WO2021180407A1 - Fuel cell unit - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a fuel cell system according to the preamble of claim 15.
- Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode.
- Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.
- a large number of fuel cells are arranged one above the other to form a fuel cell stack.
- a gas space for oxidizing agent that is to say a flow space for the passage of oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen.
- the gas space for oxidizing agent is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer.
- the oxidizing agent is introduced into the gas chambers for oxidizing agent through at least one feed channel and discharged from the gas chambers for oxidizing agent through at least one discharge channel.
- Extensions are designed as sealing plates in the bipolar plates and the membrane electrode arrangements, and fluid openings are incorporated in the sealing plates.
- the fluid openings are stacked flush in the fuel cell unit, so that the fluid openings form the at least one supply channel and the at least one discharge channel. Seals are arranged between the sealing plates in the area of the fluid openings so that the oxidizing agent does not get into the spaces between the sealing plates in an uncontrolled manner.
- the oxidizing agent is introduced into the channels for oxidizing agents from the at least one feed channel.
- the supply channel for oxidizing agent has a small transverse extent, so that a large transverse distribution is necessary in a distribution structure between the supply channel for oxidizing agent and an inlet region of the channel structure with the channels for oxidizing agent.
- This is disadvantageous because as a result the oxidizing agent already flows into the channels for oxidizing agents at a different temperature and pressure.
- This applies analogously to the coolant and the fuel as the further process fluids of the fuel cell, so that these, with the disadvantages mentioned, also flow into the channels for coolant and fuel on the other channel structures of the bipolar plate.
- Supply and discharge channels for fuel and coolant are designed in an analogous manner as fluid openings on the sealing plates.
- DE 102006 019 114 A1 discloses a fuel cell system with a plurality of fuel cells, each of the fuel cells comprising a membrane electrode arrangement, an anode catalyst layer on a first side of the membrane electrode arrangement and a cathode catalyst layer on a second side of the membrane electrode arrangement, the plurality of fuel cells in at least two stages are arranged, wherein the plurality of fuel cells are arranged in each of the at least two stages in a parallel arrangement and the stages are arranged in a series arrangement, wherein a first stage has a first plurality of fuel cells and a second stage has a second plurality of fuel cells wherein the first plurality of fuel cells comprises a greater number of fuel cells than the second plurality of fuel cells; an anode gas inlet manifold in communication with the first stage; at least one anode gas inlet / discharge manifold, the anode gas inlet / discharge manifold allowing anode exhaust gas to exit the first stage and allowing the anode exhaust gas to enter the second stage; and
- Fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells each comprising a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a Gas diffusion layer, a bipolar plate with three separate channel structures with channels for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid and the channel structures have an inlet area and an outlet area for the oxidizing agent, the fuel and the cooling fluid, at least one feed channel for the supply of oxidizing agent as process fluid into the Gas chambers for oxidizing agent of the fuel cells, at least one feed channel for feeding fuel as process fluid into the gas chambers for fuel of the fuel cells, at least one feeding channel for coolant as process fluid for feeding the coolant into a channel for coolant, distribution structures for feeding and distributing the process fluids from the feed channels into the channel structures of the bipolar plates, with a first distribution structure for between two ei process fluids are formed as first and second process fluids and a second distribution structure for the first and second process fluids of
- the second distribution structure is formed between the first distribution structure and the inlet region of the channel structures of the bipolar plate.
- the first distribution structure is formed only for the first and second process fluid, so that only first and second distribution channels for the first and second process fluid are formed in the first distribution structure.
- the supply channels for the first and second process fluids of the first distribution structure are formed in the first distribution structure.
- the at least one supply channel for the third process fluid is formed, in particular exclusively, in the second distribution structure.
- Separate first and second distribution channels for the first and second process fluid are preferably formed in the first distribution structure, and the first and second distribution channels are formed separately from one another in a direction perpendicular to fictitious planes spanned by the fuel cells.
- first, second and third distribution channels for the first, second and third process fluid are formed in the second distribution structure.
- two of the first, second and third distribution channels are formed separately from one another in a direction perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells and / or one of the first, second and third distribution channels in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells is formed next to one of the other first, second or third distribution channels.
- first, second and third distribution channels are aligned as longitudinal channels in the second distribution structure essentially parallel to one another.
- Substantially means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.
- the fuel cell unit in particular the fuel cells, expediently has a longitudinal extent in a longitudinal direction and a transverse extent in a transverse direction, and the longitudinal and transverse directions are mutually perpendicular and parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells.
- the transverse extent of the first and second distribution structure essentially corresponds to the transverse extent of the inlet area of the channel structure.
- substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
- the first process fluid is the oxidizing agent
- the second process fluid is the coolant
- the third process fluid is the fuel.
- the supply channels are arranged next to one another in the longitudinal direction and essentially centrally in the transverse direction, preferably when the inlet area is designed with an extension predominantly in the transverse direction between the transverse side of the fuel cell and the channel structure.
- Essentially centered preferably means that in a section parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, the centers or focal points of the feed channels are at a distance from a central longitudinal center line of the fuel cells that is less than 30%, 20% or 10% of half the Transverse expansion of the fuel cells.
- the transverse extent or the sum of the transverse extent of the at least one feed channel for oxidizing agent essentially corresponds to the transverse extent of the inlet area of the channel structure, preferably when the inlet area is formed with an extent predominantly in the transverse direction between the transverse side of the fuel cell and the channel structure. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. There is thus essentially no transverse distribution of the oxidizing agent from the at least one feed channel to the inlet region of the channel structure necessary.
- Fuel cell system in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas storage device for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being designed as a fuel cell unit described in this patent application.
- the feed channels are arranged next to one another in the transverse direction and essentially in the middle in the longitudinal direction, preferably when the inlet area is formed with an extension predominantly in the longitudinal direction between the longitudinal side of the fuel cell and the channel structure.
- Essentially centered preferably means that in a section parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, the centers or focal points of the feed channels are at a distance from a central transverse center line of the fuel cells that is less than 30%, 20% or 10% of half the Longitudinal expansion of the fuel cells.
- first the at least one supply channel for oxidizing agent and then the at least one supply channel for coolant are formed in the first distribution structure and then in the longitudinal direction the at least one supply channel for fuel in the second distribution structure .
- the longitudinal extent of the first and second distribution structure essentially corresponds to the longitudinal extent of the inlet area of the channel structure.
- substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
- first the at least one supply channel for oxidizing agent and then the at least one supply channel for coolant are formed in the first distribution structure and then in the transverse direction the at least one supply channel for fuel in the second distribution structure.
- the longitudinal extent or the sum of the longitudinal extents of the at least one feed channel for fuel essentially corresponds to the longitudinal extent of the inlet area of the channel structure, preferably when the inlet area is formed with an extent predominantly in the longitudinal direction between the longitudinal side of the fuel cell and the channel structure.
- Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. It is therefore in the Substantially no longitudinal distribution of the fuel from the at least one feed channel to the inlet region of the channel structure is necessary.
- the transverse extent or the sum of the transverse extent of the at least one supply channel for coolant is expediently smaller than 90%, 70% or 50% of the transverse extent of the inlet area of the duct structure.
- the transverse extent or the sum of the transverse extent of the at least one feed channel for fuel is smaller than 90%, 70% or 50% of the transverse extent of the inlet area of the duct structure.
- the at least one supply channel and / or discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells.
- the orientation of the at least one supply channel and / or discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is the longitudinal axis and / or the flow direction of the process fluid in the supply channel and / or discharge channel.
- Substantially perpendicular means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.
- the transverse extent of the inlet area essentially corresponds to the transverse extent of the channel structure when the inlet area is formed between the transverse sides of the fuel cell and the channel structure.
- the longitudinal extent of the inlet area corresponds essentially to the longitudinal extent of the channel structure when the inlet area is formed between the longitudinal sides of the fuel cell and the channel structure.
- all channels for oxidizing agent, fuel and coolant in the channel structures of the bipolar plates are designed so that the oxidizing agent, fuel and coolant flow through the channels essentially in parallel.
- Essentially parallel means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.
- the fuel cell unit comprises at least one discharge channel for discharging fuel from the fuel cells.
- the fuel cell unit comprises at least one discharge channel for discharging coolant from the fuel cells.
- the first distribution channels and / or second distribution channels and / or third distribution channels are formed separately from one another in two or three levels in a direction perpendicular to the fictitious levels spanned by the fuel cells.
- the first distribution channels and / or second distribution channels and / or third distribution channels are in at least one direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells next to another first, second or third distribution channel trained on one level.
- At least one, in particular all of the features disclosed in this property right with regard to a fuel cell are embodied in all fuel cells of the fuel cell unit.
- the fuel cells of the fuel cell unit are stacked in alignment, in particular one on top of the other.
- the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements.
- connection device in particular several connection devices, and tensioning elements.
- Proton exchange membranes anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.
- the fuel cells each comprise a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate.
- the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped and / or is designed as a tensioning belt.
- the clamping elements are expediently designed as clamping plates.
- the gas delivery device is designed as a fan and / or a compressor and / or a pressure vessel with an oxidizing agent.
- the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connection devices.
- the tensioning elements are plate-shaped and / or disk-shaped and / or flat and / or are designed as a grid.
- the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
- the fuel cells are expediently designed to be essentially flat and / or disk-shaped.
- the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
- the fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.
- Fig. 1 is a greatly simplified exploded view of a
- Fuel cell system with components of a fuel cell Fuel cell system with components of a fuel cell
- FIG. 4 shows a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, i.e. H. a fuel cell stack,
- FIG. 5 shows a section through the fuel cell unit according to FIG. 4,
- FIG. 6 shows a plan view of a bipolar plate of the fuel cell unit according to the invention in a first exemplary embodiment
- FIG. 8 shows a section A-A according to FIG. 7 of the bipolar plate
- FIG. 10 shows a section C-C according to FIG. 7 of the bipolar plate
- FIG. 11 shows an enlarged plan view of the bipolar plate of the fuel cell unit according to the invention in the second exemplary embodiment.
- FIG. 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3).
- the principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction.
- Hydrogen H2 is fed to an anode 7 as a gaseous fuel and the anode 7 forms the negative pole.
- a gaseous oxidizing agent namely air with oxygen, is passed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent.
- a reduction (electron uptake) takes place at the cathode 8.
- the oxidation as the release of electrons is carried out at the anode 7.
- the difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages over 1.0 V can be reached and in operation with higher currents voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached.
- the series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2 has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of a fuel cell 2.
- the fuel cell 2 also comprises a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8.
- PEM Proton Exchange Membrane
- the anode 7 and cathode 8 are layered or disk-shaped.
- the PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases.
- the PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 pm to 150 pm are thick, Proton-conducting films made of perfluorinated and sulfonated polymers are used.
- the PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + , so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H +.
- the PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O2 and hydrogen H2, ie it blocks the flow of oxygen O2 and hydrogen H2 between a gas space 31 at the anode 7 with hydrogen H2 fuel and the gas space 32 at the cathode 8 with air or Oxygen O2 as an oxidizing agent.
- the proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
- the electrodes 7, 8 as the anode 7 and cathode 8 rest on the two sides of the PEM 5, each facing the gas spaces 31, 32.
- a unit composed of the PEM 5 and the electrodes 6, 7 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (Membrane Electrode Assembly, MEA).
- MEA Membrane Electrode Assembly
- the electrodes 6, 7 are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and / or PVA (polyvinyl alcohol) and are encapsulated in microporous carbon fiber, Glass fiber or plastic mats are hot-pressed.
- a catalyst layer 30 is normally applied to each of the electrodes 6, 7 on the side facing the gas spaces 31, 32.
- the catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder.
- the catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodisperse platinum.
- Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.
- a gas diffusion layer 9 rests on the anode 7 and the cathode 8.
- the gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7.
- the gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidizing agent from channels 13 for oxidizing agent evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8.
