DE102008003836A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (10), der aus einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101), einer Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102) und einer Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103) besteht; einen Brennstoffbehälter (11); ein Gehäuse (510), das den Brennstoffzellenstapel (10) und den Brennstoffbehälter (11) umfasst und schützt; und ein Gebläse (520), das an dem Gehäuse (510) angebracht ist, um die Kathoden der Brennstoffzelleneinheiten (101) mit Luft zu versorgen. Die Brennstoffzelleneinheiten (101) weisen einen Flüssigkeitseinlass und einen Flüssigkeitsauslass auf, die jeweils mit der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102) und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103) verbunden sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Brennstoffzellentechnologie, und insbesondere auf ein Brennstoffzellensystem, das eine neuartige Durchfluss-Verteilungsvorrichtung und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung verwendet. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist dafür geeignet, Batterien verschiedener 3C-Produkte, wie Mobiltelefone oder Computer, zu laden. Im allgemeinen sind Brennstoffzellen aus vielen Basiszelleneinheiten gebildet. Diese Basiszelleneinheiten sind typischerweise in Reihe verbunden, um eine geforderte Betriebsspannung abzugeben.
- Die Brennstoffzellenbaueinheit umfasst gewöhnlich einen Stromkollektor (auf den auch als Ladungskollektorplatte Bezug genommen wird) und eine Durchflussplatte bzw. Strömungsplatte, die beide wichtige Rollen spielen. Der Stromkollektor sammelt die aus der elektrochemischen Reaktion erzeugten Elektronen, und die Durchflussplatte bewerkstelligt und steuert die Verteilung des Brennstoffs. In der Vergangenheit war die Konstruktion der Durchflussplatte darauf ausgerichtet, dass der Brennstoff gleichmäßig durch den Brennstoffkanal in die Membran-Elektroden-Anordnung bzw. Membrane Electrode Assembly (MEA) fließen konnte.
- Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellensystem mit höherer Leistung zur Verfügung zu stellen, wobei es geeignet ist, Batterien verschiedener 3C-Produkte zu laden.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 19. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche offenbaren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
- Wie aus der detaillierten Beschreibung unten klarer zu ersehen sein wird, umfasst das beanspruchte Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten, eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung umfasst, wobei die Vielzahl der Brennstoffzelleneinheiten zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung und Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung fixiert und sandwichartig angeordnet ist.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
- Darin zeigt:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung; -
2 eine Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels von1 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung, die eine Seitenansicht einer beispielhaften 2-Watt-Brennstoffzellen-Baueinheit gemäß dieser Erfindung darstellt; -
4 eine perspektivische Ansicht, die eine interne Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem zweiten bevorzug ten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt; -
5 eine perspektivische Ansicht, die eine interne Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt; und -
6 eine perspektivische Ansicht, die eine interne Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt. - Es ist Bezug zu nehmen auf
1 und2 , wobei1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist, und2 eine Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels von1 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist. - Wie in
1 und2 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem1a der vorliegenden Erfindung mindestens einen Brennstoffzellenstapel10 und einen Brennstoffbehälter11 , der mit dem Brennstoffzellenstapel10 verbunden ist. Der Brennstoffzellenstapel10 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 , eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 . Die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 ist auf der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 angebracht, die in einer Hinsicht als eine Basis dient, und wird durch die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 abgedeckt. Die Vielzahl der Brennstoffzelleneinheiten101 ist zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 sandwichartig angeordnet und fixiert. Die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 ist mit dem Brennstoffbehälter11 über eine Rohrleitung122 verbunden, während die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 mit dem Brennstoffbehälter11 über eine Rohrleitung124 verbunden ist. - Der Brennstoffbehälter
