DE10153372A1

DE10153372A1 - Verteilersystem für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE10153372A1
Application number: DE10153372A
Authority: DE
Inventors: Michael M Walsh; Daniel F Woolley; James H Kralick
Original assignee: Plug Power Inc
Current assignee: Plug Power Inc
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2002190312A; US6541148B1; JP3920624B2; DE10153372B4

Abstract

Das Brennstoffzellensystem (10) weist einen Brennstoffzellenstapel (20), einen Verteiler (22) und ein Gelenk (30) auf. Der Verteiler (22) bildet einen abgedichteten Anschluß zum Austauschen von Reaktanden mit dem Stapel, und das Gelenk (30) bilset eine schwenbare Verbindung zwischen dem Stapel (20) und dem Verteiler (22). Das Brennstoffzellensystem (10) weist ferner wenigstens einen Gas-/Wasserseparator (200) auf, der in dem Verteiler (22) angeordnet ist, um Wasser aus einem der Ströme aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verteilersystem für einen Brennstoffzellenstapel.

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Bauel ement, das durch eine Reaktion erzeugte chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Beispielsweise umfaßt eine Art von Brennstoffzellen eine Protonenaustausch membran (PEM; Proton Exchange Membrane), die häufig Polymer elektrolytmembran genannt wird und die nur Protonen das Wan dern zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoff zelle gestattet. An der Anode wird zweiatomiger Wasserstoff (ein Brennstoff) oxidiert, um Wasserstoffprotonen zu erzeu gen, die durch die PEM hindurchtreten. Die durch diese Oxi dation erzeugten Elektronen fließen durch eine Schaltung, die sich außerhalb der Brennstoffzelle befindet, wobei sie einen elektrischen Strom bilden. An der Kathode wird Sauer stoff reduziert, der mit den Wasserstoffprotonen reagiert, wobei Wasser gebildet wird. Die anodischen und kathodischen Reaktionen werden durch die folgenden Gleichungen beschrie ben:

H₂ → 2H⁺ + 2e^- an der Anode der Zelle, und

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O an der Kathode der Zelle.

Da eine einzelne Brennstoffzelle üblicherweise eine re lativ geringe Spannung (beispielsweise von ungefähr 1 Volt) erzeugt, müssen mehrere Brennstoffzellen zu einem sogenann ten Brennstoffzellenstapel angeordnet werden, um eine höhere Spannung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel kann Plat ten (beispielsweise Graphitverbund- oder Metallplatten) um fassen, die aufeinander aufgestapelt sind und die jeweils mehr als einer Brennstoffzelle des Stapels zugeordnet sein können. Die Platten können verschiedene Fließkanäle und Öff nungen aufweisen, um beispielsweise die Reaktanden und die Reaktionsprodukte durch den Brennstoffzellenstapel zu lei ten. Mehrere PEMs (jeweils einer bestimmten Brennstoffzelle zugeordnet) können zwischen den Anoden und Kathoden der verschiedenen Brennstoffzellen im Stapel verteilt sein.

Einige der Öffnungen in den Platten des Stapels fluchten üblicherweise miteinander, um Durchlässe durch den Stapel zur Übertragung von Reaktanden und Kühlmittel zu bilden. Zwischen diesen Durchlässen des Stapels und verschiedenen Leitungen des Systems müssen Verbindungen hergestellt wer den. Beispielsweise muß der Durchlaß des Stapels, der dem in den Stapel eingespeisten Brennstoff zugeordnet ist, an eine Brennstoffeinlaßleitung angeschlossen werden, die Brennstoff aus einem Brennstoffprozessor anliefert. Diese Verbindungen zwischen den Stapeldurchlässen und den Leitungen des Brenn stoffzellensystems benötigen einen Großteil der für den Zusammenbau des Brennstoffzellensystems erforderlichen Zeit, wobei diese Montagezeit die Gesamtkosten des Brennstoffzel lensystems direkt negativ beeinflußt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen oder mehrere der oben genannten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Brennstoff zellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Ver fahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, ein Verteilersystem und ein Gelenk. Der Verteiler bildet eine abgedichtete Verbindung, um Reaktanden mit dem Stapel auszu tauschen, und das Gelenk bildet eine schwenkbare Verbindung zwischen dem Stapel und dem Verteiler.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, einen Verteiler und einen Separator (beispielsweise einen Gas-/Wasserseparator). Der Verteiler leitet Ströme in den Stapel ein, und der Separator ist im Verteiler angeordnet, um Wasser aus einem der Ströme aufzunehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeich nungen dargestellen bevorzugten Ausführungsformen beschrie ben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoff zellensystems nach der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Verteiler systems des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Verteilersystems des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen systems;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Dichtung und ein Verteilergehäuse des erfindungsgemäßen Verteilersystems;