- the GDL 9 also draws water of reaction in the opposite direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in one direction each from the catalyst layer 30 to the Channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 moist and conducts the current.
- the GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder.
- a bipolar plate 10 rests on the GDL 9.
- the electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and / or flow fields 29 and for dissipating the waste heat that occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8.
- channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for the passage of a liquid or gaseous coolant as a process fluid.
- the channel structure 29 on the gas space 31 for fuel is formed by channels 12.
- the channel structure 29 in the gas space 32 for oxidizing agent is formed by channels 13.
- metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used as the material for the bipolar plates 10.
- a plurality of fuel cells 2 are stacked in a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 (FIG. 4).
- Fig. 1 an exploded view of two stacked fuel cells 2 is shown.
- a seal 11 seals the gas spaces 31, 32 in a fluid-tight manner.
- hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar.
- the fuel is passed through a high pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar.
- the fuel is fed from the medium pressure line 17 to an injector 19.
- the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar.
- the fuel is fed to a feed line 16 for fuel (FIG. 1) and from the feed line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel.
- the fuel thereby flows through the gas space 31 for the fuel.
- the gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7.
- the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and if necessary, water from a controlled humidification of the anode 7 is diverted from the fuel cells 2 through a discharge line 15.
- a gas delivery device 22 for example designed as a fan 23 or a compressor 24, delivers air from the environment as an oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. From the supply line 25, the air is fed to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent.
- the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8.
- a feed line 27 is used to feed coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14.
- the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are shown in FIG. 1 as separate lines for reasons of simplicity and are actually structurally at the end area near the channels 12, 13, 14 as aligned fluid openings 42 on sealing plates 41 designed as an extension at the end region of the superimposed bipolar plates 10 (FIGS. 6 and 7) and membrane electrode arrangements 6 (not shown).
- the fuel cell stack 1 together with the compressed gas storage device 21 and the gas delivery device 22 form a fuel cell system 4.
- the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34.
- An upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2.
- the fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, which are not all shown in FIG. 4 for reasons of drawing.
- the clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 with a compressive force and the lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2 with a compressive force.
- the fuel cell stack 2 is braced to the tightness for the To ensure fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible.
- four connecting devices 39 are designed as bolts 40 on the fuel cell unit 1, which are subject to tensile stress.
- the four bolts 40 are firmly connected to the chipboard 34.
- FIGS. 1 to 5 merely serve to illustrate the basic mode of operation of fuel cells 2 and features essential to the invention are partially not shown in FIGS. 1 to 5.
- FIGS. 6 to 10 a fuel cell 2 of a fuel cell unit 1 according to the invention is shown in a first exemplary embodiment.
- the bipolar plate 10 is constructed from two reshaped plates, namely an upper plate and a lower plate (FIGS. 2 and 3), so that the channels 12, 13 and 14 are formed as three separate channel structures 29 in the bipolar plate 10.
- the fluid openings 42 on the sealing plates 41 of the bipolar plates 10 and membrane electrode assemblies 6 are stacked in an aligned manner within the fuel cell unit 1 so that feed and discharge channels 43, 44, 48, 49, 50, 51 are formed. Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 41 for the fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 43, 44, 48, 49, 50, 51 formed by the fluid openings 42.
- the bipolar plates 10 (FIGS. 6 and 7) and membrane electrode arrangements 6 are essentially rectangular and have a longitudinal extent as a length in a longitudinal direction 57 and a transverse extent in a transverse direction 58.
- the essentially layered bipolar plates 10, membrane electrode arrangements 6 and gas diffusion layers 9 span fictitious planes 52.
- a direction 53 is oriented perpendicular to the fictitious planes 52.
- the drawing planes of FIGS. 6 and 7 are aligned in the fictitious planes 52 or parallel to them.
- the fuel cell unit 1, the fuel cells 2 and the bipolar plates 10 with the sealing plates 41 have two opposite longitudinal sides 55 opposite one another in the transverse direction 58 as ends in the transverse direction 58 and two opposite transverse sides 56 opposite one another in the longitudinal direction 57 as Ends in the longitudinal direction 57.
- a first distribution structure 45 and a second distribution structure 46 are formed in the channels 12.
- a supply channel 43 for oxidizing agent and a supply channel 50 for coolant are arranged in the first distribution structure 45.
- a feed channel 48 for fuel is formed in the second distribution structure 46.
- the transverse extent 69 of the inlet area 37 of the channel structure 29 corresponds to the transverse extent 70 of the outlet area 38 of the channel structure 29 and is slightly smaller than the transverse extent of the bipolar plate 10, i.e. the distance in the transverse direction 58 between the two longitudinal sides 55.
- the transverse extents 69, 70 correspond to the transverse extent 68 of the channel structure 29, i.e. h the inlet and outlet areas 37, 38 are formed on the entire end area in the longitudinal direction 57 of the channel structure 29.
- the longitudinal extent 67 of the channel structure 29 is approximately 60% to 90% of the longitudinal extent of the bipolar plate 10.
- the longitudinal extent 71 of the first distribution structure 45 is significantly larger, approximately 2 times greater than the longitudinal extent 73 of the second distribution structure 46, since in the First distribution structure 45 in the longitudinal direction 57, the supply channel 43 for oxidizing agent and the supply channel 50 for coolant are arranged side by side.
- the transverse extent 72 of the first distribution structure 45 corresponds to the transverse extent 74 of the second distribution structure 46 and the transverse extents 72, 74 of the first and second distribution structures 45, 46 are essentially identical to the transverse extent 69 of the inlet region 37 of the channel structure 29.
- the transverse dimension 85 of the feed channel 43 for oxidizing agent is only slightly smaller than the transverse dimension 69 of the inlet area 37 of the channel structure, so that for the guidance of the oxidizing agent from the feed channel 43 for oxidizing agent into the channels 13 for oxidizing agent, which begin at the inlet area 37, in Substantially no transverse distribution of the oxidizing agent in transverse direction 58, but essentially only a longitudinal distribution or longitudinal line in longitudinal direction 57 is necessary. For this reason, there are essentially only first distribution channels 59 as the first longitudinal distribution channels from the supply channel 43 to the inlet region 37 62 routed for the first process fluid as the oxidizer.
- the first distribution channels 59 as the first longitudinal distribution channels 62 are formed in the first distribution structure 45 and the second distribution structure 46.
- the transverse dimension 86 of the supply channel 50 for coolant is significantly smaller than the transverse dimension 69 of the inlet area 37 of the channel structure, so that for the guiding of the coolant from the supply channel 50 for coolant into the channels 14 for coolant, which begin at the inlet area 37, both a Transverse distribution of the coolant in the transverse direction 58 as well as a longitudinal distribution or longitudinal line in the longitudinal direction 57 is necessary. For this reason, from the supply channel 50 to the inlet region 37, second distribution channels 60 are routed as second longitudinal distribution channels 63 in the longitudinal direction 57 and second transverse distribution channels 64 in the transverse direction 58 for the second process fluid as the coolant.
- the second transverse distribution channels 64 are formed only in the first distribution structure 45 and the second longitudinal distribution channels 63 are formed in the first and second distribution structures 45, 46.
- the second transverse distribution channels 64 open into the supply channel 50 for coolant, so that the coolant flows from the supply channel 50 first into the second transverse distribution channels 64 and then into the second longitudinal distribution channels 63.
- the first distribution channels 59 and the second distribution channels 60 are formed separately from one another in the direction 53 perpendicular to the fictitious planes 52 spanned by the fuel cells 2 in two different planes (FIG. 8).
- the first and second distribution channels 59, 60 are arranged next to one another in a direction parallel to the fictitious planes 52 in one plane (FIGS. 9 and 10).
- the third distribution channels 61 in the direction 53 perpendicular to the fictitious planes 52 spanned by the fuel cells 2 are formed separately from one another in two different planes (FIG. 10).
- the transverse extent 87 of the feed channel 48 for fuel is significantly smaller than the transverse extent 69 of the inlet region 37 of the duct structure, so that for guiding the fuel from the feed duct 48 for fuel into the channels 12 for fuel, which begin at the inlet area 37, both a transverse distribution of the coolant in the transverse direction 58 and a longitudinal distribution or longitudinal line in the longitudinal direction 57 is necessary guided as third longitudinal distribution channels 65 in longitudinal direction 57 and third transverse distribution channels 66 in transverse direction 58 for the third process fluid as the fuel.
- the third distribution channels 61 as the third longitudinal distribution channels 65 and the third transverse distribution channels 66 are only formed on the second distribution structure 46 because the supply channel 48 for fuel is formed in the second distribution structure 46.
- the third transverse distribution channels 66 open into the supply channel 48 for fuel, so that the fuel from the supply channel 48 first flows into the third transverse distribution channels 66 and then into the third longitudinal distribution channels 65.
- the process fluids namely the oxidizing agent, the coolant and the fuel, are introduced into the channels 13 at the end region of the second distribution structure 46 from the first longitudinal distribution channels 62 for the oxidizing agent, introduced into the channels 14 from the second longitudinal distribution channels 63 for the coolant and from the third longitudinal distribution channels 65 for the fuel introduced into the channels 12.
- the process fluids After the process fluids have flowed through the channels 12, 13, 14, they occur, i. H. the process fluids, again at the outlet area 38 from the channel structure 29 of the bipolar plate 10.
- a first collection structure 75 and a second collection structure 76 are formed between the outlet region 38 and the transverse side 56 shown on the right in FIGS. 6 and 7.
- the first collection structure 75 is essentially axially symmetrical and / or complementary to the first distribution structure 45
- the second collection structure 76 is essentially axially symmetrical and / or complementary to the second distribution structure 46.
- the discharge channel 44 for oxidizing agent and the discharge channel 51 for coolant are therefore arranged in the first collection structure 75.
- the discharge channel 49 for fuel is formed in the second collection structure 76.
- the transverse dimension of the discharge channel 44 for oxidizing agent is only slightly smaller than the transverse dimension 70 of the outlet region 38 of FIG Channel structure 29, so that essentially no transverse distribution of the oxidizing agent in the transverse direction 58 is necessary for guiding the oxidizing agent from the channels 13 for oxidizing agents, which end at the outlet region 38, to the discharge channel 44 for oxidizing agents, but essentially only a longitudinal distribution or distribution. Longitudinal line in the longitudinal direction 57. For this reason, essentially only first collection ducts 77 are routed from the outlet region 38 to the discharge duct 44 as first longitudinal collection ducts 80 for the first process fluid as the oxidizing agent.
- the first collection channels 77 as the first longitudinal collection channels 80 are formed in the first collection structure 75 and the second collection structure 76.
- the transverse dimension of the discharge channel 51 for coolant is significantly smaller than the transverse dimension 70 of the outlet area 38 of the channel structure, so that for the conduction of the coolant from the channels 14 for coolant, which end at the outlet area 38, into the discharge channel 51 for coolant, both a Cross collection of the coolant in the transverse direction 58 is necessary, as is a longitudinal collection or longitudinal line in the longitudinal direction 57.
- second collection channels 78 are led from the outlet area 38 into the discharge channel 51 as second longitudinal collection channels 81 in the longitudinal direction 57 and second cross collection channels 82 in the transverse direction 58 for the second process fluid as the coolant.
- the second transverse collection channels 82 are formed only in the first collection structure 75, and the second longitudinal collection channels 81 are formed in the first and second collection structures 75, 76.
- the second cross-collection channels 82 open into the discharge channel 51 for coolant, so that the coolant flows from the channels 14 first into the second longitudinal collection channels 81, then into the second cross-collection channels 82 and from the second cross-collection channels 82 into the discharge channel 51 for coolant.
- the transverse extent of the discharge channel 49 for fuel is significantly smaller than the transverse extent 70 of the outlet area 38 of the duct structure, so that there is both a transverse distribution for guiding the fuel from the ducts 12, which end at the outlet area 38, into the discharge duct 49 for fuel of the coolant in the transverse direction 58 is necessary, as well as a longitudinal distribution or longitudinal line in the longitudinal direction 57.