11 wird verwendet, um Anodenbrennstoff zu speichern, zum Beispiel eine Methanollösung oder Wasserstoff. Gemäß dieser Erfindung ist der Brennstoffbehälter11 aus korrosionsbeständigen Materialien, wie Kunststoff-Werkstoffen, Keramikwerkstoffen, Metallen, Metalllegierungen oder Polymerverbundwerkstoffen usw. hergestellt. - Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Brennstoffbehälter
11 einen Brennstoffauslass111 , einen Brennstoffeinlass112 , einen Gas-Flüssigkeit-Separator113 , und eine Brennstoffzuführungsöffnung oder Düse114 . Die Rohrleitung122 ist mit dem Brennstoffauslass111 verbunden, während die Rohrleitung124 mit dem Brennstoffeinlass112 verbunden ist. Der Gas-Flüssigkeit-Separator113 wird dazu verwendet, gasförmige Reaktionsprodukte wie Kohlendioxid aus dem Brennstoffbehälter11 zu entfernen. - Der in dem Brennstoffbehälter
11 gespeicherte Brennstoff fließt in einer durch Schwerkraft zugeführten Weise durch die Rohrleitung122 und die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 gleichermaßen in die jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten101 . Die Reaktionsprodukte, wie Wasser und Kohlendioxyd, die durch jede der Brennstoffzelleneinheiten101 erzeugt werden, und Brennstoff, der nicht reagiert hat, fließen durch die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 und die Rohrleitung124 zu dem Brennstoffbehälter11 zurück. - Gemäß der vorliegenden Erfindung verteilen die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
102 und die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 den Anodenbrennstoff gleichmäßig auf die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 des Brennstoffzellenstapels10 . Eine andere erfinderische Funk tion, die durch das neuartige Brennstoff verteilende Paar geschaffen wird, das aus der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 besteht, besteht darin, dass die Brennstoffzelleneinheiten101 fest angebracht sind und zwischen den Brennstoffzelleneinheiten101 des Brennstoffzellenstapels10 ein im wesentlichen gleicher Abstand eingehalten wird. Das Einhalten eines geeigneten Abstands zwischen den Brennstoffzelleneinheiten101 ist wichtig, damit Kathodenbrennstoff, wie Luft, die Kathodenoberfläche schnell erreichen kann, und durch den Brennstoffzellenstapel10 erzeugte Wärme wirksam abgeführt werden kann. Außerdem kann durch das Schaffen eines geeigneten Abstands zwischen den Brennstoff-zelleneinheiten101 das Ansammeln von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenstapel10 verhindert werden. - Wie in
2 gezeigt, ist die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 eine monolithische Struktur, die eine laterale Sammelleitung201 , Durchfluss-Aufteilungsrohrleitungen202 und vertikale Brennstoffauslässe203 umfasst. Ein flexibles Dichtungsmaterial204 , wie ein O-Ring, ist im Inneren eines jeden der vertikalen Brennstoffauslässe203 angeordnet. Brennstoffeinlassdüsen222 der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten101 sind in die korrespondierenden vertikalen Brennstoffauslässe203 der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 eingefügt und damit passend zusammengefügt, und sind durch das flexible Dichtungsmaterial204 dicht abgedichtet. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 aus Kunststoffmaterialien, Glasmaterialien, Keramikmaterialien, Metallen, Metalllegierungen oder Polymerverbundwerkstoffen bestehen. - Wie zuvor erwähnt, wird der Anodenbrennstoff gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung durch Schwerkraft zugeführt und zirkuliert mittels Kapillarwirkung des Brennstoffkanals oder thermischer Konvektion. In diesem Zusammenhang erfordert das Brennstoffzellensystem
1a der vorliegenden Erfindung keine Pumpe. In einem anderen Fall kann jedoch eine Pumpe verwendet werden, um den zugeführten Anodenbrennstoff über Druck in die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 einzubringen. - Gemäß den Versuchsergebnissen und den in der Praxis gewonnenen Messergebnissen, kann die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
