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Title:
CASCADED FUEL CELL STACK HAVING OPTIMISED WATER MANAGEMENT, AND FUEL CELL SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/141429
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a fuel cell stack (5) having a plurality of fuel cells (18) comprising a membrane electrode arrangement (20) and at least one gas diffusion layer (21) and being divided into at least one first fuel cell segment (22) having a portion of the plurality of fuel cells (18) and a second fuel cell segment (23) having another portion of the plurality of fuel cells (18), wherein the first fuel cell segment (22) and the second fuel cell segment (23) are arranged in a common fuel cell cascade (24), the first fuel cell segment comprises a first collection inlet line (25) for an operating medium and a first collection outlet line (28) which is formed integrally with a second collection inlet line (27) of the second fuel cell segment (23), and the second fuel cell segment (23) comprises a second collection outlet line (28). The membrane electrode arrangements (20) and/or the gas diffusion layers (21) inside the second fuel cell segment (23) are designed such that they are more water-repellent than those of the first fuel cell segment (22). The invention also relates to a fuel cell system (1) comprising such a fuel cell stack (5).

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Inventors:
ERMATSCHENKO NATALJA (DE)
LUCAS CHRISTIAN (DE)
HÜBNER GEROLD (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/083734
Publication Date:
July 25, 2019
Filing Date:
December 06, 2018
Export Citation:
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Assignee:
AUDI AG (DE)
VOLKSWAGEN AG (DE)
International Classes:
H01M8/249; H01M4/86; H01M8/04119; H01M8/04291; H01M8/1004; H01M8/1007; H01M8/1067; H01M8/241; H01M8/2457; H01M8/0228; H01M8/1018
Foreign References:
EP0596366A11994-05-11
JP2007242306A2007-09-20
US20020192530A12002-12-19
DE102007060719A12009-06-10
US20070218344A12007-09-20
US20070128479A12007-06-07
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Claims:
ANSPRÜCHE:

Brennstoffzellenstapel (5) mit einer Vielzahl von eine Membranelektro- denanordnung (20) und mindestens eine Gasdiffusionslage (21 ) umfas- senden Brennstoffzellen (18), die unterteilt sind in zumindest ein einen Anteil der Vielzahl von Brennstoffzellen (18) aufweisendes erstes Brenn- stoffzellensegment (22) und ein einen anderen Anteil der Vielzahl von Brennstoffzellen (18) aufweisendes zweites Brennstoffzellensegment (23), wobei das erste Brennstoffzellensegment (22) und das zweite Brennstoffzellensegment (23) in einer gemeinsamen Brennstoffzellen- kaskade (24) angeordnet sind, wobei das erste Brennstoffzellensegment

(22) eine erste Sammeleinlassleitung (25) für ein Betriebsmedium und eine erste Sammelauslassleitung (28) umfasst, welche integral mit einer zweiten Sammeleinlassleitung (27) des zweiten Brennstoffzellenseg- ments (23) gebildet ist, und wobei das zweite Brennstoffzellensegment

(23) eine zweite Sammelauslassleitung (28) umfasst, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Membranelektrodenanordnungen (20) und/oder die Gasdiffusionslagen (21 ) innerhalb des zweiten Brennstoffzellenseg- ments (23) derart ausgebildet sind, dass diese wasserabweisender sind als diejenigen des ersten Brennstoffzellensegments (22).

Brennstoffzellenstapel (5) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Äquivalentgewicht von Membranen (19) der Membranelektro- denanordnungen (20) des ersten Brennstoffzellensegments (22) gerin- ger ist als das Äquivalentgewicht von Membranen (19) der Membra- nelektrodenanordnungen (20) des zweiten Brennstoffzellensegments (23).

Brennstoffzellenstapel (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Dicke von Membranen (19) der Membranelektro- denanordnungen (20) des ersten Brennstoffzellensegments (22) gerin- ger ist als die Dicke von Membranen (19) der Membranelektrodenanord- nungen (20) des zweiten Brennstoffzellensegments (23).