- third collection channels 79 are from the outlet region 38 to the discharge channel 49 guided as third longitudinal collection channels 83 in the longitudinal direction 57 and third transverse collection channels 84 in the transverse direction 58 for the third process fluid as the fuel.
- the third collection channels 79 as the third longitudinal collection channels 83 and the third transverse collection channels 84 are only formed on the second collection structure 76 because the discharge channel 49 for fuel is formed in the second collection structure 76.
- the third cross-collection channels 84 open into the discharge channel 49 for fuel, so that the fuel from channels 12 first flows into the third longitudinal collection channels 83, then into the third cross-collection channels 84 and from the third cross-collection channels 84 into the discharge channel 49 for fuel.
- the first and second distribution structures 45, 46 are arranged between the transverse sides 56 and the channel structure 29, so that the process fluids flow in the longitudinal direction 57 essentially in parallel through the channel structure 29 and the inlet and outlet areas 37, 38 extends in the transverse direction.
- the transverse extent of the inlet and outlet areas 37, 38 essentially corresponds to the transverse extent 68 of the channel structure 29.
- the bipolar plate 10 of the fuel cell unit 1 is shown in a second exemplary embodiment.
- the fuel cell unit 1 essentially corresponds to the first exemplary embodiment with a geometrically different arrangement of the feed channel 48 for fuel, the feed channel 50 for coolant, the discharge channel 49 for fuel and the discharge channel 51 for coolant.
- the first and second distribution structures 45, 46 are arranged between the longitudinal sides 55 and the channel structure 29, so that the process fluids flow in the transverse direction 58 essentially in parallel through the channel structure 29 and the inlet and outlet areas 37, 38 extends in the longitudinal direction.
- the longitudinal extent of the inlet and outlet areas 37, 38 essentially corresponds to the longitudinal extent 67 of the channel structure 29.
- the fuel cell unit 1 according to the invention and the fuel cell system 4 according to the invention are associated with significant advantages. All process fluids are in the first and second distribution structure 45, 46 over the entire transverse extent 69 of the
- Inlet area 37 distributed so that all process fluids with respect to the volume flow evenly distributed over the transverse direction 58 flow into the inlet area 37 of the channel structure 29 parallel to one another. In this way, the process fluids can distribute the entire channel structures 29 uniformly with respect to the volume flow over the transverse direction 58 through the
- Fuel cell unit 1 has a large output per unit mass with a slight aging during operation.
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Abstract
The invention relates to a fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells each comprising a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a gas diffusion layer, a bipolar plate (10) with three separate channel structures (29) with channels for the separate passage of oxidising agents, fuel and cooling fluid and the channel structures (29) have an inlet region (37) and an outlet region (38) for the oxidising agent, fuel and cooling fluid, at least one feed channel (43) for feeding the oxidising agent as process fluid into the gas spaces for oxidising the fuel cells, at least one feed channel (48) for feeding fuel as process fluid into the gas spaces for fuel of the fuel cells, at least one feed channel (50) for coolant as process fluid for feeding the coolant into a channel for the coolant, distribution structures (45, 46) for conducting and distributing the process fluids from the feed channels (43, 48, 50) into the channel structures (29) of the bipolar plates (10), wherein in each fuel cell in a direction from the feed channels (43, 48, 50) to the inlet region (37) of the channel structures (29) of the bipolar plate (10), a first distribution structure (45) is formed for two process fluids as the first and second process fluid, and a second distribution structure (46) is formed in a direction from the feed channels (43, 48, 50) to the inlet region (37) of the channel structures (29) of the bipolar plate (10) for the first and second process fluid of the first distribution structure (45) and additionally for a third process fluid.
Description
Beschreibung description
Titel title
Brennstoffzelleneinheit Fuel cell unit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15. The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a fuel cell system according to the preamble of claim 15.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet. Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen übereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. An den Kathoden entsteht aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, sodass es dadurch an dem Gasraum für
Oxidationsmittel, insbesondere an der Gasdiffusionsschicht, zu einer Anreicherung von Wasser bzw. Kondensat kommt. Die Anreicherung von Wasser im Bereich der Kathode, das heißt insbesondere an der Gasdiffusionsschicht für die Kathode, führt zu einer Unterversorgung der Katalysatorschicht mit Oxidationsmittel aufgrund der Flutung der Gasdiffusionsschicht mit Wasser, sodass dadurch die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung stark abnimmt. Ferner verursacht dies eine erhöhte Alterung der Brennstoffzelle aufgrund der Anreicherung mit Wasser. Aus diesem Grund wird versucht, derartige Anreicherungen von Wasser in dem Gasraum für Oxidationsmittel zu vermeiden. Die Luft aus der Umgebung wird mit einer Gasfördereinrichtung, beispielsweise einem Gebläse oder einem Kompressor, in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other to form a fuel cell stack. Inside the fuel cells there is a gas space for oxidizing agent, that is to say a flow space for the passage of oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen. The gas space for oxidizing agent is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. Due to the electrochemical reaction, water is produced at the cathodes, so that it flows into the gas space for Oxidizing agent, in particular on the gas diffusion layer, leads to an accumulation of water or condensate. The accumulation of water in the area of the cathode, i.e. in particular at the gas diffusion layer for the cathode, leads to an undersupply of the catalyst layer with oxidizing agent due to the flooding of the gas diffusion layer with water, so that the electrical voltage generated by the fuel cell is greatly reduced. Furthermore, this causes increased aging of the fuel cell due to the enrichment with water. For this reason, attempts are made to avoid such accumulations of water in the gas space for oxidizing agents. The air from the environment is introduced into the gas spaces for the oxidizing agent with a gas delivery device, for example a fan or a compressor.
Das Oxidationsmittel wird durch wenigsten einen Zuführkanal in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet und durch wenigstens einen Abführkanal aus den Gasräumen für Oxidationsmittel ausgebleitet. In den Bipolarplatten und den Membranelektrodenanordnungen sind Verlängerungen als Abdichtplatten ausgebildet und in den Abdichtplatten sind Fluidöffnungen eingearbeitet. Die Fluidöffnungen sind fluchtend gestapelt in der Brennstoffzelleneinheit ausgerichtet, so dass die Fluidöffnungen den wenigstens einen Zuführkanal und den wenigstens einen Abführkanal bilden. Zwischen den Abdichtplatten im Bereich der Fluidöffnungen sind Dichtungen angeordnet, damit das Oxidationsmittel nicht unkontrolliert in die Zwischenräume zwischen den Abdichtplatten gelangt. Das Oxidationsmittel wird in die Kanäle für Oxidationsmittel aus dem wenigstens einen Zuführkanal eingeleitet. Der Zuführkanal für Oxidationsmittel weist eine kleine Querausdehnung auf, so dass in einer Verteilungsstruktur zwischen dem Zuführkanal für Oxidationsmittel und einem Einlassbereich der Kanalstruktur mit den Kanälen für Oxidationsmittel eine große Querverteilung notwendig ist. Dies ist nachteilig, weil dadurch das Oxidationsmittel bereits mit einer unterschiedlichen Temperatur und Druck in die Kanäle für Oxidationsmittel einströmt. Dies gilt analog für das Kühlmittel und den Brennstoff als die weiteren Prozessfluide der Brennstoffzelle, so dass auch diese mit den genannten Nachteilen in die Kanäle für Kühlmittel und Brennstoff an den anderen Kanalstrukturen der Bipolarplatte einströmen. Zu- und Abführkanäle für Brennstoff und Kühlmittel sind in analoger Weise als Fluidöffnungen an den Abdichtplatten ausgebildet. Aufgrund der Einleitung je eines Prozessfluides nur
an einem Teilbereich als Einlassbereich an einem Ende der Kanalstruktur, strömen die Prozessfluide nicht überall parallel durch die Kanalstruktur, so dass nur in einem geringen Umfang eine Wärmeübertragung zwischen den Prozessfluiden innerhalb der Kanalstrukturen möglich ist. Dies führt zu großen Unterschieden in der Temperatur und der Feuchtigkeit in den Gasräumen für Oxidationsmittel und Brennstoff. Damit nimmt die Leistung der Brennstoffzelle ab und die Alterung wird erhöht. The oxidizing agent is introduced into the gas chambers for oxidizing agent through at least one feed channel and discharged from the gas chambers for oxidizing agent through at least one discharge channel. Extensions are designed as sealing plates in the bipolar plates and the membrane electrode arrangements, and fluid openings are incorporated in the sealing plates. The fluid openings are stacked flush in the fuel cell unit, so that the fluid openings form the at least one supply channel and the at least one discharge channel. Seals are arranged between the sealing plates in the area of the fluid openings so that the oxidizing agent does not get into the spaces between the sealing plates in an uncontrolled manner. The oxidizing agent is introduced into the channels for oxidizing agents from the at least one feed channel. The supply channel for oxidizing agent has a small transverse extent, so that a large transverse distribution is necessary in a distribution structure between the supply channel for oxidizing agent and an inlet region of the channel structure with the channels for oxidizing agent. This is disadvantageous because as a result the oxidizing agent already flows into the channels for oxidizing agents at a different temperature and pressure. This applies analogously to the coolant and the fuel as the further process fluids of the fuel cell, so that these, with the disadvantages mentioned, also flow into the channels for coolant and fuel on the other channel structures of the bipolar plate. Supply and discharge channels for fuel and coolant are designed in an analogous manner as fluid openings on the sealing plates. Due to the introduction of one process fluid only in a partial area as an inlet area at one end of the channel structure, the process fluids do not flow parallel everywhere through the channel structure, so that heat transfer between the process fluids within the channel structures is only possible to a small extent. This leads to large differences in the temperature and humidity in the gas spaces for oxidizing agent and fuel. This reduces the performance of the fuel cell and increases its aging.
