DE102012012255A1

DE102012012255A1 - Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012012255A1
Application number: DE201210012255
Authority: DE
Inventors: Björn Lippoth; Simon Steinhübl
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel (12). Eine jeweilige Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (12) ist mit einem Brennstoff einerseits und einem Oxidationsmittel andererseits als Betriebsmedium beaufschlagbar. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (14, 16), welche zum Temperieren und/oder zum Befeuchten zumindest eines der Betriebsmedien ausgebildet ist. Die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) und der Brennstoffzellenstapel (12) sind von einem gemeinsamen Gehäuse (18) umschlossen. Zumindest ein Zwischenraum zwischen der wenigstens einen Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) und dem Brennstoffzellenstapel (12) ist als Strömungskanal (26) ausgebildet, welcher zumindest bereichsweise von der wenigstens einen Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) einerseits und dem Brennstoffzellenstapel (12) andererseits begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel. Eine jeweilige Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels ist mit einem Brennstoff einerseits und mit einem Oxidationsmittel andererseits als Betriebsmedium beaufschlagbar. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung, welche zum Temperieren und/oder zum Befeuchten zumindest eines der Betriebsmedien ausgebildet ist.
Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz PEMFC, wie er beispielsweise in der US 2008/0233443 A1 beschrieben ist, ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H₂ + O₂ → 2H₂O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.
Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; Die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
Eine PEM kann mehrere Komponenten enthalten. Die wichtigste Komponente ist dabei ein oder mehrere protonenleitfähige Ionomere. Ferner können verstärkende Komponenten wie z. B. organische Fasern (insbesondere PTFE-Fasern) und/oder anorganische Fasern (insbesondere Glasfasern) enthalten sein, die z. B. als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sein können. Ferner können Füllstoffe enthalten sein, wie z. B. Metalloxid-Partikel (insbesondere Kieselgel, SiO₂), die z. B. bei der Feuchthaltung der PEM eine Funktion übernehmen. Darüber hinaus können weitere Komponenten enthalten sein, wie z. B. Phosphorsäure, niedermolekulare Amphotere (insbesondere Imidazol und/oder Pyrazol). Eine PEM kann aber auch aus einem protonenleitfähigen Glasfilm bestehen, insbesondere aus einem nanoporösen Phosphosilicat-Glasfilm. Ist auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM eine Katalysatorschicht aufgebracht, so wird im allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen werden üblicherweise eine Vorbehandlungseinrichtung wie ein Wärmetauscher und ein Befeuchter und der Brennstoffzellenstapel verfahrenstechnisch hintereinander geschaltet. So gelangt beispielsweise die Luft aus dem Wärmetauscher in den Befeuchter und von diesem in den Brennstoffzellenstapel. Das Hintereinanderschalten dieser Komponenten macht es erforderlich, eine teure und Platz raubende Verbindungstechnik vorzusehen.
Zudem weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Komponenten Wärmetauscher, Befeuchter und Brennstoffzellenstapel üblicherweise einen rechteckigen Strömungsquerschnitt auf, während die Verbindungsleitungen üblicherweise runde Strömungsquerschnitte aufweisen. Um einen möglichst strömungsgünstigen Übergang von dem runden Strömungsquerschnitt auf den rechteckigen Strömungsquerschnitt zu erreichen, sind bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen üblicherweise platzraubende Verteileinrichtungen von Nöten. Wird eine suboptimale Verteilung in Kauf genommen, um Bauraum zu sparen, so bringt dies einen verringerten Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mit sich.
Weniger Verbindungsleitungen und Verteileinrichtungen werden jedoch benötigt, wenn der Befeuchter in den Brennstoffzellenstapel integriert ist.
So beschreibt die US 5 683 828 A einen Brennstoffzellenstapel mit gestapelten Separatoren und Membran-Elektroden-Anordnungen. Die Separatoren sind wiederum aus dünnen, gestapelten Platten gebildet, welche Strömungskanäle für das Befeuchten der Reaktionsgase aufweisen. Weitere Strömungskanäle für die befeuchteten Reaktionsgase bilden jeweilige Reaktionsbereiche, in welchen die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. In einer der aufeinander gestapelten dünnen Platten sind auch Kühlkanäle ausgebildet, mittels welchem sich die in den Reaktionsbereichen bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Abwärme abführen lässt.
Ein solcher Aufbau der Separatoren aus einer Vielzahl von dünnen Platten mit eingeätzten oder durchgeätzten Strömungskanälen in den einzelnen dünnen Platten ist vergleichsweise aufwändig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem auf besonders einfache Art und Weise der Aufwand für Verbindungsleitungen verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sind die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung und der Brennstoffzellenstapel von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen. Zumindest ein Zwischenraum zwischen der wenigstens einen Vorbehandlungseinrichtung und dem Brennstoffzellenstapel ist als Strömungskanal ausgebildet, welcher zumindest bereichsweise von der wenigstens einen Vorbehandlungseinrichtung einerseits und dem Brennstoffzellenstapel andererseits begrenzt ist. Dadurch wird eine quasi leitungslose fluidische Kopplung der Vorbehandlungseinrichtung und des Brennstoffzellenstapels erreicht, denn die genannten Komponenten bilden Wände des Strömungskanals. Damit einhergehend werden der üblicherweise durch Verbindungsleitungen eingenommene Platz und die damit verbundenen Kosten eingespart.