102 gemäß der vorliegenden Erfindung den Anodenbrennstoff effektiv so verteilen, dass an jedem vertikalen Brennstoffauslass203 eine gleiche Durchflussmenge erzielt werden kann. Wie zuvor erwähnt, sind die Brennstoffeinlassdüsen222 der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten101 und die vertikalen Brennstoffauslässe203 der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 zusammengefügt und durch das flexible Dichtungsmaterial204 abgedichtet. Das flexible Dichtungsmaterial204 kann das Lecken des Brennstoffs verhindern. Ein Temperatursensor205 oder andere elektronische Vorrichtungen zum Überwachen des Betriebsverhaltens des Brennstoffzellensystems1a können in die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 integriert sein. - Ebenso ist die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung
103 eine monolithische Struktur, die eine Vielzahl von vertikalen Brennstoffeinlässen301 , Zusammenfluss-Rohrleitungen302 und einen Zusammenfluss-Brennstoffauslass303 umfasst. Ein flexibles Dichtungsmaterial304 , wie ein O-Ring, ist im Inneren eines jeden der vertikalen Brennstoffeinlässe301 angeordnet. Brennstoffauslassdüsen224 der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten101 sind in die korrespondierenden vertikalen Brennstoffeinlässe301 der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 eingefügt und damit passend zusammengefügt, und sind durch das flexible Dichtungsmaterial304 dicht abgedichtet. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Durchfluss- Zusammenführungsvorrichtung103 aus Kunststoffmaterialien, Glasmaterialien, Keramikmaterialien, Metallen, Metalllegierungen oder Polymerverbundwerkstoffen bestehen. - Analog können ein Temperatursensor oder andere elektronische Vorrichtung zum Überwachen des Betriebsverhaltens der Brennstoffzelle
1a in die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 integriert sein. Optional kann an der lateralen Sammelleitung201 der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 oder an dem Zusammenfluss-Brennstoffauslass303 der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 zur Steuerung des Brennstoffdurchflusses ein Schaltventil (nicht gezeigt) angeordnet sein. -
3 ist eine schematische Darstellung, die eine Seitenansicht einer beispielhaften 2-Watt-Brennstoffzellenbaueinheit (nach dem Zusammenbau) gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt. Es soll verstanden werden, dass die in3 dargestellte Brennstoffzellenbaueinheit101 nur für Darstellungszwecke gedacht ist. Die Brennstoffzellenbaueinheit101 kann aus anderen Anordnungen oder Typen bestehen. Die Brennstoffzellenbaueinheit101 umfasst eine integrierte Anoden-Durchflussplatte bzw. Anoden-Strömungsplatte310 , eine Kathoden-Durchflussplatte bzw. Kathoden-Strömungsplatte312 (mit Luft in Kontakt), eine vorgeformte Klebstoffscheibe und eine MEA, die schichtförmig zusammengefügt sind. Die Brennstoffeinlassdüse222 und die Brennstoffauslassdüse224 liegen an zwei gegenüberliegenden Seiten der integrierten Anoden-Durchflussplatte310 . Der Anodenladungskollektor (nicht gezeigt) der integrierten Anoden-Durchflussplatte310 ist mit dem Kathodenladungskollektor420 der Kathoden-Durchflussplatte312 durch eine biegsame, leitfähige Klemme310a verbunden. - Es ist Bezug zu nehmen auf
4 .4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Anordnung eines Brennstoff zellensystems1b gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, Bereiche oder Bauteile bezeichnen. Wie in4 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem1b einen Brennstoffzellenstapel10 , einen Brennstoffbehälter11 , ein Gehäuse510 , ein Gebläse520 , eine Pumpe530 und eine Leistungsüberwachungsvorrichtung bzw. Leistungs-Management-Vorrichtung540 . - Das Gehäuse
510 dient dazu, den Brennstoffzellenstapel10 und den Brennstoffbehälter11 aufzunehmen und zu schützen. Eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Schlitzen512 ist an einer Seitenwand des Gehäuses510 vorgesehen, um die Abfuhr von durch den Brennstoffzellenstapel10 während des Betriebs erzeugter Wärme zu unterstützen. - Analog umfasst der Brennstoffzellenstapel
10 eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 , eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 . Die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 ist an der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 angebracht und ist von der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 abgedeckt. - Die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