Fig. 5 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Vertei lergehäuse;

Fig. 6 eine Unteransicht des erfindungsgemäßen Vertei lergehäuses;

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Wassertanks des erfindungsgemäßen Verteilersystems;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Brennstoff zellenstapels und des Verteilersystems, die die Funktions weise eines erfindungsgemäßen Gelenks darstellt;

Fig. 10 eine perspektivische Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels und Verteiler systems;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Stapels und eines Anschlusses zur Befestigung des Stapels an einem Rahmen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Nach Fig. 1 umfaßt eine Ausführungsform 10 eines Brenn stoffzellensystems nach der Erfindung einen Brennstoffzel lenstapel 20 (beispielsweise einen PEM-Stapel), der Energie für einen Verbraucher (beispielsweise einen Verbraucher in einem Haushalt) erzeugt, und zwar in Abhängigkeit von den Brennstoff- (beispielsweise Wasserstoff-) und Sauerstoffträ gerströmen, die vom Stapel 20 aufgenommen werden. So umfaßt der Stapel 20 Strömungsplatten mit fluchtenden Öffnungen zur Bildung von Durchlässen, um die eintretenden Brennstoff- und Sauerstoffträgerströme aufzunehmen und diese Ströme zu den jeweils zugehörigen Anoden- und Kathodenbereichen des Sta pels 20 zu leiten. Neben der Bildung der Durchlässe für die eintretenden Brennstoff- und Sauerstoffträgerströme weisen die Strömungsplatten des Stapels 20 weitere fluchtende Öff nungen auf, um Durchlässe für ausströmende Brennstoff- und Sauerstoffträgerströme zu bilden, die bei den Brennstoffzel lenreaktionen innerhalb des Stapels 20 nicht verbraucht wur den. Die Strömungsplatten können zusätzliche Durchlässe bil den, wie beispielsweise die Durchlässe zur Übertragung von Kühlmitteln in den Stapel 20 hinein und aus ihm heraus.

Zur Übertragung der Reaktanden und des Kühlmittels zwi schen dem Stapel 20 und den übrigen Komponenten des Brenn stoffzellensystems 10 (einem Brennstoffprozessor, einem Lüf ter, einem Oxidierer, etc.), weist das Brennstoffzellen system 10 ein Verteilersystem 11 auf, das gegenüber konven tionellen Verteileranordnungen mehrere Vorteile besitzt. Wie im folgenden beschrieben, kann das Verteilersystem 11 bei spielsweise schnell an den Stapel 20 angebaut und von ihm abgebaut werden. Ferner schafft das Verteilersystem 11 ein besseres Wärme- und Wassermanagement als konventionelle Ver teileranordnungen.

So verwendet das Verteilersystem 11 bei einigen Ausfüh rungsformen der Erfindung einen einteiligen, Verteiler bzw. Verteilergehäuse 22 genannten Aufbau, der verschiedene Kam mern aufweist, um eine Übertragung zwischen den Reaktanden- und Kühlmitteldurchlässen des Stapels und den Reaktanden- und Kühlmitteldurchlässen des Systems 10 zu schaffen. Das Verteilergehäuse 22 kann einteilig sein und aus einem Werk stoff, wie beispielsweise Kunststoff, Metall oder einem Ver bundwerkstoff bestehen, um nur einige Beispiele zu geben. Beispielsweise kann Fräsen oder Spritzgießen angewendet wer den, um das Verteilergehäuse 22 aus dem ausgewählten Werk stoff herzustellen. Durch Anordnung der Verteileranschlüsse des Brennstoffzellensystems 10 in dem einteiligen Verteiler gehäuse 22 können gegenüber konventionellen Brennstoffzel lensystemen Wärmeverluste reduziert werden.