4. Brennstoffzellenstapel (5) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Membranen (19) des ersten Brennstoffzellenseg- ments (22) zwischen 4 und 12 Mikrometer beträgt, und dass die Dicke der Membranen (19) des zweiten Brennstoffzellensegments (23) zwi- sehen 14 und 35 Mikrometer beträgt.

5. Brennstoffzellenstapel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (21 ) des zweiten Brenn- stoffzellensegments (23) eine größere Porosität aufweisen als diejenigen des ersten Brennstoffzellensegments (22).

6. Brennstoffzellenstapel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (21 ) des zweiten Brenn- stoffzellensegments (23) eine hydrophobe Beschichtung aufweisen.

7. Brennstoffzellenstapel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (21 ) des zweiten Brenn- stoffzellensegments (23) eine mikroporöse Schicht und eine makropo- röse Schicht umfassen, und dass die Gasdiffusionslagen (21 ) des zwei- ten Brennstoffzellensegments (23) eine hydrophobe Beschichtung an der mikroporösen Schicht und/oder makroporösen Schicht aufweisen.

8. Brennstoffzellenstapel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (21 ) des ersten Brennstoff- zellensegments (22) eine mikroporöse Schicht und eine makroporöse

Schicht umfassen, und dass die Gasdiffusionslagen (21 ) des ersten Brennstoffzellensegments (22) eine hydrophile Beschichtung an der mik- roporösen Schicht und/oder an der makroporösen Schicht aufweisen. 9. Brennstoffzellenstapel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnungen (20) und/o- der die Gasdiffusionslagen (21 ) einen zwischen der ersten Sammelein- lassleitung (25) und der zweiten Sammelauslassleitung (28) verlaufen- den Gradienten an Hydrophobizität aufweisen.

10. Brennstoffzellensystem (1 ) für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzel- lenstapel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

5

Description:
KASKADIERTER BRENNSTOFFZELLENSTAPEL MIT OPTIMIERTEM

WASSERMANAGEMENT UND BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von eine Membranelektrodenanordnung und mindestens eine Gasdiffusionslage um- fassenden Brennstoffzellen. Vorzugsweise sind jeweils mindestens zwei Gas- diffusionslagen vorgesehen. Die Brennstoffzellen sind unterteilt in zumindest ein erstes Brennstoffzellensegment, das einen Anteil der Vielzahl von Brenn- stoffzellen aufweist, und ein zweites Brennstoffzellensegment, das einen an- deren oder weiteren Anteil der Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist. Das erste Brennstoffzellensegment und das zweite Brennstoffzellensegment sind in einer gemeinsamen Brennstoffzellenkaskade angeordnet. Das erste Brenn- stoffzellensegment umfasst eine erste Sammeleinlassleitung für ein Betriebs- medium und eine erste Sammelauslassleitung, welche integral mit einer zwei- ten Sammeleinlassleitung des zweiten Brennstoffzellensegments gebildet ist. Das zweite Brennstoffzellensegment umfasst zudem eine zweite Sammelaus- lassleitung. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Brennstoff- zellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel. Die erste Sammelaus- lassleitung, welche integral oder einstückig mit der zweiten Sammeleinlasslei- tung gebildet ist, kann dabei auch als ein einziges (Sammel-)Bauteil verstan- den werden. Ein solcher kaskadenförmiger oder kaskadierter Brennstoffzellenstapel ge- mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise in der US 2007/0128479 A1 gezeigt. Hierbei stellen die Sammelauslassleitungen ei- nes ersten Brennstoffzellensegments zugleich die Sammeleinlassleitungen ei- nes nachfolgenden zweiten Brennstoffzellensegments dar. Der Vorteil eines solchen kaskadenartigen Stapels besteht darin, dass die einzelnen Brennstoff- zellensegmente eine höhere Stöchiometrie aufweisen als der gesamte oder vollständige Brennstoffzellenstapel. Optimale Konstruktionen sehen dabei die gleiche Stöchiometrie je Segment vor, wobei dies bei bekannten Lösungen durch eine unterschiedliche Anzahl an Brennstoffzellen in den beiden Brenn- stoffzellensegmenten erreicht wird. Es hat sich herausgestellt, dass beim Ein- tritt eines Betriebsmediums in das erste Brennstoffzellensegment, das Be- triebsmedium zunächst befeuchtet werden sollte, um einen optimalen Reakti- onsablauf sicherzustellen. In dem - stromabwärts angeordneten - zweiten Brennstoffzellensegment besteht dafür die Gefahr einer Wasseransammlung. Diese Wasseransammlung führt zu Betriebsinstabilitäten. Um angesammeltes Wasser auszutragen, wird häufig wiederum eine erhöhte Stöchiometrie ver- wendet.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellen- stapel der eingangs genannten Art und ein Brennstoffzellensystem derart wei- terzubilden, dass ein stabiler Betrieb mit optimierten Wassermanagement er- reicht ist.