102 ist mit der Pumpe530 über eine Rohrleitung122 verbunden, während die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 mit dem Brennstoffbehälter11 über eine Rohrleitung124 verbunden ist. Die Pumpe530 befindet sich zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und dem Brennstoffbehälter11 , um Brennstoff in die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 hinein zu pumpen. - Die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
102 umfasst eine laterale Sammelleitung201 , Durchfluss-Aufteilungsrohrleitungen202 und vertikale Brennstoffauslässe203 . Ein flexibles Dichtungs material204 , wie ein O-Ring, ist im Inneren jedes vertikalen Brennstoffauslasses203 angeordnet. Die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 umfasst eine Vielzahl von vertikalen Brennstoffeinlässen301 , Zusammenfluss-Rohrleitungen302 und einen Zusammenfluss-Brennstoffauslass303 . Ein flexibles Dichtungsmaterial304 , wie ein O-Ring, ist im Inneren eines jeden vertikalen Brennstoffauslasses301 angeordnet. - Brennstoffeinlassdüsen der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten
101 sind in die korrespondierenden vertikalen Brennstoffauslässe203 der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 eingefügt und damit passend zusammengefügt, und sind durch das flexible Dichtungsmaterial204 dicht abgedichtet. Brennstoffauslassdüsen der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten101 sind in die korrespondierenden vertikalen Brennstoffeinlässe301 der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 eingefügt und damit passend zusammengefügt, und sind durch das flexible Dichtungsmaterial304 dicht abgedichtet. - Ein Temperatursensor
205 oder andere elektronische Vorrichtungen zum Überwachen des Betriebsverhaltens des Brennstoffzellensystems1b können in die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 oder die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 integriert werden. Optional kann an der lateralen Sammelleitung201 der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 oder an dem Zusammenfluss-Brennstoffauslass303 der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 ein Schaltventil (nicht gezeigt) zum Steuern des Brennstoffdurchflusses angeordnet sein. - Der Brennstoffbehälter
11 dient dazu, den Anodenbrennstoff, wie Methanollösung oder Wasserstoff, zu speichern. Der Brennstoffbehälter11 umfasst einen Brennstoffauslass (nicht ausdrücklich gezeigt), einen Brennstoffeinlass112 , einen Gas- Flüssigkeit-Separator113 und eine Brennstoffzuführungsöffnung oder Düse114 . Der oben erwähnte Brennstoffauslass ist direkt mit der Pumpe530 verbunden. - Der in dem Brennstoffbehälter
11 gespeicherte Brennstoff wird durch die Pumpe530 mit Druck beaufschlagt und wird über die Rohrleitung122 und die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 gleichmäßig zu den Brennstoffzelleneinheiten101 verteilt. Die Reaktionsprodukte, wie Wasser und Kohlendioxyd, die durch jede der Brennstoffzelleneinheiten101 erzeugt werden, und Brennstoff, der nicht reagiert hat, fließen in den Brennstoffbehälter11 über die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 und die Rohrleitung124 zurück. - Gemäß den Versuchsergebnissen und den in der Praxis gewonnenen Messergebnissen, kann die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
102 den Anodenbrennstoff effektiv so verteilen, dass an jedem vertikalen Brennstoffauslass203 eine gleiche Durchflussmenge erzielt werden kann. Die Brennstoffeinlassdüsen222 der jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten101 und die vertikalen Brennstoffauslässe203 der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 sind zusammengefügt und durch das flexible Dichtungsmaterial204 abgedichtet. Das flexible Dichtungsmaterial204 kann das Entweichen von Brennstoff verhindern. - Die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
102 und die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 fixieren die Brennstoffzelleneinheiten101 und erhalten einen im wesentlichen gleichen Abstand zwischen den Brennstoffzelleneinheiten101 des Brennstoffzellenstapels10 . Das Einhalten eines angemessenen Abstands zwischen den Brennstoffzelleneinheiten101 ist wichtig, damit Kathodenbrennstoff, wie Luft, die Kathodenoberfläche jeder Brennstoffzelleneinheit101 schnell erreichen kann. Die durch den Brennstoffzellenstapel10 erzeugte Wärme kann effek tiv abgeführt werden. Außerdem kann dadurch, dass zwischen den Brennstoffzelleneinheiten101 ein angemessener Abstand vorgesehen ist, das Ansammeln von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenstapel10 verhindert werden. - Gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist die Leistungsüberwachungsvorrichtung