Das Verteilersystem 11 verbessert bei einigen Ausfüh rungsformen der Erfindung das Wassermanagement durch Zusam menführen des innerhalb des Systems 10 gesammelten Konden satwassers in einen einzigen Wassertank 34 (des Verteiler systems 11), wodurch das gesammelte Wasser an einem Ort kon zentriert wird, an dem es aufgetaut werden kann, falls das Brennstoffzellensystem 10 Frosttemperaturen ausgesetzt ist. So sammelt der Wassertank 34, wie im folgenden beschrieben, Kondensat aus den Gas-/Wasserseparatoren (in Fig. 1 nicht gezeigt), die in dem Verteilergehäuse 22 angeordnet sind, und ein Wärmetauscher 36 des Verteilersystems 11 kann die notwendige Wärme liefern, um gefrorenes Wasser im Wassertank 34 aufzutauen. Der Wärmetauscher 36 kann beispielsweise, während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems 10, Wärme aus der Beheizung eines Brennstoffprozessor übertragen. Wie im folgenden beschrieben, kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung jeder Gas-/Wasserseparator teilweise in den Wassertank 34 hineinragen, um das Auftauen von gefrorenem Wasser im Separator zu ermöglichen.

Wie im folgenden beschriebenen, kann das Verteilersystem 11 zahlreiche zusätzliche Merkmale aufweisen, wie Merkmale, die es ermöglichen, Gerätesensoren im Verteilergehäuse 22 zu montieren, wodurch die Notwendigkeit entfällt die Geräte sensoren zu entfernen, wenn der Stapel 20 ersetzt wird. Als weiteres Beispiel kann das Verteilersystem 11 eine lösbare Gelenkverbindung mit dem Stapel 20 bilden, um einen präzisen und schnellen Anbau des Stapels 20 an das Verteilersystem 11 sowie Einbau in den Rahmen 12 des Brennstoffzellensystems 10 zu ermöglichen.

Um zumindest einige dieser Merkmale zu veranschaulichen, stellen die Fig. 2 und 3 eine detailliertere perspektivische Ansicht des Verteilersystems 11 dar. Wie gezeigt, umfaßt das Verteilersystem 11 eine flache Dichtung 82, die zwischen der glatten Bodenfläche des Stapels 20 und der relativ flachen Oberseite des Verteilergehäuses 22 angeordnet ist, um die den Brennstoff-, Sauerstoffträger- und Kühlmittelströmen zu gehörigen Bereiche zwischen dem Stapel 22 und dem Verteiler system 11 abzudichten. So liegt die glatte Oberseite 95 der Dichtung 82, wie im folgenden beschrieben, an der Unterseite des Stapels 20 an. Die Dichtung 82 umfaßt Öffnungen 42, 48 und 52, um jeweils ausströmende Sauerstoffträger-, Kühlmit tel- und Brennstoffströme aus dem Durchlaß des Stapels 20 aufzunehmen. Kammern (im folgenden beschrieben) des Vertei lergehäuses 22 leiten diese Sauerstoffträger-, Kühlmittel- und Brennstoffströme zu jeweiligen Brennstoff- 50, Kühlmit tel- 46 und Sauerstoffträgerauslaßanschlüssen 44 des Vertei lergehäuses 22, an die Leitungen angeschlossen werden kön nen, um diese Ströme zu verschiedenen Stellen des Systems 10 zu übertragen.

Die Dichtung 82 weist außerdem Öffnungen 70, 60 und 64 auf, um Sauerstoffträger-, Kühlmittel- und Brennstoffströme zum Stapel 20 zu liefern. Diese Öffnungen nehmen Sauerstoff träger-, Kühlmittel- und Brennstoffströme aus Kammern (des Verteilergehäuses 22) auf, die Sauerstoffträger-, Kühlmit tel- und Brennstoffströme aus jeweiligen Brennstoff- 62, Kühlmittel- 56 und Sauerstoffträgereinlaßanschlüsse (in Fig. 2 nicht gezeigt) des Verteilergehäuses 22 erhalten. Diese Einlaßanschlüsse nehmen diese Ströme aus einem Brennstoff prozessor (nicht gezeigt), einem Kühlsystem (nicht gezeigt) und von einem Lüfter (nicht gezeigt) auf, die über verschie dene Systemleitungen mit den Anschlüssen verbunden sind.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Dichtung 82 durch separate Dichtringe ersetzt werden, von denen jeder einzeln eine Kühlmittel-, Sauerstoffträger- oder Brennstofföffnung abdichtet. Andere Variationen sind mög lich.