Die den Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch einen Brenn- stoffzellenstapel mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteil- hafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Insbesondere sind bei der vorlie- genden Erfindung die Membranelektrodenanordnungen und/oder die Gasdif- fusionslagen innerhalb des zweiten Brennstoffzellensegments derart ausge- bildet, dass diese wasserabweisender sind als diejenigen des ersten Brenn- stoffzellensegments. Das bedeutet, dass also die Komponenten des zweiten Brennstoffzellensegments einen hydrophoben Effekt aufweisen, der stärker ausgeprägt ist als dies bei den Komponenten des ersten Brennstoffzellenseg- ments der Fall ist. Das erste Brennstoffzellensegment ist daher für trockene Eintrittsbedingungen und geringes Wasseraufkommen ausgelegt, während das zweite Brennstoffzellensegment für hohe Gasfeuchte und hohes Wasser- aufkommen ausgelegt ist. Beispielsweise können im ersten Brennstoffzellensegment Membranen einge- setzt werden, die sich von denjenigen des zweiten Brennstoffzellensegements unterscheiden. Es hat sich der Einsatz einer protonenleitfähige Membran als vorteilhaft erwiesen, die aus einem Perfluorosulfonsäure-Polymer (PFSA) ge- bildet ist. Eine solche Membran weist eine hohe oxidative Stabilität auf. Alter- nativ kann als Membran ein sulfoniertes Hydrocarbon-Polymer (HC) einge- setzt werden. Diese Membran zeichnet sich durch eine geringere Gasperme- ation bei gleicher Dicke der Membranen im Vergleich zu den Perfluorosulfon- säure-Polymer-Membranen aus. Dadurch ist es möglich, dass die Membra- nelektrodenanordnungen des ersten Brennstoffzellensegments mit einer Membran eines ersten lonomer-Typs, und dass die Membranen der Membra- nelektrodenanordnungen des zweiten Brennstoffzellensegments aus einem zweiten lonomer-Typ gebildet sind. Die lonomer-Typen sind derart ausge- wählt, dass ein im Vergleich zum ersten Brennstoffzellensegment wasserab- weisenderes zweites Brennstoffzellensegment entsteht.

In einer möglichen Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels ist das Äquiva- lentgewicht der Membranen der Membranelektrodenanordnungen des ersten Brennstoffzellensegments geringer als das Äquivalentgewicht der Membranen der Membranelektrodenanordnungen des zweiten Brennstoffzellensegments. Ein lonomer mit einem niedrigeren Äquivalentgewicht weist dabei ein höheres Wasserspeichervermögen auf als ein lonomer mit einem höheren Äquivalent- gewicht.

Typischerweise umfassen die Elektroden (Anode/Kathode) der Membra- nelektrodenanordnung Träger auf Kohlenstoffbasis, die durch ein, vorzugs- weise gerüstartig gebildetes, lonomer miteinander verbunden sind. Die Träger können dabei katalytisch aktive Partikel, z.B. Platinnanopartikel, aufweisen. Auch das Äquivalentgewicht des lonomers der Elektroden im ersten Brenn- stoffzellensegment kann geringer sein als das Äquivalentgewicht des lono- mers der Elektroden im zweiten Brennstoffzellensegment.