540 an dem Gehäuse510 angebracht. Die Leistungsüberwachungsvorrichtung540 kann eine Nutzerbedienungsschnittstelle, ein Anzeigefeld und einen internen Schaltkreis umfassen, der eine Leiterplatte, einen Speicher und Chips umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Das Gebläse520 , die Pumpe530 und der Temperatursensor205 sind mit der Leistungsüberwachungsvorrichtung540 verbunden. Wenn der Temperatursensor205 eine Temperatur erfasst, die einen vorbestimmten Wert überschreitet, schaltet die Leistungsüberwachungsvorrichtung540 das Gebläse520 ein, um die Wärme abzuführen. Die Leistungsüberwachungsvorrichtung540 steuert auch die Ein-/Aus-Zustände der Pumpe530 . - Gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung können die Brennstoffzelleneinheiten
101 des Brennstoffzellenstapels10 in Reihe oder parallel durch Drähte, Schweißen oder einen mit der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 integrierten Kreislauf verbunden werden. Außerdem kann die Leistungsüberwachungsvorrichtung540 mit dem Brennstoffzellenstapel10 verbunden sein, um dessen Leistungsabgabe zu überwachen. -
5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Anordnung eines Brennstoffzellensystems1c gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt. Wie in5 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem1c einen Brennstoffzellenstapel10 , einen umgekehrt L-förmig ge stalteten Brennstoffbehälter11c , ein Gehäuse510 , ein Gebläse520 und eine Leistungsüberwachungsvorrichtung540 . Das Gehäuse510 dient dazu, den Brennstoffzellenstapel10 und den umgekehrt L-förmig gestalteten Brennstoffbehälter11c aufzunehmen und zu schützen. Eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Schlitzen512 ist an einer Seitenwand des Gehäuses510 vorgesehen, um das Abführen der durch den Brennstoffzellenstapel10 während des Betriebs erzeugten Wärme zu unterstützen. - Das Brennstoffzellensystem
1c ist nicht mit einer Pumpe zur Druckbeaufschlagung des Brennstoffs ausgerüstet. Der in dem umgekehrt L-förmig gestalteten Brennstoffbehälter11c gespeicherte Brennstoff wird den Brennstoffzelleneinheiten101 unter Verwendung eines Schwerkraft-Zuführungsmechanismus zugeführt. Der umgekehrt L-förmig gestaltete Brennstoffbehälter11c kann die Versorgungszeitdauer mit Brennstoff derart verlängern, dass das Brennstoffzellensystem1c länger arbeiten kann. Außerdem kann der Brennstoffbehälter11c aus anderen Formen, Kombinationen von Doppelgefäßen oder mehreren Gefäßen bestehen, wobei die Gefäße ein Methanolgefäß oder ein bloßes Wassergefäß umfassen können. -
6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Anordnung eines Brennstoffzellensystems1d gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt. Wie in6 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem1d einen Brennstoffzellenstapel10 , einen umgekehrt L-förmig gestalteten Brennstoffbehälter11c , ein Gehäuse510 und ein Gebläse520 . Das Gehäuse510 dient dazu, den Brennstoffzellenstapel10 und den umgekehrt L-förmig gestalteten Brennstoffbehälter11c aufzunehmen und zu schützen. - Gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung umfasst der Brennstoffzellenstapel
10 sechzehn Brenn stoffzelleneinheiten101 , eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 . Die Brennstoffzelleneinheiten101 sind zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 fixiert und sandwichartig angeordnet. Die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 ist mit dem Brennstoffbehälter11c durch eine Brennstoffversorgungsrohrleitung (nicht ausdrücklich gezeigt) verbunden, während die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 mit dem Brennstoffbehälter11c über eine Brennstoff-Rückrohrleitung (nicht ausdrücklich gezeigt) verbunden ist. - Gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist das Gebläse
520 auf einer seitlichen Oberfläche des Gehäuses510 angebracht. Eine Leitplatte bzw. Führungsplatte710 befindet sich zwischen dem Gebläse520 und dem Brennstoffzellenstapel10 . Die Leitplatte710 leitet die von dem Gebläse520 abgeblasene kühle Luft über den Pfad720 zu dem Zwischenraum zwischen den Brennstoffzelleneinheiten101 des Brennstoffzellenstapels10 . Indem dies getan wird, ist der Wirkungsgrad der Wärmeabfuhr über die sechzehn Brennstoffzelleneinheiten101 hinweg im wesentlichen gleich, und eine Übererwärmung der Brennstoffzelleneinheiten auf der von dem Gebläse520 entfernt gelegenen Seite kann verhindert werden. - Alle Kombinationen und Teilkombinationen der oben beschriebenen Merkmale sollen auch zum Schutzumfang der Erfindung gehören.