Die DE 102006 019 114 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in zumindest zwei Stufen angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in jeder der zumindest zwei Stufen in einer parallelen Anordnung angeordnet sind und die Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei eine erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist und eine zweite Stufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei die erste Vielzahl von Brennstoffzellen eine größere Anzahl von Brennstoffzellen als die zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst; einem Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe; zumindest einem Einlass/Austragsverteiler für Anodengas, wobei der Einlass/Austragsverteiler für Anodengas ermöglicht, dass Anodenabgas die erste Stufe verlassen kann, und ermöglicht, dass das Anodenabgas in die zweite Stufe eintreten kann; und einem Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der zweiten Stufe. DE 102006 019 114 A1 discloses a fuel cell system with a plurality of fuel cells, each of the fuel cells comprising a membrane electrode arrangement, an anode catalyst layer on a first side of the membrane electrode arrangement and a cathode catalyst layer on a second side of the membrane electrode arrangement, the plurality of fuel cells in at least two stages are arranged, wherein the plurality of fuel cells are arranged in each of the at least two stages in a parallel arrangement and the stages are arranged in a series arrangement, wherein a first stage has a first plurality of fuel cells and a second stage has a second plurality of fuel cells wherein the first plurality of fuel cells comprises a greater number of fuel cells than the second plurality of fuel cells; an anode gas inlet manifold in communication with the first stage; at least one anode gas inlet / discharge manifold, the anode gas inlet / discharge manifold allowing anode exhaust gas to exit the first stage and allowing the anode exhaust gas to enter the second stage; and an anode gas discharge manifold in communication with the second stage.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine
Gasdiffusionsschicht, eine Bipolarplatte mit drei getrennten Kanalstrukturen mit Kanälen für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid und die Kanalstrukturen einen Einlassbereich und einen Auslassbereich für das Oxidationsmittel, den Brennstoff und das Kühlfluid aufweisen, wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessfluid in die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen, wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessfluid in die Gasräume für Brennstoff der Brennstoffzellen, wenigstens einen Zuführkanal für Kühlmittel als Prozessfluid zur Zuleitung des Kühlmittels in einen Kanal für Kühlmittel, Verteilungsstrukturen zur Leitung und Verteilung der Prozessfluide von den Zuführkanälen in die Kanalstrukturen der Bipolarplatten, wobei in je einer Brennstoffzelle in einer Richtung von den Zuführkanälen zu dem Einlassbereich der Kanalstrukturen der Bipolarplatte eine erste Verteilungsstruktur für zwei Prozessfluide als erstes und zweites Prozessfluid ausgebildet ist und in einer Richtung von den Zuführkanälen zu dem Einlassbereich der Kanalstrukturen der Bipolarplatte eine zweite Verteilungsstruktur für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur und zusätzlich für ein drittes Prozessfluid ausgebildet ist. Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising stacked fuel cells, the fuel cells each comprising a proton exchange membrane, an anode, a cathode, a Gas diffusion layer, a bipolar plate with three separate channel structures with channels for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid and the channel structures have an inlet area and an outlet area for the oxidizing agent, the fuel and the cooling fluid, at least one feed channel for the supply of oxidizing agent as process fluid into the Gas chambers for oxidizing agent of the fuel cells, at least one feed channel for feeding fuel as process fluid into the gas chambers for fuel of the fuel cells, at least one feeding channel for coolant as process fluid for feeding the coolant into a channel for coolant, distribution structures for feeding and distributing the process fluids from the feed channels into the channel structures of the bipolar plates, with a first distribution structure for between two ei process fluids are formed as first and second process fluids and a second distribution structure for the first and second process fluids of the first distribution structure and additionally for a third process fluid is formed in a direction from the supply channels to the inlet area of the channel structures of the bipolar plate.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die zweite Verteilungsstruktur zwischen der ersten Verteilungsstruktur und dem Einlassbereich der Kanalstrukturen der Bipolarplatte ausgebildet. In a supplementary embodiment, the second distribution structure is formed between the first distribution structure and the inlet region of the channel structures of the bipolar plate.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Verteilungsstruktur nur für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet, so dass in der ersten Verteilungsstruktur nur erste und zweite Verteilungskanäle für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet sind. In a further embodiment, the first distribution structure is formed only for the first and second process fluid, so that only first and second distribution channels for the first and second process fluid are formed in the first distribution structure.
In einer zusätzlichen Variante sind die Zuführkanäle für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur in der ersten Verteilungsstruktur ausgebildet. In an additional variant, the supply channels for the first and second process fluids of the first distribution structure are formed in the first distribution structure.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal für das dritte Prozessfluid, insbesondere ausschließlich, in der zweiten Verteilungsstruktur ausgebildet.
Vorzugsweise sind in der ersten Verteilungsstruktur getrennte erstes und zweite Verteilungskanäle für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet und die ersten und zweiten Verteilungskanäle sind in einer Richtung senkrecht zu von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen getrennt voneinander ausgebildet. In a supplementary embodiment, the at least one supply channel for the third process fluid is formed, in particular exclusively, in the second distribution structure. Separate first and second distribution channels for the first and second process fluid are preferably formed in the first distribution structure, and the first and second distribution channels are formed separately from one another in a direction perpendicular to fictitious planes spanned by the fuel cells.
In einerweiteren Ausführungsform sind in der zweiten Verteilungsstruktur getrennte erste, zweite und dritte Verteilungskanäle für das erste, zweite und dritte Prozessfluid ausgebildet. In a further embodiment, separate first, second and third distribution channels for the first, second and third process fluid are formed in the second distribution structure.
In einerweiteren Variante sind zwei der ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen getrennt voneinander ausgebildet und/oder einer der ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ist neben einem der anderen ersten, zweiten oder dritten Verteilungskanal ausgebildet. In a further variant, two of the first, second and third distribution channels are formed separately from one another in a direction perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells and / or one of the first, second and third distribution channels in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells is formed next to one of the other first, second or third distribution channels.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle als Längskanäle in der zweiten Verteilungsstruktur im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°. In an additional embodiment, the first, second and third distribution channels are aligned as longitudinal channels in the second distribution structure essentially parallel to one another. Substantially means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.
Zweckmäßig weist die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere die Brennstoffzellen, in einer Längsrichtung eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung eine Querausdehnung auf und die Längsrichtung und Querrichtung sind zueinander senkrecht und parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. The fuel cell unit, in particular the fuel cells, expediently has a longitudinal extent in a longitudinal direction and a transverse extent in a transverse direction, and the longitudinal and transverse directions are mutually perpendicular and parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells.
In einerweiteren Ausgestaltung entspricht bei einer Ausbildung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur zwischen einer Querseite der Brennstoffzelleneinheit und der Kanalstruktur der Bipolarplatte die Querausdehnung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur im Wesentlichen der Querausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das erste Prozessfluid das Oxidationsmittel, das zweite Prozessfluid das Kühlmittel ist und das dritte Prozessfluid der Brennstoff ist. In a further embodiment, when the first and second distribution structure are formed between a transverse side of the fuel cell unit and the channel structure of the bipolar plate, the transverse extent of the first and second distribution structure essentially corresponds to the transverse extent of the inlet area of the channel structure. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. In a supplementary embodiment, the first process fluid is the oxidizing agent, the second process fluid is the coolant and the third process fluid is the fuel.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Zuführkanäle in Längsrichtung nebeneinander und in Querrichtung im Wesentlichen mittig angeordnet, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Querrichtung zwischen der Querseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen mittig bedeutet vorzugweise, dass in einem Schnitt parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen die Mittelpunkte oder Schwerpunkte der Zuführkanäle einen Abstand zu einer zentrischen Längsmittelgerade der Brennstoffzellen aufweisen, der kleiner ist als 30%, 20% oder 10% der Hälfte der Querausdehnung der Brennstoffzellen. In a further embodiment, the supply channels are arranged next to one another in the longitudinal direction and essentially centrally in the transverse direction, preferably when the inlet area is designed with an extension predominantly in the transverse direction between the transverse side of the fuel cell and the channel structure. Essentially centered preferably means that in a section parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, the centers or focal points of the feed channels are at a distance from a central longitudinal center line of the fuel cells that is less than 30%, 20% or 10% of half the Transverse expansion of the fuel cells.
In einerweiteren Ausgestaltung entspricht die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Oxidationsmittel im Wesentlichen der Querausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Querrichtung zwischen der Querseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Es ist somit im Wesentlichen keine Querverteilung des Oxidationsmittels von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur notwendig. In a further embodiment, the transverse extent or the sum of the transverse extent of the at least one feed channel for oxidizing agent essentially corresponds to the transverse extent of the inlet area of the channel structure, preferably when the inlet area is formed with an extent predominantly in the transverse direction between the transverse side of the fuel cell and the channel structure. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. There is thus essentially no transverse distribution of the oxidizing agent from the at least one feed channel to the inlet region of the channel structure necessary.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist. Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas storage device for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being designed as a fuel cell unit described in this patent application.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Zuführkanäle in Querrichtung nebeneinander und in Längsrichtung im Wesentlichen mittig angeordnet, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Längsrichtung zwischen der Längsseite der Brennstoffzelle und
der Kanalstruktur. Im Wesentlichen mittig bedeutet vorzugweise, dass in einem Schnitt parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen die Mittelpunkte oder Schwerpunkte der Zuführkanäle einen Abstand zu einer zentrischen Quermittelgerade der Brennstoffzellen aufweisen, der kleiner ist als 30%, 20% oder 10% der Hälfte der Längsausdehnung der Brennstoffzellen. In a further embodiment, the feed channels are arranged next to one another in the transverse direction and essentially in the middle in the longitudinal direction, preferably when the inlet area is formed with an extension predominantly in the longitudinal direction between the longitudinal side of the fuel cell and the channel structure. Essentially centered preferably means that in a section parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells, the centers or focal points of the feed channels are at a distance from a central transverse center line of the fuel cells that is less than 30%, 20% or 10% of half the Longitudinal expansion of the fuel cells.
In einerweiteren Ausgestaltung sind in Längsrichtung von der Querseite zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur der Bipolarplatte zuerst der wenigstens eine Zuführkanal für Oxidationsmittel und anschließend der wenigstens eine Zuführkanal für Kühlmittel ausgebildet in der ersten Verteilungsstruktur und darauffolgend in Längsrichtung der wenigstens eine Zuführkanal für Brennstoff in der zweiten Verteilungsstruktur. In a further embodiment, in the longitudinal direction from the transverse side to the inlet area of the channel structure of the bipolar plate, first the at least one supply channel for oxidizing agent and then the at least one supply channel for coolant are formed in the first distribution structure and then in the longitudinal direction the at least one supply channel for fuel in the second distribution structure .
In einerweiteren Ausgestaltung entspricht bei einer Ausbildung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur zwischen einer Längsseite der Brennstoffzelleneinheit und der Kanalstruktur der Bipolarplatte die Längsausdehnung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur im Wesentlichen der Längsausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. In a further embodiment, when the first and second distribution structure is formed between a longitudinal side of the fuel cell unit and the channel structure of the bipolar plate, the longitudinal extent of the first and second distribution structure essentially corresponds to the longitudinal extent of the inlet area of the channel structure. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
In einerweiteren Ausgestaltung sind in Querrichtung von der Längsseite zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur der Bipolarplatte zuerst der wenigstens Zuführkanal für Oxidationsmittel und anschließend der wenigstens eine Zuführkanal für Kühlmittel ausgebildet in der ersten Verteilungsstruktur und darauffolgend in Querrichtung der wenigstens eine Zuführkanal für Brennstoff in der zweiten Verteilungsstruktur. In a further embodiment, in the transverse direction from the longitudinal side to the inlet area of the channel structure of the bipolar plate, first the at least one supply channel for oxidizing agent and then the at least one supply channel for coolant are formed in the first distribution structure and then in the transverse direction the at least one supply channel for fuel in the second distribution structure.
In einerweiteren Ausgestaltung entspricht die Längsausdehnung oder die Summe der Längsausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Brennstoff im Wesentlichen der Längsausdehnung des Einlassbereiches der Kanalstruktur, vorzugsweise bei einer Ausbildung des Einlassbereiches mit einer Ausdehnung überwiegend in Längsrichtung zwischen der Längsseite der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Es ist somit im
Wesentlichen keine Längsverteilung des Brennstoffes von dem wenigstens einen Zuführkanal zu dem Einlassbereich der Kanalstruktur notwendig. In a further embodiment, the longitudinal extent or the sum of the longitudinal extents of the at least one feed channel for fuel essentially corresponds to the longitudinal extent of the inlet area of the channel structure, preferably when the inlet area is formed with an extent predominantly in the longitudinal direction between the longitudinal side of the fuel cell and the channel structure. Substantially means preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%. It is therefore in the Substantially no longitudinal distribution of the fuel from the at least one feed channel to the inlet region of the channel structure is necessary.
Zweckmäßig ist die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Kühlmittel kleiner ist als 90%, 70% oder 50% der Querausdehnung der Einlassbereiches der Kanalstruktur. The transverse extent or the sum of the transverse extent of the at least one supply channel for coolant is expediently smaller than 90%, 70% or 50% of the transverse extent of the inlet area of the duct structure.