Vorzugsweise beträgt das Äquivalentgewicht der ionenleitfähigen Membranen oder des lonomers der Elektroden zwischen 600 Gramm und 1200 Gramm. Beispielsweise beträgt das Äquivalentgewicht der ionenleitfähigen Membra- nen oder des lonomers der Elektroden des ersten Brennstoffzellensegments dabei zwischen 600 Gramm und 830 Gramm. Das Äquivalentgewicht der io- nenleitfähigen Membranen oder des lonomers der Elektroden des zweiten Brennstoffzellensegments betragen vorzugsweise zwischen 830 Gramm und 1 100 Gramm, weiterhin vorzugsweise zwischen 900 Gramm und 1000 Gramm.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke von Membranen des ersten Brennstoffzellensegments geringer als die Dicke der Membranen des zweiten Brennstoffzellensegmentes. In einer weiteren vorteilhaften Aus- gestaltung beträgt die Dicke der Membranen des ersten Brennstoffzellenseg- ments zwischen 4 Mikrometer (pm) und 12 Mikrometer und die Dicke der Membranen des zweiten Brennstoffzellensegments zwischen 14 Mikrometer und 35 Mikrometer. Der Wasserhaushalt kann bei trockenen Einsatzbedingun- gen durch die dünnere Membran verbessert werden; hierbei wird der Wasser- transport begünstigt.

Eine weitere alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen des zweiten Brennstoffzellensegments eine größere Porosität aufweisen als diejenigen des ersten Brennstoffzellensegments. Durch die höhere Porosität ist der Wasseraustrag aus dem Brennstoffzellen- stapel, insbesondere aus dem zweiten Brennstoffzellensegment begünstigt; und damit dort, wo eine höhere Feuchtigkeit auftritt. Beispielsweise beträgt die mittlere Porengröße der Gasdiffusionslagen des ersten Brennstoffzellenseg- ments weniger als 5 Mikrometer, vorzugsweise sogar weniger als 1 Mikrome- ter. Die durchschnittliche Porengröße des zweiten Brennstoffzellensegments liegt dann über 5 Mikrometer, beispielsweise bei 10 Mikrometer. Die Was- seraufnahme und eine daraus gegebenenfalls resultierende Flutung innerhalb des zweiten Brennstoffzellensegments lässt sich somit verhindern. Alternativ oder ergänzend kann die Dicke der Gasdiffusionslagen des ersten Brennstoff- zellensegments geringer sein als die Dicke der Gasdiffusionslagen des zwei- ten Brennstoffzellensegmentes. Um den Wasseraustrag aus dem zweiten Brennstoffzellensegments zusätz- lich zu begünstigen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Gasdiffusi- onslagen des zweiten Brennstoffzellensegments eine hydrophobe Beschich- tung aufweisen. Diese hydrophobe Beschichtung kann beispielsweise eine Polymer und Copolymer aus Vinylidenfluorid, Tetrafluorethylen, Ethylen, Pro- pylen, sowie Hexafluorpropylen sein. Um die Gasdiffusionslage zu beschich- ten, zu behandeln oder zu imprägnieren, kann eine Lösung oder Dispersion beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Poly(Tetrafluorethylen-co-ethylen) verwendet werden.

Die Gasdiffusionslage kann dabei auch mehrteilig gestaltet sein und eine mik- roporöse Schicht sowie eine makroporöse Schicht umfassen. Die mikroporöse Schicht kann eine durchschnittliche Porengröße von weniger als 5 Mikrometer, vorzugsweise von weniger als 1 Mikrometer aufweisen. Die makroporöse Schicht weist eine durchschnittliche Porengröße auf, die größer als 5 Mikro- meter ist. Während die mikroporöse Schicht und/oder die makroporöse Schicht der Gasdiffusionslagen des zweiten Brennstoffzellensegments mit ei- ner hydrophoben Beschichtung versehen sein können, lassen sich in einer al- ternativen Ausgestaltung die mikroporöse Schicht und/oder die makroporöse Schicht der Gasdiffusionslagen des ersten Brennstoffzellensegments mit einer hydrophilen Beschichtung versehen. Typische hydrophile Beschichtungen können beispielsweise aus Zinnoxid (Sn02), Titandioxid (T1O2) oder auch Car- bon Black (z.B. Black Pearls® 1000 oder 2000) oder Mischungen davon ge- bildet sein. Damit ist gewährleistet, dass die Komponenten des zweiten Brenn- stoffzellensegments wasserabweisender ausgestaltet sind als diejenigen des ersten Brennstoffzellensegments.