- Zusammenfassend ist festzustellen, dass die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem betrifft, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel
10 , der eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten101 , eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 umfasst; einen Brennstoffbehälter11 ; ein Gehäuse510 , das den Brennstoffzellenstapel10 und den Brennstoffbehälter11 einschließt und schützt; und ein Gebläse520 , das an dem Gehäuse510 angebracht ist, um die Kathoden der Brennstoffzelleneinheiten101 mit Luft zu versorgen. Die Brennstoffzelleneinheiten101 weisen einen Flüssigkeitseinlass und eine Flüssigkeitsauslass auf, die jeweils mit der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung102 und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung103 verbunden sind. -
- 1a
- Brennstoffzellensystem
- 1b
- Brennstoffzellensystem
- 1c
- Brennstoffzellensystem
- 1d
- Brennstoffzellensystem
- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 11
- Brennstoffbehälter
- 11c
- Brennstoffbehälter
- 101
- Brennstoffzelleneinheit
- 102
- Durchfluss-Verteilungsvorrichtung
- 103
- Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung
- 111
- Brennstoffauslass
- 112
- Brennstoffeinlass
- 113
- Gas-Flüssigkeit-Separator
- 114
- Brennstoffzuführungsöffnung
- 122
- Rohrleitung
- 124
- Rohrleitung
- 201
- Sammelleitung
- 202
- Durchfluss-Aufteilungsrohrleitung
- 203
- Brennstoffauslass
- 204
- Dichtungsmaterial
- 205
- Temperatursensor
- 222
- Brennstoffeinlassdüse
- 224
- Brennstoffauslassdüse
- 301
- Brennstoffeinlass
- 302
- Zusammenfluss-Rohrleitung
- 303
- Zusammenfluss-Brennstoffauslass
- 304
- Dichtungsmaterial
- 310
- Anoden-Durchflussplatte
- 312
- Kathoden-Durchflussplatte
- 420
- Kathodenladungskollektor
- 510
- Gehäuse
- 512
- Schlitz
- 520
- Gebläse
- 530
- Pumpe
- 540
- Leistungsüberwachungsvorrichtung
- 710
- Leitplatte
Claims (25)
- Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch: einen Brennstoffzellenstapel (
10 ), der eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101 ), eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101 ) zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) fixiert und sandwichartig angeordnet ist; einen Brennstoffbehälter (11 ) zum Speichern von Anodenbrennstoff, wobei der Brennstoffbehälter (11 ) einen Brennstoffauslass (111 ), der mit der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) verbunden ist, und einen Brennstoffeinlass (112 ) aufweist, der mit der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) verbunden ist; ein Gehäuse (510 ), das den Brennstoffzellenstapel (10 ) und den Brennstoffbehälter (11 ) umfasst und schützt; und ein Gebläse (520 ), das an dem Gehäuse (510 ) angebracht ist, um die Brennstoffzelleneinheiten (101 ) mit Kathodenbrennstoff zu versorgen und um Wärme abzuführen. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (
102 ) den Anodenbrennstoff im wesentlichen gleichmäßig auf die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101 ) verteilt. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (
102 ) und die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) die Brennstoffzelleneinheiten (101 ) fixieren und einen im wesentlichen gleichen Abstand zwischen den Brennstoffzelleneinheiten (101 ) des Brennstoffzellenstapels (10 ) aufrecht erhalten, wodurch der Kathodenbrennstoff die Kathodenoberfläche schnell erreichen kann und durch den Brennstoffzellenstapel (10 ) erzeugte Wärme effizient abgeführt werden kann, und das Ansammeln von Feuchtigkeit verhindert werden kann. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (
102 ) eine laterale Sammelleitung (201 ), Durchfluss-Aufteilungsrohrleitungen (202 ) und vertikale Brennstoffauslässe (203 ) umfasst, und wobei die laterale Sammelleitung (201 ) mit dem Brennstoffbehälter (11 ) verbunden ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein flexibles Dichtungsmaterial (
304 ) an jedem der vertikalen Brennstoffauslässe (203 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Dichtungsmaterial (
304 ) einen O-Ring umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (
205 ) in die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) oder die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) integriert ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (
103 ) eine Vielzahl von verti kalen Brennstoffeinlässen (301 ), Zusammenfluss-Rohrleitungen (302 ) und einen Zusammenfluss-Brennstoffauslass (303 ) umfasst, und wobei der Zusammenfluss-Brennstoffauslass (303 ) mit dem Brennstoffbehälter (11 ) verbunden ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenbrennstoff Methanollösung oder Wasserstoff umfasst.
- Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenbrennstoff Luft umfasst.
- Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenbrennstoff durch einen Schwerkraft-Zuführungsmechanismus in die Brennstoffzelleneinheiten strömt.
- Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ferner eine Pumpe (
530 ) zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) und dem Brennstoffbehälter (11 ) umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ferner eine Leistungsüberwachungsvorrichtung (
540 ) umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (
11 ) umgekehrt L-förmige Brennstoffbehälter (11c ) und Kombinationen von Doppelgefäßen oder mehreren Gefäßen umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, 8 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (
11 ) ferner einen Gas-Flüssigkeit-Separator (113 ) umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, 8, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (
11 ) ferner eine Brennstoffzuführungsöffnung (114 ) umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
510 ) ferner eine Vielzahl von seitlichen Schlitzen (512 ) für das Abführen von Wärme umfasst. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gebläse (
520 ) und dem Brennstoffzellenstapel (10 ) eine Leitplatte (710 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch: einen Brennstoffzellenstapel (
10 ), der eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101 ), eine Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) und eine Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101 ) zwischen der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) fixiert und sandwichartig angeordnet ist; und einen Brennstoffbehälter (11 ) zum Speichern von Anodenbrennstoff, wobei der Brennstoffbehälter (11 ) einen Brennstoffauslass (111 ), der mit der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) verbunden ist, und einen Brennstoffeinlass (112 ) aufweist, der mit der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) verbunden ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (
102 ) den Anodenbrennstoff im wesentlichen gleichmäßig auf die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (101 ) verteilt. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (
102 ) und die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) die Brennstoffzelleneinheiten (101 ) fixieren und zwischen den Brennstoffzelleneinheiten (101 ) des Brennstoffzellenstapels (10 ) im wesentlichen gleiche Abstände erhalten. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (
102 ) eine laterale Sammelleitung (201 ), Durchfluss-Aufteilungsrohrleitungen (202 ) und vertikale Brennstoffauslässe (203 ) aufweist, und wobei die laterale Sammelleitung (201 ) mit dem Brennstoffbehälter (11 ) verbunden ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (
103 ) eine Vielzahl von vertikalen Brennstoffeinlässen (301 ), Zusammenfluss-Rohrleitungen (302 ) und einen Zusammenfluss-Brennstoffauslass (303 ) umfasst, und wobei der Zusammenfluss-Brennstoffauslass (303 ) mit dem Brennstoffbehälter (11 ) verbunden ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (
11 ) ein umgekehrt L-förmiger Brennstoffbehälter (11c ) ist. - Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 19, 20 oder 21, da durch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheiten (
101 ) des Brennstoffzellenstapels (10 ) in Reihe oder parallel durch Drähte, Schweißen oder einen mit der Durchfluss-Verteilungsvorrichtung (102 ) und der Durchfluss-Zusammenführungsvorrichtung (103 ) integrierten Kreislauf verbunden sind.
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