Auch Verteileinrichtungen, welche den Übergang von einem üblicherweise runden Strömungsquerschnitt einer Verbindungsleitung zu einem üblicherweise rechteckigen Strömungsquerschnitt herstellen, können besonders weitgehend entfallen. Da das Aufteilen von einem runden auf einen eckigen Strömungsquerschnitt lediglich einmal zu erfolgen braucht, ist im Betrieb ein besonders guter Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erreichbar.
Ein solches Brennstoffzellensystem ist auch besonders Bauraum sparend, da der Aufwand für Platz raubende Verbindungsleitungen minimiert ist. So lässt sich ein besonders kompaktes Brennstoffzellensystem realisieren. Zudem sind die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung und der Brennstoffzellenstapel in das gemeinsame Gehäuse integriert, sodass das Brennstoffzellensystem leicht thermisch isoliert werden kann. Durch den besonders weitgehenden Verzicht auf Verbindungsleitungen wird zudem ein besonders geringes Gewicht und eine besonders geringe thermische Masse des Brennstoffzellensystems sichergestellt. Auch die Montage des Brennstoffzellensystems ist so besonders einfach und schnell ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungskanal zu wenigstens einer Seite hin zumindest bereichsweise von einer Wandung des Gehäuses begrenzt. Dann brauchen kaum weitere, separate Wände vorgesehen zu werden, um den Strömungskanal bereitzustellen. Vielmehr bilden die Vorbehandlungseinrichtung und der Brennstoffzellenstapel im Zusammenwirken mit dem Gehäuse den Strömungskanal. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Fertigung des Brennstoffzellensystems vorteilhaft.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung einen zum Temperieren des zumindest einen Betriebsmediums ausgebildeten Wärmetauscher und einen zum Befeuchten des zumindest einen Betriebsmediums ausgebildeten Befeuchter. Ein weiterer Zwischenraum zwischen dem Wärmetauscher und dem Befeuchter ist hierbei als weiterer Strömungskanal ausgebildet, welcher zu wenigstens einer Seite hin zumindest bereichsweise von einer Wandung des Gehäuses begrenzt ist. So kann selbst die sonst üblicherweise zwischen dem Befeuchter und dem Wärmetauscher vorzusehende Verbindungsleitung entfallen. Es ist so auch in diesem Bereich eine leitungslose fluidische Kopplung erreicht, was im Hinblick auf die Gleichverteilung des Betriebsmediums und die Einsparung von Bauraum und Kosten für Verbindungstechnik besonders vorteilhaft ist.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Durchlass von dem weiteren Strömungskanal zu dem zwischen dem Befeuchter und dem Brennstoffzellenstapel vorhandenen Strömungskanal vorgesehen ist. Dann kann nämlich der Befeuchter über diesen Durchlass umgangen werden, etwa wenn das Betriebsmedium andernfalls zu stark befeuchtet in den Brennstoffzellenstapel gelangen würde. Dies erlaubt es, die Feuchte des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Betriebsmediums besonders gut einzustellen.
Dies gilt insbesondere, wenn der einen Bypass bereitstellende Durchlass mit einem Absperrelement ganz oder teilweise verschließbar ist. Als Absperrelement kann hierbei beispielsweise ein Schieber zum Einsatz kommen.
Zusätzlich oder alternativ ist ein Durchlass von dem weiteren Strömungskanal zu einem Auslass des Brennstoffzellensystems vorgesehen. So kann das Betriebsmedium direkt unter Umgehung sowohl des Befeuchters als auch des Brennstoffzellenstapels dem Auslass zugeführt werden. Dies kann beispielsweise wünschenswert sein, wenn das Betriebsmedium mittels eines elektrisch angetriebenen Turboladers oder Verdichters in das Brennstoffzellensystem eingebracht wird. Wenn dann ein besonders hoher Luftdurchsatz durch das Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, welcher sich jedoch nicht im in diesem Ausmaß Brennstoffzellenstapel und im Befeuchter bemerkbar machen soll, ist das Umgehen dieser beiden Komponenten über den einen Bypass bereitstellenden Durchlass sinnvoll.