Alternativ oder zusätzlich können die Brennstoffzellen eine oder mehrere Bi- polarplatten umfassen, die ein Flussfeld zur Bereitstellung von Reaktionsme- dien aufweisen. Vorzugsweise sind dabei die Bipolarplatten des ersten Brenn- stoffzellensegments mit einer hydrophilen Beschichtung versehen, die sie wasserziehender macht. Alternativ oder zusätzlich sind die Bipolarplatten des zweiten Brennstoffzellensegments mit einer hydrophoben Beschichtung ver- sehen, die sie wasserabweisender macht. Alternativ oder zusätzlich kann der Brennstoffzellenstapel auch derart ausge- bildet sein, dass die Membranelektrodenanordnungen und/oder die Gasdiffu- sionslagen einen zwischen der ersten Sammeleinlassleitung und der zweiten Sammelauslassleitung verlaufenden Gradienten an Hydrophobizität aufwei- sen. Durch diesen Gradienten der Hydrophobizität ist derjenige Abschnitt des kaskadierten Brennstoffzellenstapels, der näher an der Einlassseite ist, was- serziehender als derjenige Abschnitt, der näher an der Auslassseite angeord- net ist. Die Einlassseite ist also mit anderen Worten wasserziehender als die Auslassseite.

Die das Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug betreffende Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeich- nungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brenn- stoffzellensystems mit einem kaskadierten Brennstoffzellenstapel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines kaskadierten Brennstoffzel- lenstapels, und

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch eine Brennstoffzelle (Ein- heitszelle).

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, welches kathodenseitig ei- nen Befeuchter 2 aufweist. Der Befeuchter 2 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass 3 über eine Kathodenzufuhrleitung 4 mit Kathodenräumen eines kas- kadierten Brennstoffzellenstapels 5 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 2 mit seinem kathodenseitigen Einlass 6 mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung 7 verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 2 rückgeführt wird. Durch die Kathodenräume lässt sich das Kathodengas (z.B. Luft oder Sauerstoff) den Kathoden 30 der Vielzahl an im kaskadierten Brennstoffzellenstapel 5 ange- ordneten Brennstoffzellen 18 zuführen. Das Kathodengas wird mittels eines Verdichters 13 angesaugt und dann in eine Zufuhrleitung 14 eingebracht. Das einströmende, verdichtete Kathodengas wird im gezeigten Beispiel mittels ei- nes (Rekuperativ-)Wärmetauschers 16 abgekühlt, bevor es zur Befeuchtung einem Kathodengaseinlass 15 des Befeuchters 2 zugeleitet wird . Der Befeuch- ter 2 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Befeuchtermembra- nen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen. Die Feuchtigkeit wird dabei dem verdichterseitig in den Befeuchter 2 strömenden Kathodengas zugeführt. Das verbleibende Abgas kann dann mittels einer Abgasleitung 17 aus dem Befeuchter 2 abgegeben werden. Pro- tonenleitfähige Membranen 19 trennen die Kathoden 30 von den Anoden 31 der Brennstoffzellen 18, wobei den Anoden 31 über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind hierfür über eine Anodenzufuhrleitung 8 mit einem Brennstoffspeicher 9 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 10 kann an den Anoden 31 nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Vorzugsweise ist hierbei der Anodenrezirkulation ein nicht näher dargestelltes Rezirkulations- gebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 10 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzu- fuhrleitung 8 ein Brennstoffstellglied 1 1 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhr- leitung 18 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 1 1 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist im gezeig- ten Beispiel ein Wärmeübertrager 12 in Form eines Rekuperators zur Erwär- mung oder Temperierung des Brennstoffes vorgesehen.

