind. Die beiden flachen Strukturen 64, 66 können ein im Wesentlichen plattenförmiges Aussehen aufweisen und verlaufen parallel zueinander. Ferner sind die beiden flachen Strukturen 64, 66 durch eine Druckkraft 68, die innerhalb eines Stapelaufbaus 40 gemäß der Darstellung in Figur 2 anliegt, beaufschlagt. Beide nebeneinanderliegend sich in die Zeichenebene erstreckenden Federn 70, 72 sind als Spiralfedern ausgeführt und weisen eine im Wesentlichen kreisförmige Verformung 77 auf. Eine Y- Richtung verläuft senkrecht in die Zeichenebene.
Figur 5.1 zeigt ausgehend von der Darstellung gemäß Figur 4 eine wellenförmige Anordnung einer Elektroden aufweisenden Membran. Figur 5.1 ist zu entnehmen, dass zwischen den beiden flachen Strukturen 64, 66, die jeweils durch die Druckkraft 68 beaufschlagt sind, die beiden sich in die Zeichenebene erstreckenden Federn 70, 72 eine elliptische Verformung 76 erfahren. Die elliptische Verformung 76 entsteht durch die elastische Verformung der Federn 70, 72, beide bevorzugt ausgebildet als Spiralfedern. Zwischen den beiden benachbarten Federn 70 und 72 verläuft die wellenförmig verformte Membran 20, die beidseitig mit Elektroden 91 versehen ist, die bevorzugt als Beschichtung auf diese aufgebracht werden. Die beiden nebeneinanderliegend, bevorzugt als Spiralfedern ausgebildeten Federn 70, 72 erstrecken sich in Y- Richtung 84, d. h. senkrecht in die Zeichenebene und setzen der Beaufschlagung durch die Druckkraft 68 eine Reaktionskraft 79 entgegen, wie durch die Pfeile angedeutet. Beide Querschnitte der bevorzugt als Spiralfedern ausgebildeten Federn 70, 72, die benachbart zueinander angeordnet sind, dienen als Kanaldurchflussquerschnitt 88 für O2 beziehungsweise H2. In Bezug auf die Darstellung gemäß Figur 5.1 sei angemerkt, dass gemäß den Schraffuren die Kanaldurchflussquerschnitte 88 größer bemessen sind als die Querschnitte, die durch die erste Feder 70 beziehungsweise die zweite Feder 72 gegeben sind. In der Darstellung gemäß Figur 5.1 ist ein Gaskanal für H2 mit Bezugszeichen 80 und entsprechend als Schraffur gekennzeichnet. Ein korrespondierender Gaskanal für O2 ist durch Bezugszeichen 82 und eine entsprechend entgegengesetzte Schraffur dargestellt. Die beiden Gaskanäle 80 beziehungsweise 82 sind durch die wellenförmig verformte Membran 74 voneinander getrennt. Die beiden parallel zueinander angeordneten flachen Strukturen 64 beziehungsweise 66 laufen parallel zueinander, wobei die in Wellenform verformte Membran 74 zwischen den benachbarten Federelementen 70, 72 geführt ist.
Figur 5.2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante einer zwischen zwei flachen Strukturen 64, 66 geführten, Elektroden 91 aufweisenden Membran 20. Aus der Darstellung gemäß Figur 5.2 geht hervor, dass die Membran 20 beidseitig mit den Elektroden 91 beschichtet ist und eine winkelförmige Führung zwischen der ersten flachen Struktur 64 und der zweiten flachen Struktur 66 erfährt. In der Darstellung gemäß Figur 5.2 sind die beiden sich senkrecht in die Zeichenebene erstreckenden Federn 70 beziehungsweise 72, ebenfalls ausgeführt als Spiralfedern, ebenfalls derart verformt, dass diese eine rechteckige, quadratische Verformung 78 aufweisen, im Gegensatz zur elliptischen Verformung 76, wie sie an den Federn 70, 72 in der Ausführungsvariante gemäß Figur 5.1 dargestellt ist. Auch hier üben die beiden sich senkrecht in die Zeichenebene erstreckenden, benachbart angeordneten Federn 70, 72 eine Reaktionskraft 79 aus, die der Druckkraft 68 entgegenwirkt. Im Vergleich zur Darstellung gemäß Figur 5.1 zeigt Figur 5.2 eine maximale Verformung der beiden sich in die Zeichenebene erstreckenden Federelemente 70, 72, die bevorzugt als Spiralfedern ausgeführt sind.
Analog zur Darstellung gemäß Figur 5.1 sind in der Darstellung gemäß Figur 5.2 ein Gaskanal 80 für F und ein entsprechender Gaskanal für O2, vgl. Position 82, durch entsprechende Schraffuren gekennzeichnet. Die beiden Gaskanäle 80 beziehungsweise 82 werden durch die wellenförmig verformte Membran 74 getrennt, die in der Darstellung gemäß Figur 5.2 eine rechteckige, quadratische Verformung 78 angenommen hat.