Nach einem weiteren Merkmal des Verteilersystems 11, sorgt eine Dichtung 40 (siehe Fig. 2) bei einigen Ausfüh rungsformen der Erfindung für eine Abdichtung zwischen dem Verteilergehäuse 22 und dem Wassertank 34. Auf diese Weise wird Wasser, das von den innerhalb des Verteilergehäuses 22 angeordneten Gas-/Wasserseparatoren aufgenommen wird, in dem vom Wassertank 34 gebildeten Reservoir gesammelt. Das Ver teilersystem 11 umfaßt ferner Gerätesensoren, wie beispiels weise die Gerätesensoren 74 und 76, die an der Dichtung 82 befestigt sind und dazu verwendet werden können, Strömungs messungen (beispielsweise Temperatur und/oder Druckmessun gen) im Verteilergehäuse 22 und im Wassertank 34 durchzu führen, um nur einige Beispiele zu geben.

Wie im folgenden detaillierter beschrieben, weist das Verteilergehäuse 22 bei einigen Ausführungsformen der Erfin dung eine Nut 80 sowie Stege 81 auf (siehe Fig. 4), die einen Aufnahmeabschnitt des Gelenks 30 (siehe Fig. 1) bil den, das den Stapel 20 schwenkbar an das Verteilergehäuse 22 anbindet. So ist die Nut 30 nahe an der Außenkante der Dich tung 82 angeordnet und verläuft daran entlang, um, wie im folgenden beschrieben, einen Einsteck-Achsenabschnitt (des Gelenks 30), der Teil des Stapels 20 ist, aufzunehmen. Die Stege 81 sind voneinander beabstandet und zwischen der Nut 80 und der daran angrenzenden Außenkante der Dichtung 82 angeordnet. Jeder Steg 81 ist annähernd mit der Krümmung der Achse des Gelenks 30 gewölbt. Wie weiter unten beschrieben, sind die Stege 81 hinreichend elastisch, um sich geringfügig von der Nut 80 wegzubiegen, wenn der Stapel 20 auf dem Ver teilergehäuse 22 aufgesetzt wird, damit die Nut 80 die Achse des Gelenks 30 aufnehmen kann. Nach dem Einsetzen der Achse in die Nut 80 kehren die Stege in ihre unverformte Stellung zurück, um die Achse in der Nut 80 zu halten und so das zusammengesetzte Gelenk 30 zu bilden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 stellen bei eini gen Ausführungsformen der Erfindung die oben beschriebenen Öffnungen in der Dichtung 82 eine Verbindung zwischen den Kammern des Verteilergehäuses 22 und den Durchlässen des Stapels 20 her. Jede Kammer wird von vertikalen Trennwänden des Verteilergehäuses 22 und der Bodenfläche des Verteiler gehäuses 22 gebildet, wobei die Oberseite jeder Kammer durch die Dichtung 82 gebildet und abgedichtet wird. Beispiels weise sind sowohl der Kühlmittelauslaßanschluß 46 des Ver teilergehäuses 22 als auch die Kühlmittelöffnung 48 der Dichtung 82 mit einer L-förmigen Kammer 158 (siehe Fig. 5) des Verteilergehäuses 22 verbunden. In ähnlicher Weise sind sowohl der Sauerstoffträgerauslaßanschluß 44 des Verteiler gehäuses 22 als auch die Kühlmittelöffnung 42 der Dichtung 82 mit einer Kammer 160 des Verteilergehäuses 22 verbunden; und die Brennstoffauslaßanschlüsse 110 des Verteilergehäuses 22 sowie die Brennstofföffnung 52 der Dichtung 82 sind alle samt mit einer L-förmigen Kammer 152 des Verteilergehäuses 22 verbunden. Was die Einlaßanschlüsse des Verteilergehäuses 22 anbelangt, so sind sowohl ein Sauerstoffträgereinlaßan schluß 57 des Verteilergehäuses 22 als auch die Sauerstoff trägeröffnung 70 der Dichtung 82 mit einer Kammer 156 des Verteilergehäuses 22 verbunden; ein Kühlmitteleinlaßanschluß 56 des Verteilergehäuses 22 und eine Kühlmittelöffnung 60 der Dichtung 82 sind mit einer L-förmigen Kammer 154 des Verteilergehäuses 22 verbunden; und die Öffnungen 64 und 112 der Dichtung 82 sind allesamt mit einer Kammer 150 des Ver teilergehäuses 22 verbunden.