In Figur 2 ist der kaskadierte Brennstoffzellenstapel 5 näher gezeigt. Unter „kaskadiert“ ist dabei ein kaskadenförmiger oder kaskadenartiger Aufbau bzw. eine kaskadenförmige Struktur des Brennstoffzellenstapels 5 zu verstehen. Der Brennstoffzellenstapel 5 untergliedert sich in ein einen Anteil der Vielzahl von Brennstoffzellen 18 aufweisendes erstes Brennstoffzellensegment 22 (un- terer Teil in der Figur) und ein einen anderen, vorzugsweise komplementären Anteil der Vielzahl von Brennstoffzellen 18 aufweisendes zweites Brennstoff- zellensegment 23 (oberer Teil in der Figur). Das erste Brennstoffzellenseg- ment 22 und das zweite Brennstoffzellensegment 23 sind dabei in einer ge- meinsamen Brennstoffzellenkaskade 24 angeordnet. Der Brennstoffzellensta- pel 5 kann hinsichtlich des Kathodengases (z.B. Luft oder Sauerstoff), hinsicht- lich des Anodengases (z.B. Wasserstoff) oder hinsichtlich beider Betriebsme- dien kaskadiert ausgestaltet sein.

In Figur 2 ist der Fluss 33 des Betriebsmediums bzw. des Gasmassenstroms gezeigt, der durch die kaskadenartige Gestaltung mehrere Umlenkungen er- fährt. Um dem Brennstoffzellenstapel 5 ein Betriebsmedium zuführen zu kön- nen, weist das erste Brennstoffzellensegment 22 eine erste Sammeleinlass- leitung 25 auf. Ein der ersten Sammeleinlassleitung 25 zugeführtes Betriebs- medium wird, insbesondere seitlich oder lateral den Brennstoffzellen 18 (oder den durch Bipolarplatten 34 mittels eines Flussfelds bereitgestellten Betriebs- medienräumen) zugeführt, wo es - zumindest teilweise - verbraucht wird, be- vor es auf der der ersten Sammeleinlassleitung 25 gegenüberliegenden Seite des ersten Brennstoffzellensegments 22 aus dem Brennstoffzellen 18 wieder austritt in die erste Sammelauslassleitung 26. Die erste Sammelauslassleitung 26 ist integral, d.h. einstückig mit einer zweiten Sammeleinlassleitung 27 des zweiten Brennstoffzellensegments 23 gebildet. Das Betriebsmedium kann dann wiederum, insbesondere seitlich oder lateral in die Brennstoffzellen 18 (oder den durch Bipolarplatten 34 mittels eines Flussfelds bereitgestellten Be- triebsmedienräumen) des zweiten Brennstoffzellensegments 23 eintreten, wo ein weiterer Teil des Betriebsmediums verbraucht wird. Anschließend tritt das - zumindest teilweise weiterverbrauchte - Betriebsmedium aus den Brenn- stoffzellen 18 des zweiten Brennstoffzellensegments 23 aus in eine zweite Sammelauslassleitung 28. Aus der zweiten Sammelauslassleitung 28 kann Betriebsmediumsabgas dann beispielsweise den Brennstoffzellenstapel 5 ver- lassen oder in ein weiteres, angrenzendes Brennstoffzellensegment 22, 23 eintreten.

Vorliegend sind die erste Sammeleinlassleitung 25 und die zweite Sammel- auslassleitung 28 als eine gemeinsame Leitung gebildet, die aber hier eine Blockade 29 oder Trennwand zur Trennung des ersten Brennstoffzellenseg- ment 22 von dem zweiten Brennstoffzellensegment 23 aufweist. In Abhängig- keit der Lage dieser Trennwand 29 lässt sich die Anzahl an Brennstoffzellen 18 im ersten Brennstoffzellensegments 22 und die Anzahl der Brennstoffzellen 18 im zweiten Brennstoffzellensegments 23 festlegen.

Bei dem in Figur 2 gezeigten, kaskadierten Brennstoffzellenstapel 5 ist exemp- larisch eine Aufteilung der Brennstoffzellen 18 von ungefährt 70 Prozent (ers- tes Brennstoffzellensegment 22) zu ungefähr 30 Prozent (zweites Brennstoff- zellensegment 23) gezeigt. Andere Aufteilungen sind aber möglich, wobei sich die anderen Aufteilungen insbesondere durch die Lage der Trennwand 29 er- geben können.