In einerweiteren Variante ist die Querausdehnung oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales für Brennstoff kleiner ist als 90%, 70% oder 50% der Querausdehnung der Einlassbereiches der Kanalstruktur. In a further variant, the transverse extent or the sum of the transverse extent of the at least one feed channel for fuel is smaller than 90%, 70% or 50% of the transverse extent of the inlet area of the duct structure.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der wenigstens eine Zuführkanal und/oder Abführkanal für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Die Ausrichtung des wenigstens einen Zuführkanales und/oder Abführkanales für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff und/oder Kühlmittel ist die Längsachse und/oder die Strömungsrichtung des Prozessfluides in dem Zuführkanal und/oder Abführkanal. Im Wesentlichen senkrecht bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°. In an additional embodiment, the at least one supply channel and / or discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is oriented essentially perpendicular to the fictitious planes spanned by the fuel cells. The orientation of the at least one supply channel and / or discharge channel for oxidizing agent and / or fuel and / or coolant is the longitudinal axis and / or the flow direction of the process fluid in the supply channel and / or discharge channel. Substantially perpendicular means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Querausdehnung des Einlassbereiches im Wesentlichen der Querausdehnung der Kanalstruktur bei einer Ausbildung des Einlassbereiches zwischen den Querseiten der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. In an additional embodiment, the transverse extent of the inlet area essentially corresponds to the transverse extent of the channel structure when the inlet area is formed between the transverse sides of the fuel cell and the channel structure.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Längsausdehnung des Einlassbereiches im Wesentlichen der Längsausdehnung der Kanalstruktur bei einer Ausbildung des Einlassbereiches zwischen den Längsseiten der Brennstoffzelle und der Kanalstruktur. In an additional embodiment, the longitudinal extent of the inlet area corresponds essentially to the longitudinal extent of the channel structure when the inlet area is formed between the longitudinal sides of the fuel cell and the channel structure.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind sämtliche Kanäle für Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel in den Kanalstrukturen der Bipolarplatten dahingehend ausgebildet, so dass das Oxidationsmittel, der Brennstoff und das Kühlmittel die Kanäle im Wesentlichen parallel durchströmen.
Im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°. In a supplementary embodiment, all channels for oxidizing agent, fuel and coolant in the channel structures of the bipolar plates are designed so that the oxidizing agent, fuel and coolant flow through the channels essentially in parallel. Essentially parallel means preferably with a deviation of less than 30 °, 20 ° or 10 °.
In einerweiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Brennstoff aus den Brennstoffzellen. In a further variant, the fuel cell unit comprises at least one discharge channel for discharging fuel from the fuel cells.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Abführkanal zur Ableitung von Kühlmittel aus den Brennstoffzellen. In a supplementary embodiment, the fuel cell unit comprises at least one discharge channel for discharging coolant from the fuel cells.
In einer weiteren Variante sind in der ersten Verteilungsstruktur und/oder zweiten Verteilungsstruktur die ersten Verteilungskanäle und/oder zweiten Verteilungskanäle und/oder dritten Verteilungskanäle in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen getrennt voneinander in zwei oder drei Ebenen ausgebildet. In a further variant, in the first distribution structure and / or second distribution structure, the first distribution channels and / or second distribution channels and / or third distribution channels are formed separately from one another in two or three levels in a direction perpendicular to the fictitious levels spanned by the fuel cells.
In einer weiteren Variante sind in der ersten Verteilungsstruktur und/oder zweiten Verteilungsstruktur die ersten Verteilungskanäle und/oder zweiten Verteilungskanäle und/oder dritten Verteilungskanäle in einer Richtung parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen neben einem anderen ersten, zweiten oder dritten Verteilungskanal in wenigstens einer Ebene ausgebildet. In a further variant, in the first distribution structure and / or second distribution structure, the first distribution channels and / or second distribution channels and / or third distribution channels are in at least one direction parallel to the fictitious planes spanned by the fuel cells next to another first, second or third distribution channel trained on one level.
In einerweiteren Ausgestaltung ist wenigstens ein, insbesondere sind sämtliche Merkmale, offenbart in diesem Schutzrecht bezüglich einer Brennstoffzelle bei sämtlichen Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet. In a further embodiment, at least one, in particular all of the features disclosed in this property right with regard to a fuel cell are embodied in all fuel cells of the fuel cell unit.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt, insbesondere übereinander. In an additional embodiment, the fuel cells of the fuel cell unit are stacked in alignment, in particular one on top of the other.
In einerweiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für BrennstoffzellenIn a further variant, the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements. Components for fuel cells are useful
Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.
In einerweiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte. In a further embodiment, the fuel cells each comprise a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate.
In einerweiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet. In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped and / or is designed as a tensioning belt.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet. The clamping elements are expediently designed as clamping plates.
In einerweiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder eine Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet. In a further variant, the gas delivery device is designed as a fan and / or a compressor and / or a pressure vessel with an oxidizing agent.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen. In particular, the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connection devices.
In einerweiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet. In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and / or disk-shaped and / or flat and / or are designed as a grid.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas. Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet. The fuel cells are expediently designed to be essentially flat and / or disk-shaped.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff. In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen. The fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: Brief description of the drawings In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung einesFig. 1 is a greatly simplified exploded view of a
Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle, Fuel cell system with components of a fuel cell,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle, 2 shows a perspective view of part of a fuel cell,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle, 3 shows a longitudinal section through a fuel cell,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack, 4 shows a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, i.e. H. a fuel cell stack,
Fig. 5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß Fig. 4, FIG. 5 shows a section through the fuel cell unit according to FIG. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht einer Bipolarplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel, 6 shows a plan view of a bipolar plate of the fuel cell unit according to the invention in a first exemplary embodiment,
Fig. 7 eine vergrößerte Draufsicht der Bipolarplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel, 7 shows an enlarged plan view of the bipolar plate of the fuel cell unit according to the invention in the first exemplary embodiment,
Fig. 8 einen Schnitt A-A gemäß Fig. 7 der Bipolarplatte, 8 shows a section A-A according to FIG. 7 of the bipolar plate,
Fig. 9 einen Schnitt B-B gemäß Fig. 7 der Bipolarplatte, 9 shows a section B-B according to FIG. 7 of the bipolar plate,
Fig. 10 einen Schnitt C-C gemäß Fig. 7 der Bipolarplatte und FIG. 10 shows a section C-C according to FIG. 7 of the bipolar plate and FIG
Fig. 11 eine vergrößerte Draufsicht der Bipolarplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit in dem zweiten Ausführungsbeispiel. 11 shows an enlarged plan view of the bipolar plate of the fuel cell unit according to the invention in the second exemplary embodiment.
In den Fig. 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet
und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt. 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. Hydrogen H2 is fed to an anode 7 as a gaseous fuel and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is passed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. A reduction (electron uptake) takes place at the cathode 8. The oxidation as the release of electrons is carried out at the anode 7.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten: The redox equations for the electrochemical processes are:
Kathode: Cathode:
02 + 4 H+ + 4 e- ~» 2 H20 0 2 + 4 H + + 4 e- ~ »2 H 2 0
Anode: Anode:
2 H2 -» 4 H+ + 4 e- 2 H 2 - »4 H + + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: Sum reaction equation of cathode and anode:
2 H2 + 02 ~» 2 H20 2 H 2 + 0 2 ~ »2 H 2 0
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1 ,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht. The difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages over 1.0 V can be reached and in operation with higher currents voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of a fuel cell 2.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 pm bis 150 pm dicke,
protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt. The fuel cell 2 also comprises a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8. The anode 7 and cathode 8 are layered or disk-shaped. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 pm to 150 pm are thick, Proton-conducting films made of perfluorinated and sulfonated polymers are used. The PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + , so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H +. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O2 and hydrogen H2, ie it blocks the flow of oxygen O2 and hydrogen H2 between a gas space 31 at the anode 7 with hydrogen H2 fuel and the gas space 32 at the cathode 8 with air or Oxygen O2 as an oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen- Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin- Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt. The electrodes 7, 8 as the anode 7 and cathode 8 rest on the two sides of the PEM 5, each facing the gas spaces 31, 32. A unit composed of the PEM 5 and the electrodes 6, 7 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (Membrane Electrode Assembly, MEA). The electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5. The electrodes 6, 7 are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and / or PVA (polyvinyl alcohol) and are encapsulated in microporous carbon fiber, Glass fiber or plastic mats are hot-pressed. A catalyst layer 30 is normally applied to each of the electrodes 6, 7 on the side facing the gas spaces 31, 32. The catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodisperse platinum. Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den
Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom.A gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL) rests on the anode 7 and the cathode 8. The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidizing agent from channels 13 for oxidizing agent evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also draws water of reaction in the opposite direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in one direction each from the catalyst layer 30 to the Channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 moist and conducts the current.
Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut. The GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded layer of carbon powder.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. A bipolar plate 10 rests on the GDL 9. The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and / or flow fields 29 and for dissipating the waste heat that occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8. In order to dissipate the waste heat, channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for the passage of a liquid or gaseous coolant as a process fluid. The channel structure 29 on the gas space 31 for fuel is formed by channels 12. The channel structure 29 in the gas space 32 for oxidizing agent is formed by channels 13. For example, metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used as the material for the bipolar plates 10.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 gestapelt angeordnet (Fig. 4). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff H2 als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und
gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. A plurality of fuel cells 2 are stacked in a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 (FIG. 4). In Fig. 1, an exploded view of two stacked fuel cells 2 is shown. A seal 11 seals the gas spaces 31, 32 in a fluid-tight manner. In a compressed gas reservoir 21 (FIG. 1), hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the pressurized gas reservoir 21, the fuel is passed through a high pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is fed from the medium pressure line 17 to an injector 19. At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is fed to a feed line 16 for fuel (FIG. 1) and from the feed line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. The fuel thereby flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7. After flowing through the channels 12, the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and if necessary, water from a controlled humidification of the anode 7 is diverted from the fuel cells 2 through a discharge line 15.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen 42 an Abdichtplatten 41 als Verlängerung am Endbereich der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (Fig. 6 und 7) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. A gas delivery device 22, for example designed as a fan 23 or a compressor 24, delivers air from the environment as an oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. From the supply line 25, the air is fed to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8. After flowing through the channels 13 or the gas space 32 for the oxidizing agent 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction arising at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. A feed line 27 is used to feed coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are shown in FIG. 1 as separate lines for reasons of simplicity and are actually structurally at the end area near the channels 12, 13, 14 as aligned fluid openings 42 on sealing plates 41 designed as an extension at the end region of the superimposed bipolar plates 10 (FIGS. 6 and 7) and membrane electrode arrangements 6 (not shown). The fuel cell stack 1 together with the compressed gas storage device 21 and the gas delivery device 22 form a fuel cell system 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den
Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden. In the fuel cell unit 1, the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34. An upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2. The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, which are not all shown in FIG. 4 for reasons of drawing. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 with a compressive force and the lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2 with a compressive force. So that the fuel cell stack 2 is braced to the tightness for the To ensure fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 39 are designed as bolts 40 on the fuel cell unit 1, which are subject to tensile stress. The four bolts 40 are firmly connected to the chipboard 34.
Die Fig. 1 bis 5 dienen lediglich zur Darstellung der grundlegenden Funktionsweise von Brennstoffzellen 2 und erfindungswesentliche Merkmale sind in den Fig. 1 bis 5 teilweise nicht abgebildet. FIGS. 1 to 5 merely serve to illustrate the basic mode of operation of fuel cells 2 and features essential to the invention are partially not shown in FIGS. 1 to 5.
In den Fig. 6 bis 10 ist eine Brennstoffzelle 2 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Bipolarplatte 10 ist aus zwei umgeformten Platten aufgebaut, nämlich einer oberen Platte und einer unteren Platte (Fig. 2 und 3), so dass sich in der Bipolarplatte 10 die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29 ausbilden. Die Fluidöffnungen 42 an den Abdichtplatten 41 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 43, 44, 48, 49, 50, 51 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 41 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 42 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 43, 44, 48, 49, 50, 51.In FIGS. 6 to 10, a fuel cell 2 of a fuel cell unit 1 according to the invention is shown in a first exemplary embodiment. The bipolar plate 10 is constructed from two reshaped plates, namely an upper plate and a lower plate (FIGS. 2 and 3), so that the channels 12, 13 and 14 are formed as three separate channel structures 29 in the bipolar plate 10. The fluid openings 42 on the sealing plates 41 of the bipolar plates 10 and membrane electrode assemblies 6 are stacked in an aligned manner within the fuel cell unit 1 so that feed and discharge channels 43, 44, 48, 49, 50, 51 are formed. Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 41 for the fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 43, 44, 48, 49, 50, 51 formed by the fluid openings 42.