In Fig. 5 sind ferner Vertiefungen dargestellt, die in das Verteilergehäuse 22 eingeformt sind, um Gas-/Wassersepa ratoren im Verteilergehäuse 22 zu bilden. So bilden die Ver tiefungen die Bodenflächen und die Seitenwände der Gas-/Was serseparatoren. Beispielsweise umfaßt die Einlaßbrennstoff kammer 150 eine zylindrische Vertiefung 170, die wie im fol genden beschrieben, einen Abschnitt eines Gas-/Wassersepara tors bildet, um Wasser aus dem einströmenden Brennstoffstrom aufzunehmen. Die Sauerstoffträgereinlaßkammer 156 umfaßt ebenfalls eine zylindrische Vertiefung 172, die einen Ab schnitt eines Gas-/Wassersepärators bildet, um Wasser aus dem einströmenden Sauerstoffträgerstrom aufzunehmen; und die Brennstoffauslaßkammer 152 umfaßt eine zylindrische Vertie fung 180, die einen Abschnitt eines Gas-/Wasserseparators bildet, um Wasser aus dem ausströmenden Brennstoffstrom auf zunehmen.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung bildet das Verteilergehäuse 22 einen Abschnitt von Gas-/Wassersepara toren, die anstatt Wasser aus den vom Verteilergehäuse 22 in den Stapel 20 geleiteten Strömen zu entfernen, Wasser aus anderen Strömen aufnehmen, die aus verschiedenen anderen Abschnitten des Systems 10 in das Verteilergehäuse 22 über geleitet werden. So umfaßt das Verteilergehäuse 22 Vertie fungen 174 und 176, die Abschnitte von Gas-/Wasserseparato ren bilden, die Wasser aus Strömen aufnehmen, die über Lei tungen 122 (für die Vertiefung 176) und 126 (für die Vertie fung 174) aus anderen Abschnitten des Brennstoffzellensy stems 10 zu den Vertiefungen 174 und 176 geleitet werden. Somit stehen die Vertiefungen 174 und 176 im Gegensatz zu den anderen Gas-/Wasserseparatoren nicht in Verbindung mit den Strömen innerhalb des Verteilergehäuses 22, die direkt in Verbindung mit dem Stapel stehen. Statt dessen weist der Gas-/Wasserseparator mit der Vertiefung 174 eine zylindri sche Seitenwand 186 auf, die von der Kammer 152 umgeben ist und die die Vertiefung 174 zur Kammer 152 hin abdichtet. Die Seitenwand 186 erstreckt sich von der Bodenfläche des Ver teilergehäuses 22 nach oben, um mit der Dichtung 82 eine Abdichtung zu bilden. Der Gas-/Wasserseparator mit der Ver tiefung 176 weist ebenfalls eine zylindrische Seitenwand 184 auf, die ebenfalls von der Kammer 152 umgeben ist und die die Vertiefung 176 zur Kammer 152 hin abdichtet. Die Seiten wand 184 erstreckt sich von der Bodenfläche des Verteiler gehäuses 22 nach oben, um mit der Dichtung 82 eine Abdich tung zu bilden.

Nach weiteren Merkmalen des Verteilergehäuses 22 kann dieses eine Öffnung 191 aufweisen, um den Gerätesensor 74 aufzunehmen, der durch den Boden des Verteilergehäuses 22 in den Wassertank 34 ragt, um beispielsweise die Temperatur des Wassers im Tank 34 zu messen. Die Öffnung 191 ist von einer zylindrischen Seitenwand 190 umgeben, die die Öffnung 191 zur Kammer 156 hin abdichtet und sich von der Bodenfläche des Verteilergehäuses 22 nach oben erstreckt, um mit der Dichtung 82 eine Abdichtung zu bilden. Das Verteilergehäuse 22 kann auch andere Kammern aufweisen, in die Gerätesensoren eingesetzt werden können, um eine Eigenschaft eines Stroms zu messen und gleichzeitig von dem Strom isoliert zu blei ben. Das Verteilergehäuse 22 kann beispielsweise eine zylin drische Wand 192 aufweisen, die den Gerätesensor 76 gegen über der Kammer 156 abdichtet und die sich von der Bodenflä che des Verteilergehäuses 22 nach oben hin erstreckt, um mit der Dichtung 82 eine Abdichtung zu bilden.