In Figur 3 ist exemplarisch eine Brennstoffzellen 18 gezeigt, wie sie in den Segmenten des kaskadierten Brennstoffzellenstapels 5 Anwendung findet. Sie umfassen eine Membranelektrodenanordnung 20, welcher vorliegend zwei Gasdiffusionslagen 21 zugeordnet sind. Die Gasdiffusionslagen 21 können aber auch selbst die Elektroden des der Membranelektrodenanordnung 20 bil den. Jedenfalls umfasst die Membranelektrodenanordnung 20 eine erste Elektrode (Kathode 30) und eine zweite Elektrode (Anode 31 ), die durch die protonenleitfähige Membran 19 voneinander getrennt sind. Den beiden Elekt- roden ist jeweils eine der Gasdiffusionslagen 21 zugeordnet, um die jeweiligen Betriebsmedien gleichmäßig über die Oberfläche der Elektrode und damit der Membran 19 zu verteilen. Zur besseren Verteilung der Betriebsmedien weisen die Gasdiffusionslagen 21 eine benachbart zu den Elektroden angeordnete oder elektrodennahe mikroporöse Schicht 32 und eine an die mikroporöse Schicht 32 angrenzende, makroporöse Schicht 33 auf. Die Porengröße der mikroporösen Schicht 32 ist sehr viel kleiner als die Porengröße der makropo- rösen Schicht 33. Die neben den Gasdiffusionslagen 21 angeordneten Bipo- larplatten 34 stellen mit ihrem Flussfeld die Kathoden- oder Anodenräume für der Brennstoffzelle 18 bereit. Sie sind der Übersicht halber abgesetzt von den Gasdiffusionslagen 21 gezeigt, liegen im verpressten Zustand aber auf diesen auf. Vorliegend unterscheiden sich die Brennstoffzellen 18 des ersten Brennstoff- zellensegments 22 von denjenigen des zweiten Brennstoffzellensegments 23 dahingehend, dass sie eine geringer oder weniger wasserabweisende Struktur besitzen. Die unterschiedliche Struktur der Brennstoffzellen 18 des ersten Brennstoffzellensegments 22 und der Brennstoffzellen 18 des zweiten Brenn- stoffzellensegments 23 ist in Figur 2 durch eine unterschiedliche Strichstärke angedeutet. Die Brennstoffzellen 18 der beiden Segmente können sich hin- sichtlich der Äquivalentgewichte der Membranen 19, hinsichtlich der einge- setzten lonomerarten für die Membranen 19, hinsichtlich der Dicke der Memb- ranen 19, hinsichtlich der Dicke der Gasdiffusionslagen 21 , hinsichtlich des Porendurchmessers innerhalb der Gasdiffusionslagen 21 und/oder innerhalb der Membranen 19, sowie hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit oder dem Was- sertransport- und -speichervermögen voneinander unterscheiden. Die Auslegungsparameter sind dabei jedoch stets so gewählt, dass innerhalb des ganzen Brennstoffzellenstapels 5 ein stabiler Betrieb ohne eine Stöchio- metrieerhöhung sichergestellt werden kann.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Brennstoffzellensystem

2 Befeuchter

3 Auslass

4 Kathodenzufuhrleitung

5 Brennstoffzellenstapel

6 Einlass

7 Kathodenabgasleitung

8 Anodenzufuhrleitung

9 Brennstoffspeicher

10 Anodenrezirkulationsleitung

11 Brennstoffstellglied

12 Wärmeübertrager

13 Verdichter

14 Zufuhrleitung

15 Kathodengaseinlass

16 Wärmetauscher

17 Abgasleitung

18 Brennstoffzelle

19 Membran

20 Membranelektrodenanordnung (MEA)

21 Gasdiffusionslage

22 erstes Brennstoffzellensegment

23 zweites Brennstoffzellensegment

24 Brennstoffzellenkaskade

25 erste Sammeleinlassleitung

26 erste Sammelauslassleitung

27 zweite Sammeleinlassleitung

28 zweite Sammelauslassleitung

29 Blockade (Trennwand)

30 Kathode

31 Anode

32 mikroporöse Schicht 33 makroporöse Schicht

34 Bipolarplatte (mit Flussfeld)

35 Fluss des Betriebsmediums