Die Bipolarplatten 10 (Fig. 6 und 7) und Membranelektrodenanordnungen 6 sind im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung als Länge in einer Längsrichtung 57 auf und eine Querausdehnung in einer Querrichtung 58 auf. Die im Wesentlichen schichtförmigen Bipolarplatten 10, Membranelektrodenanordnungen 6 und Gasdiffusionsschichten 9 spannen fiktive Ebenen 52 auf. Eine Richtung 53 ist senkrecht zu den fiktiven Ebenen 52 ausgerichtet. Die Zeichenebenen der Fig. 6 und 7 sind in den fiktiven Ebenen 52 bzw. parallel zu diesen ausgerichtet. The bipolar plates 10 (FIGS. 6 and 7) and membrane electrode arrangements 6 are essentially rectangular and have a longitudinal extent as a length in a longitudinal direction 57 and a transverse extent in a transverse direction 58. The essentially layered bipolar plates 10, membrane electrode arrangements 6 and gas diffusion layers 9 span fictitious planes 52. A direction 53 is oriented perpendicular to the fictitious planes 52. The drawing planes of FIGS. 6 and 7 are aligned in the fictitious planes 52 or parallel to them.
Die Brennstoffzelleneinheit 1, die Brennstoffzellen 2 und die Bipolarplatten 10 mit den Abdichtplatten 41 weisen zwei gegenüberliegende Längsseiten 55 gegenüberliegend in Querrichtung 58 als Enden in Querrichtung 58 und zwei gegenüberliegende Querseiten 56 gegenüberliegend in Längsrichtung 57 als
Enden in Längsrichtung 57 auf. Zwischen der in Fig. 6 und 7 links dargestellten Querseite 56 und einem Einlassbereich 37 an der Kanalstruktur 29 zum Einleiten eines ersten Prozessfluides als das Oxidationsmittel in die Kanäle 13, eines zweiten Prozessfluides als das Kühlmittel in den Kanäle 14 und eines dritten Prozessfluides als den Brennstoff in den Kanäle 12 sind eine erste Verteilungsstruktur 45 und eine zweite Verteilungsstruktur 46 ausgebildet. In der ersten Verteilungsstruktur 45 ist ein Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel und ein Zuführkanal 50 für Kühlmittel angeordnet. In der zweiten Verteilungsstruktur 46 ist ein Zuführkanal 48 für Brennstoff ausgebildet. Die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur 29 entspricht der Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur 29 und ist geringfügig kleiner als die Querausdehnung der Bipolarplatte 10, d. h. dem Abstand in Querrichtung 58 zwischen den beiden Längsseiten 55. Die Querausdehnungen 69, 70 entsprechen der Querausdehnung 68 der Kanalstruktur 29, d. h die Ein- und Auslassbereiche 37, 38 sind an den gesamten Endbereich in Längsrichtung 57 der Kanalstruktur 29 ausgebildet. Die Längsausdehnung 67 der Kanalstruktur 29 beträgt ungefähr 60% bis 90% der Längsausdehnung der Bipolarplatte 10. Die Längsausdehnung 71 der ersten Verteilungsstruktur 45 ist wesentlich größer, ungefähr um das 2-Fache größer, als die Längsausdehnung 73 der zweiten Verteilungsstruktur 46, da in der ersten Verteilungsstruktur 45 in Längsrichtung 57 nebeneinander der Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel und der Zuführkanal 50 für Kühlmittel angeordnet sind. Die Querausdehnung 72 der ersten Verteilungsstruktur 45 entspricht der Querausdehnung 74 der zweiten Verteilungsstruktur 46 und die Querausdehnungen 72, 74 der ersten und zweiten Verteilungsstrukturen 45, 46 sind im Wesentlichen identisch zu der Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur 29. The fuel cell unit 1, the fuel cells 2 and the bipolar plates 10 with the sealing plates 41 have two opposite longitudinal sides 55 opposite one another in the transverse direction 58 as ends in the transverse direction 58 and two opposite transverse sides 56 opposite one another in the longitudinal direction 57 as Ends in the longitudinal direction 57. Between the transverse side 56 shown on the left in FIGS. 6 and 7 and an inlet area 37 on the channel structure 29 for introducing a first process fluid as the oxidizing agent into the channels 13, a second process fluid as the coolant in the channels 14 and a third process fluid as the fuel A first distribution structure 45 and a second distribution structure 46 are formed in the channels 12. A supply channel 43 for oxidizing agent and a supply channel 50 for coolant are arranged in the first distribution structure 45. A feed channel 48 for fuel is formed in the second distribution structure 46. The transverse extent 69 of the inlet area 37 of the channel structure 29 corresponds to the transverse extent 70 of the outlet area 38 of the channel structure 29 and is slightly smaller than the transverse extent of the bipolar plate 10, i.e. the distance in the transverse direction 58 between the two longitudinal sides 55. The transverse extents 69, 70 correspond to the transverse extent 68 of the channel structure 29, i.e. h the inlet and outlet areas 37, 38 are formed on the entire end area in the longitudinal direction 57 of the channel structure 29. The longitudinal extent 67 of the channel structure 29 is approximately 60% to 90% of the longitudinal extent of the bipolar plate 10. The longitudinal extent 71 of the first distribution structure 45 is significantly larger, approximately 2 times greater than the longitudinal extent 73 of the second distribution structure 46, since in the First distribution structure 45 in the longitudinal direction 57, the supply channel 43 for oxidizing agent and the supply channel 50 for coolant are arranged side by side. The transverse extent 72 of the first distribution structure 45 corresponds to the transverse extent 74 of the second distribution structure 46 and the transverse extents 72, 74 of the first and second distribution structures 45, 46 are essentially identical to the transverse extent 69 of the inlet region 37 of the channel structure 29.
Die Querausdehnung 85 des Zuführkanales 43 für Oxidationsmittel ist nur geringfügig kleiner als die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Oxidationsmittels von dem Zuführkanal 43 für Oxidationsmittel in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel, welche an dem Einlassbereich 37 beginnen, im Wesentlichen keine Querverteilung des Oxidationsmittels in Querrichtung 58, sondern im Wesentlichen nur eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57 notwendig ist. Aus diesem Grund sind von dem Zuführkanal 43 zu den Einlassbereich 37 im Wesentlichen nur erste Verteilungskanäle 59 als erstes Längsverteilungskanäle
62 geführt für das erste Prozessfluid als das Oxidationsmittel. Die ersten Verteilungskanäle 59 als die ersten Längsverteilungskanäle 62 sind in der ersten Verteilungsstruktur 45 und der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet. The transverse dimension 85 of the feed channel 43 for oxidizing agent is only slightly smaller than the transverse dimension 69 of the inlet area 37 of the channel structure, so that for the guidance of the oxidizing agent from the feed channel 43 for oxidizing agent into the channels 13 for oxidizing agent, which begin at the inlet area 37, in Substantially no transverse distribution of the oxidizing agent in transverse direction 58, but essentially only a longitudinal distribution or longitudinal line in longitudinal direction 57 is necessary. For this reason, there are essentially only first distribution channels 59 as the first longitudinal distribution channels from the supply channel 43 to the inlet region 37 62 routed for the first process fluid as the oxidizer. The first distribution channels 59 as the first longitudinal distribution channels 62 are formed in the first distribution structure 45 and the second distribution structure 46.
Die Querausdehnung 86 des Zuführkanales 50 für Kühlmittel ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Kühlmittels von dem Zuführkanal 50 für Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel, welche an dem Einlassbereich 37 beginnen, sowohl eine Querverteilung des Kühlmittels in Querrichtung 58 als auch eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57 notwendig ist. Aus diesem Grund sind von dem Zuführkanal 50 zu den Einlassbereich 37 zweite Verteilungskanäle 60 als zweite Längsverteilungskanäle 63 in Längsrichtung 57 und zweite Querverteilungskanäle 64 in Querrichtung 58 geführt für das zweite Prozessfluid als das Kühlmittel. Die zweiten Querverteilungskanäle 64 sind nur in der ersten Verteilungsstruktur 45 ausgebildet und die zweiten Längsverteilungskanäle 63 sind in der ersten und zweiten Verteilungsstruktur 45,46 ausgebildet. Die zweiten Querverteilungskanäle 64 münden in den Zuführkanal 50 für Kühlmittel, so dass das Kühlmittel aus dem Zuführkanal 50 zuerst in die zweiten Querverteilungskanäle 64 strömt und anschließend in die zweiten Längsverteilungskanäle 63. The transverse dimension 86 of the supply channel 50 for coolant is significantly smaller than the transverse dimension 69 of the inlet area 37 of the channel structure, so that for the guiding of the coolant from the supply channel 50 for coolant into the channels 14 for coolant, which begin at the inlet area 37, both a Transverse distribution of the coolant in the transverse direction 58 as well as a longitudinal distribution or longitudinal line in the longitudinal direction 57 is necessary. For this reason, from the supply channel 50 to the inlet region 37, second distribution channels 60 are routed as second longitudinal distribution channels 63 in the longitudinal direction 57 and second transverse distribution channels 64 in the transverse direction 58 for the second process fluid as the coolant. The second transverse distribution channels 64 are formed only in the first distribution structure 45 and the second longitudinal distribution channels 63 are formed in the first and second distribution structures 45, 46. The second transverse distribution channels 64 open into the supply channel 50 for coolant, so that the coolant flows from the supply channel 50 first into the second transverse distribution channels 64 and then into the second longitudinal distribution channels 63.
In der ersten Verteilungsstruktur 45 sind die ersten Verteilungskanäle 59 und die zweiten Verteilungskanäle 60 in der Richtung 53 senkrecht zu den von den Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen 52 getrennt voneinander ausgebildet in zwei unterschiedlichen Ebenen (Fig. 8). In der zweiten Verteilungsstruktur 46 sind die ersten und zweiten Verteilungskanäle 59, 60 nebeneinander in Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 52 in einer Ebene angeordnet (Fig. 9 und 10). In der zweiten Verteilungsstruktur 46 sind einerseits die die ersten und zweiten Verteilungskanäle 59, 60 und andererseits die dritten Verteilungskanäle 61 in der Richtung 53 senkrecht zu den von den Brennstoffzellen 2 aufgespannten fiktiven Ebenen 52 getrennt voneinander ausgebildet in zwei unterschiedlichen Ebenen (Fig. 10). In the first distribution structure 45, the first distribution channels 59 and the second distribution channels 60 are formed separately from one another in the direction 53 perpendicular to the fictitious planes 52 spanned by the fuel cells 2 in two different planes (FIG. 8). In the second distribution structure 46, the first and second distribution channels 59, 60 are arranged next to one another in a direction parallel to the fictitious planes 52 in one plane (FIGS. 9 and 10). In the second distribution structure 46, on the one hand the first and second distribution channels 59, 60 and on the other hand the third distribution channels 61 in the direction 53 perpendicular to the fictitious planes 52 spanned by the fuel cells 2 are formed separately from one another in two different planes (FIG. 10).