Nach Fig. 6, die die Bodenfläche des Verteilergehäuses 22 darstellt, sind die Vertiefungen 172, 174, 176 und 180 so konstruiert, daß sie sich in den Wassertank 34 bis unter dessen Wasserspiegel erstrecken, um die Vertiefungen 172, 174, 176 und 180 mit aufgeheiztem Wasser im Tank 34 zu um geben und ein Einfrieren des Wassers innerhalb der Vertie fungen zu verhindern. Das Verteilergehäuse 22 kann ferner eine kastenförmige Vertiefung 161 aufweisen, die einen Ab schnitt der Sauerstoffträgerauslaßkammer 160 bildet und die bis unter den Wasserspiegel des Wassertanks 34 ragt. Auf grund dieser Anordnung kann der aufgeheizte Sauerstoffträ gerstrom aus dem Stapel 20 dazu verwendet werden Wärme in den Wassertank 34 zu liefern.

Wie oben erwähnt, wird jeder Gas-/Wassersepärator von einer der zylindrischen Vertiefungen im Verteilergehäuse 22 gebildet. Ein beispielhafter Gas-/Wasserseparator 200, der von der Vertiefung 176 gebildet wird, ist in Fig. 7 darge stellt. Wie gezeigt, weist der Separator 200 einen Schwimmer 206 auf, der innerhalb der Vertiefung 176 liegt, um den Pegel des aufgenommenen Wassers innerhalb der Vertiefung 176 zu regulieren. Auf diese Weise stellt der Separator 200 sicher, daß ein ausreichender Wasserpegel in der Vertiefung 176 vorhanden ist, um zu verhindern, daß Gas in den Wasser tank 34 eintritt. Genauer gesagt, weist der Schwimmer 206 einen gegossenen elastomeren Stopfen 202 auf, der dazu dient, in eine Öffnung 204 (d. h. in einen Ventilsitz) am Boden der Vertiefung 176 einzugreifen. Sobald der Pegel des aufgenommenen Wassers in der Vertiefung 176 unter einen ausreichenden Wert absinkt, legt sich der Stopfen 202 in die Öffnung 204, um die Verbindung zwischen der Vertiefung 176 und dem Wassertank 34 zu blockieren und um zu bewirken, daß der Wasserpegel innerhalb der Vertiefung 176 ansteigt. So bald der Wasserpegel in der Vertiefung 176 über einen aus reichenden Wert hinaus ansteigt, steigt der Schwimmer 206 auf, um den Stopfen 202 aus der Öffnung 204 zu heben und damit zuzulassen, daß das Wasser aus der Vertiefung 176 solange in den Wassertank 34 fließt, bis der Wasserpegel in der Vertiefung 176 auf einen passenden Pegel absinkt.

Nach Fig. 8 ist der Wassertank 34 bei einigen Ausfüh rungsformen der Erfindung im wesentlichen kastenförmig aus gebildet, und zwar mit einer Öffnung 222 an seiner Ober seite, die die Verbindung zwischen dem Wassertank 34 und den Gas-/Wasserseparatoren im Verteilergehäuse 22 herstellt. Ein Flansch 220 verläuft entlang der Außenkante der Öffnung 222, wobei der Flansch 220 Löcher 226 aufweist, durch die Schrau ben verlaufen können, um den Wassertank 34 mit dem Vertei lergehäuse 22 zu verbinden. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung weist der Wassertank 34 in einer der Seiten wände, einen ausgesparten Bereich 224 auf, um den Wärmetau scher 36 aufzunehmen.

Beim Zusammenbau des Gelenks 30 zur Montage des Stapels 20 am Verteilergehäuse 22 kann der Stapel 20, wie in Fig. 9 gezeigt, in eine horizontale Stellung gedreht werden. Wenn sich der Stapel 20 in einer horizontalen Stellung befindet, kann die Dichtung 82 (in Fig. 9 nicht gezeigt) an der Ober seite des Verteilergehäuses 22 angeordnet werden, und die Schwimmer 206 (siehe auch Fig. 10) können in die Vertiefun gen eingesetzt werden, um die Gas-/Wasserseparatoren zu bil den. Auch können Wartungsarbeiten am Stapel 20 und der Ver teileranordnung 11 durchgeführt werden, wenn sich der Stapel 20 in der horizontalen Stellung befindet.