Figur 6 zeigt Ausführungsvarianten der Elektroden 91 aufweisenden Membran 20. Die Elektroden 91 aufweisende Membran 20 kann beispielsweise als eine Drei-Lagen-Struktur 90 gefertigt sein und beidseits auf dem Wege der Beschichtung aufgetragene Elektroden 91 aufweisen. Darüber hinaus ist der Darstellung gemäß Figur 6 zu entnehmen, dass auch eine Fünf- Lagen -Struktur 92 ausgeführt werden kann, bei der die Membran 20 neben den beidseitig vorzugsweise auf dem Wege der Beschichtung aufgebrachten Elektroden 91 zusätzlich eine erste mikroporöse Schicht 94 sowie eine zweite mikroporöse Schicht 96 aufweisen kann.
Beide in Figur 6 dargestellten Ausführungsvarianten, d. h. die Drei-Lagen- Struktur 90 sowie die Fünf- Lagen -Struktur 92 können, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 5.1 und 5.2 dargestellt, eine wellenförmige Verformung 74 gemäß Figur 5.1 sowie eine im Wesentlichen winkelförmige Verformung gemäß Figur 5.2 erfahren, wobei in beiden Fällen die Elektroden 91 aufweisende Membran 20 zwischen den beiden flachen Strukturen 64, 66, wie dargestellt, geführt ist.
Figur 7 ist zu entnehmen, dass ein Stapelaufbau 40 zwei übereinander angeordnete, hier nur schematisch dargestellte Brennstoffzellen 10 umfasst. In beiden Brennstoffzellen 10 ist die Elektroden 91 aufweisende Membran 20 in wellenförmiger Verformung 74 entlang von benachbart angeordneten, bevorzugt als Spiralfedern ausgebildeten Federelementen 70, 72, 73 geführt. Wie aus Figur 7 hervorgeht, kann eine Periodizität 86 in der Federanordnung 60 ausgeführt werden, wobei jeweils benachbart zueinander eine elliptische Verformung 76 aufweisende Federn 70 und eine kreisförmige Verformung 77 aufweisende Federn 72 nebeneinander in alternierender Abfolge angeordnet sind.
Wird beispielsweise, wie in Figur 7 schematisch dargestellt, ein Stapelaufbau 40 aufgebaut, dessen Leistung beschränkt ist, kann eine Luftkühlung 98 einen sehr einfachen Stapelaufbau 40 ermöglichen. Wird hingegen eine Wasserkühlung, d. h. eine flächige Kühlung 100 mit einem Kühlwasserkanal 102 vorgesehen, so kann sehr einfach zwischen den beiden übereinanderliegend angeordneten
Brennstoffzellen 10 im Stapelaufbau 40 ein flächiger Kühlwasserkanal 102 geschaffen werden. Dieser kann beispielsweise durch eine offenporige Stützstruktur 104, die als Streckmetall ausgeführt sein kann, gebildet werden. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (10) mit einer Anodenseite (12) und einer Kathodenseite (14), wobei die Anodenseite (12) von Brennstoff, insbesondere F , durchströmt ist und die Kathodenseite (14) von Luft durchströmt ist, und zwischen der Anodenseite (12) und der Kathodenseite (14) eine Elektroden (91) aufweisenden Membran (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (91) aufweisende Membran (20) im Wesentlichen in wellenförmiger Verformung (74) zwischen Federn (70, 72, 73) einer Federanordnung (60) geführt ist.
2. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (91) beidseitig auf der Membran (20) beschichtet sind.
3. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Stapelaufbau (40) umfasst, der mindestens eine erste, plattenförmige Struktur (64) und eine weitere, zweite, flache plattenförmige Struktur (66) umfasst, zwischen denen die Federanordnung (60) angeordnet ist.
4. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (91) aufweisende Membran (20) wellenförmig zwischen den benachbarten Federn (70, 72, 73) der Federanordnung (60) hindurchgeführt ist.
5. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (70, 72, 73) als Spiralfedern ausgeführt sind, die im Stapelaufbau (40) eine elliptische Verformung (76), eine kreisförmige Verformung (77) oder eine rechteckige oder quadratische Verformung (78) annehmen.
6. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (70, 72, 73) in der Federanordnung (60) in periodisch wiederkehrender Folge (86) angeordnet sind.
7. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfedern (70, 72, 73) entsprechend ihrer Verformung (76, 77, 78) Kanaldurchflussquerschnitte (88) darstellen.
8. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (91) aufweisende Membran (20) im Stapelaufbau (40) in gewinkelter Form verläuft, einen ersten Umlenkwinkel (106) und einen zweiten Umlenkwinkel (108) aufweisend.
9. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (91) aufweisende Membran (20) als Drei-Lagen-Struktur (90) oder als Fünf- Lagen -Struktur (92), zusätzliche mikroporöse Schichten (94, 96) umfassend, ausgebildet ist.
10. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelaufbau (40) mindestens zwei Brennstoffzellen (10) umfasst, die übereinander liegend angeordnet sind, und zwischen denen eine Luftkühlung (98) verläuft.
11. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Stapelaufbau (40) zwischen übereinander liegend angeordneten Brennstoffzellen (10) eine flächige Wasserkühlung (100) verläuft.
12. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Wasserkühlung (100) durch eine offenporige Stützstruktur (104), beispielsweise ein Streckmetall, gebildet ist.
13. Verwendung der Brennstoffzelle (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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