Die Querausdehnung 87 des Zuführkanales 48 für Brennstoff ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 69 des Einlassbereiches 37 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Brennstoffes von dem Zuführkanal 48 für Brennstoff in
die Kanäle 12 für Brennstoff, welche an dem Einlassbereich 37 beginnen, sowohl eine Querverteilung des Kühlmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, als auch eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Zuführkanal 48 zu den Einlassbereich 37 dritte Verteilungskanäle 61 als dritte Längsverteilungskanäle 65 in Längsrichtung 57 und dritte Querverteilungskanäle 66 in Querrichtung 58 geführt für das dritte Prozessfluid als der Brennstoff. Die dritten Verteilungskanäle 61 als die dritten Längsverteilungskanäle 65 und die dritten Querverteilungskanäle 66 sind nur an der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet, weil der Zuführkanal 48 für Brennstoff in der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet ist. Die dritten Querverteilungskanäle 66 münden in den Zuführkanal 48 für Brennstoff, so dass der Brennstoff aus dem Zuführkanal 48 zuerst in die dritten Querverteilungskanäle 66 strömt und anschließend in die dritten Längsverteilungskanäle 65. The transverse extent 87 of the feed channel 48 for fuel is significantly smaller than the transverse extent 69 of the inlet region 37 of the duct structure, so that for guiding the fuel from the feed duct 48 for fuel into the channels 12 for fuel, which begin at the inlet area 37, both a transverse distribution of the coolant in the transverse direction 58 and a longitudinal distribution or longitudinal line in the longitudinal direction 57 is necessary guided as third longitudinal distribution channels 65 in longitudinal direction 57 and third transverse distribution channels 66 in transverse direction 58 for the third process fluid as the fuel. The third distribution channels 61 as the third longitudinal distribution channels 65 and the third transverse distribution channels 66 are only formed on the second distribution structure 46 because the supply channel 48 for fuel is formed in the second distribution structure 46. The third transverse distribution channels 66 open into the supply channel 48 for fuel, so that the fuel from the supply channel 48 first flows into the third transverse distribution channels 66 and then into the third longitudinal distribution channels 65.
Die Prozessfluide, nämlich das Oxidationsmittel, das Kühlmittel und der Brennstoff, werden an dem Endbereich der zweiten Verteilungsstruktur 46 von den ersten Längsverteilungskanälen 62 für das Oxidationsmittel in die Kanäle 13 eingeleitet, von den zweiten Längsverteilungskanälen 63 für das Kühlmittel in die Kanäle 14 eingeleitet und von den dritten Längsverteilungskanäle 65 für den Brennstoff in die Kanäle 12 eingeleitet. Nachdem die Prozessfluide die Kanäle 12, 13, 14 durchströmt haben, treten diese, d. h. die Prozessfluide, wieder an dem Auslassbereich 38 aus der Kanalstruktur 29 der Bipolarplatte 10 aus. Zwischen dem Auslassbereich 38 und der in Fig. 6 und 7 rechts dargestellten Querseite 56 sind eine erste Sammlungsstruktur 75 und eine zweite Sammlungsstruktur 76 ausgebildet. Die erste Sammlungsstruktur 75 ist im Wesentlichen achsensymmetrisch und/oder komplementär zu der ersten Verteilungsstruktur 45 ausgebildet und die zweite Sammlungsstruktur 76 ist im Wesentlichen achsensymmetrisch und/oder komplementär zu der zweiten Verteilungsstruktur 46 ausgebildet. In der ersten Sammlungsstruktur 75 sind deshalb der Abführkanal 44 für Oxidationsmittel und der Abführkanal 51 für Kühlmittel angeordnet. In der zweiten Sammlungsstruktur 76 ist der Abführkanal 49 für Brennstoff ausgebildet. The process fluids, namely the oxidizing agent, the coolant and the fuel, are introduced into the channels 13 at the end region of the second distribution structure 46 from the first longitudinal distribution channels 62 for the oxidizing agent, introduced into the channels 14 from the second longitudinal distribution channels 63 for the coolant and from the third longitudinal distribution channels 65 for the fuel introduced into the channels 12. After the process fluids have flowed through the channels 12, 13, 14, they occur, i. H. the process fluids, again at the outlet area 38 from the channel structure 29 of the bipolar plate 10. A first collection structure 75 and a second collection structure 76 are formed between the outlet region 38 and the transverse side 56 shown on the right in FIGS. 6 and 7. The first collection structure 75 is essentially axially symmetrical and / or complementary to the first distribution structure 45, and the second collection structure 76 is essentially axially symmetrical and / or complementary to the second distribution structure 46. The discharge channel 44 for oxidizing agent and the discharge channel 51 for coolant are therefore arranged in the first collection structure 75. The discharge channel 49 for fuel is formed in the second collection structure 76.
Die Querausdehnung des Abführkanales 44 für Oxidationsmittel ist nur geringfügig kleiner als die Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der
Kanalstruktur 29, so dass für das Leiten des Oxidationsmittels von den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche an dem Auslassbereich 38 enden, zu dem Abführkanal 44 für Oxidationsmittel im Wesentlichen keine Querverteilung des Oxidationsmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, sondern im Wesentlichen nur eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Auslassbereich 38 zu dem Abführkanal 44 im Wesentlichen nur erste Sammlungskanäle 77 als erste Längssammlungskanäle 80 geführt für das erste Prozessfluid als das Oxidationsmittel. Die ersten Sammlungskanäle 77 als die ersten Längssammlungskanäle 80 sind in der ersten Sammlungsstruktur 75 und der zweiten Sammlungsstruktur 76 ausgebildet. The transverse dimension of the discharge channel 44 for oxidizing agent is only slightly smaller than the transverse dimension 70 of the outlet region 38 of FIG Channel structure 29, so that essentially no transverse distribution of the oxidizing agent in the transverse direction 58 is necessary for guiding the oxidizing agent from the channels 13 for oxidizing agents, which end at the outlet region 38, to the discharge channel 44 for oxidizing agents, but essentially only a longitudinal distribution or distribution. Longitudinal line in the longitudinal direction 57. For this reason, essentially only first collection ducts 77 are routed from the outlet region 38 to the discharge duct 44 as first longitudinal collection ducts 80 for the first process fluid as the oxidizing agent. The first collection channels 77 as the first longitudinal collection channels 80 are formed in the first collection structure 75 and the second collection structure 76.
Die Querausdehnung des Abführkanales 51 für Kühlmittel ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Kühlmittels von den Kanälen 14 für Kühlmittel, welche an dem Auslassbereich 38 enden, in den Abführkanal 51 für Kühlmittel, sowohl eine Quersammlung des Kühlmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, als auch eine Längssammlung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Auslassbereich 38 in den Abführkanal 51 zweite Sammlungskanäle 78 als zweite Längssammlungskanäle 81 in Längsrichtung 57 und zweite Quersammlungskanäle 82 in Querrichtung 58 geführt für das zweite Prozessfluid als das Kühlmittel. Die zweiten Quersammlungskanäle 82 sind nur in der ersten Sammlungsstruktur 75 ausgebildet und die zweiten Längssammlungskanäle 81 sind in der ersten und zweiten Sammlungsstruktur 75, 76 ausgebildet. Die zweiten Quersammlungskanäle 82 münden in den Abführkanal 51 für Kühlmittel, so dass das Kühlmittel aus den Kanälen 14 zuerst in die zweiten Längssammlungskanäle 81, anschließend in die zweiten Quersammlungskanäle 82 und von den zweiten Quersammlungskanälen 82 in den Abführkanal 51 für Kühlmittel einströmt. The transverse dimension of the discharge channel 51 for coolant is significantly smaller than the transverse dimension 70 of the outlet area 38 of the channel structure, so that for the conduction of the coolant from the channels 14 for coolant, which end at the outlet area 38, into the discharge channel 51 for coolant, both a Cross collection of the coolant in the transverse direction 58 is necessary, as is a longitudinal collection or longitudinal line in the longitudinal direction 57. For this reason, second collection channels 78 are led from the outlet area 38 into the discharge channel 51 as second longitudinal collection channels 81 in the longitudinal direction 57 and second cross collection channels 82 in the transverse direction 58 for the second process fluid as the coolant. The second transverse collection channels 82 are formed only in the first collection structure 75, and the second longitudinal collection channels 81 are formed in the first and second collection structures 75, 76. The second cross-collection channels 82 open into the discharge channel 51 for coolant, so that the coolant flows from the channels 14 first into the second longitudinal collection channels 81, then into the second cross-collection channels 82 and from the second cross-collection channels 82 into the discharge channel 51 for coolant.
Die Querausdehnung des Abführkanales 49 für Brennstoff ist wesentlich kleiner als die Querausdehnung 70 des Auslassbereiches 38 der Kanalstruktur, so dass für das Leiten des Brennstoffes von den Kanäle 12 für Brennstoff, welche an dem Auslassbereich 38 enden, in den Abführkanal 49 für Brennstoff sowohl eine Querverteilung des Kühlmittels in Querrichtung 58 notwendig ist, als auch eine Längsverteilung bzw. Längsleitung in Längsrichtung 57. Aus diesem Grund sind von dem Auslassbereich 38 zu dem Abführkanal 49 dritte Sammlungskanäle 79
als dritte Längssammlungskanäle 83 in Längsrichtung 57 und dritte Quersammlungskanäle 84 in Querrichtung 58 geführt für das dritte Prozessfluid als der Brennstoff. Die dritten Sammlungskanäle 79 als die dritten Längssammlungskanäle 83 und die dritten Quersammlungskanäle 84 sind nur an der zweiten Sammlungsstruktur 76 ausgebildet, weil der Abführkanal 49 für Brennstoff in der zweiten Sammlungsstruktur 76 ausgebildet ist. The transverse extent of the discharge channel 49 for fuel is significantly smaller than the transverse extent 70 of the outlet area 38 of the duct structure, so that there is both a transverse distribution for guiding the fuel from the ducts 12, which end at the outlet area 38, into the discharge duct 49 for fuel of the coolant in the transverse direction 58 is necessary, as well as a longitudinal distribution or longitudinal line in the longitudinal direction 57. For this reason, third collection channels 79 are from the outlet region 38 to the discharge channel 49 guided as third longitudinal collection channels 83 in the longitudinal direction 57 and third transverse collection channels 84 in the transverse direction 58 for the third process fluid as the fuel. The third collection channels 79 as the third longitudinal collection channels 83 and the third transverse collection channels 84 are only formed on the second collection structure 76 because the discharge channel 49 for fuel is formed in the second collection structure 76.
Die dritten Quersammlungskanäle 84 münden in den Abführkanal 49 für Brennstoff, so dass der Brennstoff aus Kanälen 12 zuerst in die dritten Längssammlungskanäle 83 einströmt, anschließend in die dritten Quersammlungskanäle 84 und von den dritten Quersammlungskanälen 84 in den Abführkanal 49 für Brennstoff eingeleitet wird. The third cross-collection channels 84 open into the discharge channel 49 for fuel, so that the fuel from channels 12 first flows into the third longitudinal collection channels 83, then into the third cross-collection channels 84 and from the third cross-collection channels 84 into the discharge channel 49 for fuel.
In dem oben beschriebenen, ersten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Verteilungsstruktur 45, 46 zwischen den Querseiten 56 und der Kanalstruktur 29 angeordnet, so dass die Prozessfluide in Längsrichtung 57 im Wesentlichen parallel durch die Kanalstruktur 29 strömen und der Ein- und Auslassbereich 37, 38 erstreckt sich in Querrichtung. Im ersten Ausführungsbeispiel entspricht die Querausdehnung des Ein- und Auslassbereiches 37, 38 im Wesentlichen der Querausdehnung 68 der Kanalstruktur 29. In the first exemplary embodiment described above, the first and second distribution structures 45, 46 are arranged between the transverse sides 56 and the channel structure 29, so that the process fluids flow in the longitudinal direction 57 essentially in parallel through the channel structure 29 and the inlet and outlet areas 37, 38 extends in the transverse direction. In the first exemplary embodiment, the transverse extent of the inlet and outlet areas 37, 38 essentially corresponds to the transverse extent 68 of the channel structure 29.
In Fig. 11 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel bei einer geometrisch anderen Anordnung des Zuführkanales 48 für Brennstoff, des Zuführkanales 50 für Kühlmittel, des Abführkanales 49 für Brennstoff und des Abführkanales 51 für Kühlmittel. In FIG. 11, the bipolar plate 10 of the fuel cell unit 1 is shown in a second exemplary embodiment. The fuel cell unit 1 essentially corresponds to the first exemplary embodiment with a geometrically different arrangement of the feed channel 48 for fuel, the feed channel 50 for coolant, the discharge channel 49 for fuel and the discharge channel 51 for coolant.