Nach Fig. 9 fluchten die Sauerstoffträger- 302, Kühlmit tel- 304 und Brennstoffauslaßöffnungen 306 des Stapels 20 jeweils mit den zugehörigen Sauerstoffträger- 64, Kühlmittel- 60 und Brennstofföffnungen 70 der Dichtung 82, wenn der Sta pel 20 in eine vertikale Position gedreht wird; und Brenn stoff- 314, Kühlmittel- 312 und Sauerstoffträgereinlaßöffnun gen 310 des Stapels 20 fluchten mit den zugehörigen Brenn stoff- 42, Kühlmittel- 48 und Sauerstoffträgeröffnungen 52 der Dichtung 82, wenn der Stapel in die vertikale Stellung ge dreht wird.

Nach Fig. 11 kann der Stapel 20 in die vertikale Stel lung gedreht und am Rahmen 12 (siehe Fig. 1) befestigt wer den, nachdem die Verteileranordnung 11 am Rahmen 12 befe stigt worden ist. So kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung das Brennstoffzellensystem 10 einen Verriegelungs mechanismus bzw. ein Verbindungseinrichtung aufweisen, um den Stapel 20 an den Rahmen anzuschließen, wenn der Stapel 20 in die vertikale Position gedreht ist. Die Verbindungs einrichtung kann eine Blattfeder 400 aufweisen, die über die Oberseite des Stapels 20 verläuft und mit diesem in Kontakt steht. Die Federelastizität der Feder 400 erzeugt eine Kraft in Richtung der Längsachse des Stapels 20, um den Stapel 20 gegen das Verteilergehäuse 22 zu drücken und die durch die Dichtung 82 gebildete Abdichtung wirksam werden zu lassen. Jede Seite der Feder 400 weist ein Aussparung 402 auf, um eine vertikale Schraube 408 aufzunehmen, die am Rahmen 12 befestigt ist. Auf diese Weise nimmt die Aussparung 402 die Schraube 404 auf, wenn der Stapel 20 in die vertikale Stel lung gedreht wird, und eine obere Verriegelungsmutter 408 kann auf das freie Ende der jeweiligen Schraube 404 aufge schraubt werden, um den Stapel 20 am Rahmen 12 zu befesti gen. Die Schraube 404 verläuft durch einen abgewinkelten Rahmenabschnitt 410, der an einem horizontalen Abschnitt 13 (siehe Fig. 1) des Rahmens 12 befestigt ist. Der Kopf der Schraube 404 liegt auf einer Seite des Rahmenabschnitts 410 gegenüber der Blattfeder 400. Eine untere Sicherungsmutter 408 wird auf die Schraube 404 aufgeschraubt und ist zwischen der Blattfeder 400 und dem Rahmenabschnitt 410 angeordnet.

In der vorangegangenen Beschreibung wurden Lagebezei chnungen wie beispielsweise "obere", "untere", "vertikal" und "horizontal" verwendet, um das Brennstoffzellensystem ohne seine zugehörigen Komponenten möglichst einfach zu beschreiben. Derartige Richtungsangaben sind jedoch nicht notwendig, um die Erfindung auszuführen, weshalb auch andere Lageanordnungen bei anderen Ausführungsformen der Erfindung möglich sind.

Während die Erfindung anhand einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen offenbart worden ist, werden Fachleute, denen diese Beschreibung vorliegt, deren zahlreiche Modifi kationen und Variationen erkennen. Die angefügten Ansprüche sollen alle diese Modifikationen und Variationen als unter den Erfindungsgedanken und den Schutzumfang der Erfindung fallend umfassen.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch
einen Brennstoffzellenstapel (20); und
einen Verteiler (11) zur Bildung einer abgedichteten Verbindung, um Reaktanden mit dem Stapel auszutauschen.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gelenk (30), das eine schwenkbare Verbindung zwischen dem Stapel (20) und dem Verteiler (11) bildet.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Gelenk (30) einen ersten am Stapel (20) befe stigten Gelenkabschnitt und einen zweiten am Verteiler befe stigten Gelenkabschnitt (81) aufweist, wobei der erste und der zweite Gelenkabschnitt eine lösbare Verbindung zwischen dem Stapel und dem Verteiler bilden.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gelenkabschnitt einen Einsteckabschnitt des Gelenks bildet.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß der zweite Gelenkabschnitt einen Aufnahmeabschnitt des Gelenks bildet.

6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel mittels des Gelenks (30) aus einer ersten Stellung, in der Öffnungen (z. B. 42) des Ver teilers (11) zum Stapel (20) hin offenliegen, in eine zweite Stellung verschwenkbar ist, in der der Stapel mit dem Ver teiler abgedichtet verbunden ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeich net durch einen Rahmen (12) zur Halterung des Brennstoffzel lenstapels (20) sowie durch eine Verbindungseinrichtung (400), um den Stapel am Rahmen zu befestigen, wenn sich der Stapel in der zweiten Stellung befindet.

8. Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch
einen Brennstoffzellenstapel (20),
einen Verteiler (11) zum Austauschen von Ströme mit dem Stapel; und
einen in dem Verteiler angeordneten Separator (200) zur Aufnahme von Wasser aus einem der Ströme.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (200) folgende Merkmale aufweist:
eine in dem Verteiler (11) angeordneten Vertiefung (176), wobei die Bodenfläche der Vertiefung eine Öffnung (204) aufweist, um Wasser aus der Vertiefung abzulassen; und
einen in der Vertiefung angeordneten Kolben (206) zur Steuerung des Zugangs zur Öffnung, um den Wasserpegel in der Vertiefung zu regulieren.

10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen am Verteiler (11) befestigten Wassertank (34), um das durch die Öffnung strömende Wasser aufzunehmen.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (176) in den Wassertank (34) hineinragt.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (176) unter dem Wasserpegel des Wassertanks (34) liegt.

13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (176) einteilig mit dem Verteiler (11) ausgebildet ist.

14. System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekenn zeichnet durch
Leitungen zum Fördern eines weiteren Stroms in den Ver teiler (11), wobei der Verteiler diesen weiteren Strom nicht direkt in den Stapel (20) leitet; und
einen weiteren, im Verteiler angeordneten Separator, um Wasser aus dem weiteren Strom aufzunehmen.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Separator eine im Verteiler (11) ange ordnete Vertiefung aufweist, wobei die Bodenfläche der Ver tiefung eine Öffnung aufweist, um Wasser aus der Vertiefung abzulassen; und
daß ein Kolben zur Steuerung des Zugangs zur Öffnung in der Vertiefung angeordnet ist, um den Wasserpegel in der Vertiefung zu regulieren.

16. System nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen am Verteiler (11) befestigten Wassertank (34), der durch die Öffnung strömendes Wasser aufnehmen kann.

17. System nach einem der Ansprüche 8 bis 16, gekenn zeichnet durch einen im Verteiler (11) angeordneten Geräte sensor (z. B. 74).

18. System nach einem der Ansprüche 8 bis 17, gekenn zeichnet durch einen Wärmetauscher (36) zum Schmelzen von im Wassertank (34) entstehendes Eises.

19. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensta pels, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verteiler zum Austauschen von Reaktanden mit dem Stapel verwendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine schwenkbare Verbindung zwischen dem Stapel und dem Verteiler erstellt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstellung der Verbindung folgende Schritte umfaßt:
Erstellen eines ersten Gelenkabschnitts, der an dem Sta pel befestigt wird; und
Erstellen eines zweiten Gelenkabschnitts, der an dem Verteiler befestigt wird, wobei die ersten und zweiten Gelenkabschnitte dazu ausgebildet werden, eine lösbare Ver bindung zwischen dem Stapel und dem Verteiler zu schaffen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gelenkabschnitt einen Einsteckabschnitt des Gelenks aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Gelenkabschnitt einen Aufnahme abschnitt des Gelenks aufweist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel mittels der schwenk baren Verbindung aus einer ersten Stellung, in der Öffnungen im Verteiler zum Stapel hin freigelegt sind, in eine zweite Position verschwenkt wird, in der der Stapel mit dem Vertei ler abgedichtet verbunden ist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel an einem Rahmen befestigt wird, wenn er sich in der zweiten Stellung befindet.

26. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensta pels, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Verteiler zum Austauschen von Strömen mit dem Stapel verwendet wird; und
daß Wasser aus einem der Ströme innerhalb des Verteilers abgeschieden wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden von Wasser folgende Schritte umfaßt:
Befestigen eines Wassertanks am Verteiler; und
Anordnen eines Gas-/Wasserseparators innerhalb des Ver teilers sowie in Verbindung mit dem Wassertank.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt des Separators unter den Was serpegel des Wassertanks verlegt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer Strom zum Verteiler geleitet wird, wobei der Verteiler diesen weiteren Strom nicht in den Sta pel fördert; und
daß das Wasser aus dem weiteren Strom innerhalb des Ver teilers gesammelt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eigenschaft eines der Strö me innerhalb des Verteilers gemessen wird.