In einem zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Verteilungsstruktur 45, 46 zwischen den Längsseiten 55 und der Kanalstruktur 29 angeordnet, so dass die Prozessfluide in Querrichtung 58 im Wesentlichen parallel durch die Kanalstruktur 29 strömen und der Ein- und Auslassbereich 37, 38 erstreckt sich in Längsrichtung. Im zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Längsausdehnung des Ein- und Auslassbereiches 37, 38 im Wesentlichen der Längsausdehnung 67 der Kanalstruktur 29.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Sämtliche Prozessfluide werden in der ersten und zweiten Verteilungsstruktur 45, 46 auf die gesamte Querausdehnung 69 desIn a second exemplary embodiment, not shown, the first and second distribution structures 45, 46 are arranged between the longitudinal sides 55 and the channel structure 29, so that the process fluids flow in the transverse direction 58 essentially in parallel through the channel structure 29 and the inlet and outlet areas 37, 38 extends in the longitudinal direction. In the second exemplary embodiment, not shown, the longitudinal extent of the inlet and outlet areas 37, 38 essentially corresponds to the longitudinal extent 67 of the channel structure 29. Viewed overall, the fuel cell unit 1 according to the invention and the fuel cell system 4 according to the invention are associated with significant advantages. All process fluids are in the first and second distribution structure 45, 46 over the entire transverse extent 69 of the
Einlassbereiches 37 verteilt, so dass sämtliche Prozessfluide bezüglich des Volumenstromes gleichmäßig verteilt über die Querrichtung 58 in den Einlassbereich 37 der Kanalstruktur 29 parallel zueinander einströmen. Damit können die Prozessfluide die gesamten Kanalstrukturen 29 bezüglich des Volumenstromes gleichmäßig verteilt über die Querrichtung 58 durch dieInlet area 37 distributed so that all process fluids with respect to the volume flow evenly distributed over the transverse direction 58 flow into the inlet area 37 of the channel structure 29 parallel to one another. In this way, the process fluids can distribute the entire channel structures 29 uniformly with respect to the volume flow over the transverse direction 58 through the
Kanalstrukturen 29 durchströmen und in dieser Weise aus dem Auslassbereich 38 wieder austreten in die erste und zweite Sammlungsstruktur 75, 76. In vorteilhafter Weise treten damit kleine Unterschiede in der Temperatur und der Feuchtigkeit in den Gasräumen 31, 32 für Oxidationsmittel und Brennstoff sowie in den Kanälen 14 für Kühlmittel auf. Damit weist dieFlow through channel structures 29 and in this way emerge again from the outlet region 38 into the first and second collection structure 75, 76. This advantageously results in small differences in temperature and humidity in the gas spaces 31, 32 for oxidizing agent and fuel as well as in the channels 14 for coolant. This shows the
Brennstoffzelleneinheit 1 eine große Leistung pro Masseneinheit auf bei einer geringfügigen Alterung während des Betriebes.
Fuel cell unit 1 has a large output per unit mass with a slight aging during operation.
Claims
1. Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend1. Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising
- gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9), eine Bipolarplatte (10) mit drei getrennten Kanalstrukturen (29) mit Kanälen (12, 13, 14) für die getrennte Durchleitung von Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlfluid und die Kanalstrukturen (29) einen Einlassbereich (37) und einen Auslassbereich (38) für das Oxidationsmittel, den Brennstoff und das Kühlfluid aufweisen,- stacked fuel cells (2), the fuel cells (2) each comprising a proton exchange membrane (5), an anode (7), a cathode (8), a gas diffusion layer (9), a bipolar plate (10) with three separate channel structures (29) ) with channels (12, 13, 14) for the separate passage of oxidizing agent, fuel and cooling fluid and the channel structures (29) have an inlet area (37) and an outlet area (38) for the oxidizing agent, fuel and cooling fluid,
- wenigstens einen Zuführkanal (43) zur Zuleitung von Oxidationsmittel als Prozessfluid in die Gasräume (32) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2), - At least one feed channel (43) for feeding oxidizing agent as process fluid into the gas spaces (32) for oxidizing agent of the fuel cells (2),
- wenigstens einen Zuführkanal (48) zur Zuleitung von Brennstoff als Prozessfluid in die Gasräume (31) für Brennstoff der Brennstoffzellen (2), - At least one feed channel (48) for feeding fuel as process fluid into the gas spaces (31) for fuel of the fuel cells (2),
- wenigstens einen Zuführkanal (50) für Kühlmittel als Prozessfluid zur Zuleitung des Kühlmittels in einen Kanal (14) für Kühlmittel,- At least one supply channel (50) for coolant as process fluid for supplying the coolant into a channel (14) for coolant,
- Verteilungsstrukturen (45, 46) zur Leitung und Verteilung der Prozessfluide von den Zuführkanälen (43, 48, 50) in die Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatten (10), dadurch gekennzeichnet, dass in je einer Brennstoffzelle (2) in einer Richtung von den Zuführkanälen (43, 48, 50) zu dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) eine erste Verteilungsstruktur (45) für zwei Prozessfluide als erstes und zweites Prozessfluid ausgebildet ist und in einer Richtung von den Zuführkanälen (43, 48, 50) zu dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) eine zweite Verteilungsstruktur (46) für das erste und zweite Prozessfluid der ersten
Verteilungsstruktur (45) und zusätzlich für ein drittes Prozessfluid ausgebildet ist. - Distribution structures (45, 46) for conducting and distributing the process fluids from the supply channels (43, 48, 50) into the channel structures (29) of the bipolar plates (10), characterized in that in each case one fuel cell (2) in one direction of the supply channels (43, 48, 50) to the inlet area (37) of the channel structures (29) of the bipolar plate (10) a first distribution structure (45) is formed for two process fluids as first and second process fluid and in one direction from the supply channels (43 , 48, 50) to the inlet area (37) of the channel structures (29) of the bipolar plate (10) a second distribution structure (46) for the first and second process fluids of the first Distribution structure (45) and is also designed for a third process fluid.
2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verteilungsstruktur (46) zwischen der ersten Verteilungsstruktur (45) und dem Einlassbereich (37) der Kanalstrukturen (29) der Bipolarplatte (10) ausgebildet ist. 2. Fuel cell unit according to claim 1, characterized in that the second distribution structure (46) is formed between the first distribution structure (45) and the inlet region (37) of the channel structures (29) of the bipolar plate (10).
3. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilungsstruktur (45) nur für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet ist, so dass in der ersten Verteilungsstruktur (45) nur erste und zweite Verteilungskanäle (59, 60) für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet sind. 3. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the first distribution structure (45) is designed only for the first and second process fluid, so that in the first distribution structure (45) only first and second distribution channels (59, 60) are designed for the first and second process fluid.
4. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (43, 48, 50) für das erste und zweite Prozessfluid der ersten Verteilungsstruktur (45) in der ersten Verteilungsstruktur (45) ausgebildet sind. 4. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the supply channels (43, 48, 50) for the first and second process fluids of the first distribution structure (45) are formed in the first distribution structure (45).
5. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zuführkanal (43, 48, 50) für das dritte Prozessfluid,
insbesondere ausschließlich, in der zweiten Verteilungsstruktur (46) ausgebildet ist. 5. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one feed channel (43, 48, 50) for the third process fluid, in particular exclusively, is formed in the second distribution structure (46).
6. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verteilungsstruktur (45) getrennte erste und zweite Verteilungskanäle (59, 60) für das erste und zweite Prozessfluid ausgebildet sind und die ersten und zweiten Verteilungskanäle (59, 60) in einer Richtung (53) senkrecht zu von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) getrennt voneinander ausgebildet sind. 6. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that separate first and second distribution channels (59, 60) for the first and second process fluid and the first and second distribution channels (59, 60) are formed in the first distribution structure (45) ) are formed separately from one another in a direction (53) perpendicular to fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2).
7. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Verteilungsstruktur (46) getrennte erstes, zweite und dritte Verteilungskanäle (59, 60, 61) für das erste, zweite und dritte Prozessfluid ausgebildet sind. 7. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that separate first, second and third distribution channels (59, 60, 61) for the first, second and third process fluid are formed in the second distribution structure (46).
8. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle (59, 60, 61) in einer Richtung (53) senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) getrennt voneinander ausgebildet sind. 8. Fuel cell unit according to claim 7, characterized in that two of the first, second and third distribution channels (59, 60, 61) formed separately from one another in a direction (53) perpendicular to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2) are.
9. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten und dritten Verteilungskanäle (59, 60, 61) als Längsverteilungskanäle (62, 63, 65) in der zweiten Verteilungsstruktur (46) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. 9. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the first, second and third distribution channels (59, 60, 61) as longitudinal distribution channels (62, 63, 65) in the second distribution structure (46) are aligned essentially parallel to one another.
10. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1), insbesondere die Brennstoffzellen (2), in einer Längsrichtung (57) eine Längsausdehnung und in einer Querrichtung (58) eine Querausdehnung aufweist und die Längsrichtung (57) und Querrichtung (58) zueinander senkrecht und parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (52) ausgerichtet sind. 10. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1), in particular the fuel cells (2), has a longitudinal extent in a longitudinal direction (57) and a transverse extent in a transverse direction (58) and the longitudinal direction ( 57) and transverse direction (58) are aligned perpendicular to one another and parallel to the fictitious planes (52) spanned by the fuel cells (2).
11. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung der ersten und zweiten Verteilungsstruktur (45, 46) zwischen einer Querseite (56) der Brennstoffzelleneinheit (1) und der Kanalstruktur (29) der Bipolarplatte (29) die Querausdehnung (72, 74) der ersten und zweiten Verteilungsstruktur (45, 46) im Wesentlichen der Querausdehnung (69) des Einlassbereiches (37) der Kanalstruktur (29) entspricht. 11. The fuel cell unit according to claim 10, characterized in that when the first and second distribution structure (45, 46) are formed, the transverse extent (72) between a transverse side (56) of the fuel cell unit (1) and the channel structure (29) of the bipolar plate (29) , 74) of the first and second distribution structure (45, 46) essentially corresponds to the transverse extent (69) of the inlet area (37) of the channel structure (29).
12. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prozessfluid das Oxidationsmittel ist, das zweite Prozessfluid
das Kühlmittel ist und das dritte Prozessfluid der Brennstoff ist. 12. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the first process fluid is the oxidizing agent, the second process fluid is the coolant and the third process fluid is the fuel.
13. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführkanäle (43, 48, 50) in Längsrichtung (57) nebeneinander und in Querrichtung im Wesentlichen mittig angeordnet sind. 13. Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the feed channels (43, 48, 50) are arranged next to one another in the longitudinal direction (57) and essentially centrally in the transverse direction.
14. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querausdehnung (85) oder die Summe der Querausdehnungen des wenigstens einen Zuführkanales (43) für Oxidationsmittel im Wesentlichen der Querausdehnung (69) des Einlassbereiches (37) der Kanalstruktur (29) entspricht. 14. Fuel cell unit according to one or more of claims 11 to 13, characterized in that the transverse extent (85) or the sum of the transverse extents of the at least one feed channel (43) for oxidizing agent is essentially the transverse extent (69) of the inlet region (37) of the channel structure (29) corresponds.
15. Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend 15. Fuel cell system (4), in particular for a motor vehicle, comprising
- eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen (2), - A fuel cell unit (1) as a fuel cell stack with fuel cells (2),
- einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - A compressed gas storage (21) for storing gaseous fuel,
- eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit als eine Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
- A gas delivery device (22) for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes (8) of the fuel cells (2), characterized in that the fuel cell unit is designed as a fuel cell unit according to one or more of the preceding claims.
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