Bei Vorsehen eines Turboladers, dessen Turbine von aus dem Auslass des Brennstoffzellensystems austretendem Betriebsmedium angetrieben wird, kann durch das Umgehen des Befeuchters und des Brennstoffzellenstapels ein besonders verlustarmes Beaufschlagen der Turbine mit dem Betriebsmedium erreicht werden. Dies ist beispielsweise dann förderlich, wenn der Turbolader schnell auf eine hohe Verdichtungsleistung gebracht werden soll. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn der Durchlass mit einem Absperrelement, beispielsweise einem Schieber, vollständig oder bereichsweise versperrt werden kann.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Abscheider für flüssiges Wasser aufweisen. Dieser Abscheider ist bevorzugt in einer Einbaulage des Brennstoffzellensystems in einem unteren Bereich des Gehäuses angeordnet, da sich dort flüssiges Wasser aufgrund der Schwerkraft ansammelt und so leicht abführen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung und der Brennstoffzellenstapel jeweilige, in einem Stapel angeordnete Platten auf. Dabei sind von den Stirnseiten der Stapel verschiedene Seiten derselben einander zugewandt. Mit anderen Worten sind die Stapel derart nebeneinander in dem Gehäuse untergebracht, dass sich eine den im Gehäuse vorhandenen Raum besonders günstig ausnutzende Anordnung derselben ergibt. Zudem lassen sich so besonders einfach durch die von den Stirnseiten der Stapel verschiedenen Seiten der Stapel Begrenzungen der Strömungskanäle bereitstellen.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Stapel eine Länge, eine Breite und eine Höhe aufweisen, wobei die Höhen des die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung bildenden Stapels und des Brennstoffzellenstapels gleich sind. Dann lassen sich die Stapel besonders Bauraum sparend gepackt in dem Gehäuse unterbringen. Durch Variieren der Breite und/oder der Länge des Brennstoffzellenstapels bzw. der Vorbehandlungseinrichtungen kann hierbei besonders einfach die gewünschte Leistungsfähigkeit der jeweiligen Komponenten eingestellt werden.
Bevorzugt weisen die einen ersten der Stapel bildenden Platten eine jeweilige erste Dicke und die einen zweiten der Stapel bildenden Platten eine jeweilige zweite, von der ersten Dicke verschiedene Dicke auf. So kann die Dicke der Platten besonders gut auf die Funktion der jeweiligen Komponente abgestimmt werden. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel aus vergleichsweise dünnen Platten aufgebaut sein, der Wärmetauscher als eine mögliche Vorbehandlungseinrichtung aus dickeren Platten und der Befeuchter als weitere mögliche Vorbehandlungseinrichtung aus nochmals dickeren Platten. Die Zwischenräume oder Strömungskanäle zwischen der Vorbehandlungseinrichtung und dem Brennstoffzellenstapel oder zwischen dem Wärmetauscher und dem Befeuchter sorgen hierbei dafür, dass das Betriebsmedium ungehindert, leitungslos und strömungstechnisch günstig zu der nächsten Komponente gelangen kann.
Bevorzugt ist in dem Stapel, welcher den Wärmetauscher bildet, eine von dem zu temperierenden Betriebsmedium durchströmbare erste Platte durch ein jeweiliges Trennelement von einer von einem Temperiermedium durchströmbaren zweiten Platte getrennt. Dann können nämlich besonders einfach die für das Betriebsmedium bzw. für das Temperiermedium vorzusehenden Kanäle in der ersten und der zweiten Platte als radial bereichsweise offene, also umfangsseitig nicht vollständig geschlossene Vertiefungen ausgebildet werden, welche im Zusammenwirken mit dem Trennelement geschlossene Kanäle bilden. Hierbei sind bevorzugt die ersten und die zweiten Platten alternierend in dem Stapel angeordnet. So lässt sich nämlich eine besonders gleichmäßige Temperierung des Betriebsmediums erreichen.
Zusätzlich oder alternativ kann in dem Stapel, welcher den Befeuchter bildet, eine von dem zu befeuchtenden Betriebsmedium durchströmbare erste Platte durch ein jeweiliges Trennelement von einer von einem Befeuchtungsmedium durchströmbaren zweiten Platte getrennt sein, wobei die ersten und die zweiten Platten alternierend in dem Stapel angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine einfache Ausbildung von Strömungskanälen im Befeuchter und eine besonders gleichmäßige Befeuchtung des Betriebsmediums erreichbar.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn Einlässe zum Einbringen des zumindest einen Betriebsmediums in die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung in dem Brennstoffzellensystem in einer Reihe angeordnet sind. So lässt sich nämlich eine Versorgungseinrichtung für das Betriebsmedium besonders einfach mit den Einlässen koppeln.
Dies gilt in analoger Weise, wenn zusätzlich oder alternativ Einlässe zum Einbringen eines Temperiermediums in die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung in dem Brennstoffzellensystem in einer Reihe angeordnet sind.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn als Befeuchtungsmedium das den Brennstoffzellenstapel verlassende Oxidationsmittel in die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung einbringbar ist. Dadurch braucht kein gesondertes Befeuchtungsmedium vorgesehen zu werden. Vielmehr kann direkt das Oxidationsmittel, welches das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser enthält, zum Befeuchten des noch nicht befeuchteten Oxidationsmittels herangezogen werden.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch Komponenten eines Brennstoffzellensystems, bei welchem ein Wärmetauscher, ein Befeuchter und ein Brennstoffzellenstapel in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei diese Komponenten über Strömungskanäle miteinander verbunden sind, welche bereichsweise von Wänden des Gehäuses begrenzt sind;
2 schematisch das Brennstoffzellensystem gemäß 1, wobei der Strömungsweg der Luft durch dieses dargestellt ist;
3 schematisch das Brennstoffzellensystem gemäß 1, wobei der Strömungsweg eines Befeuchtungsmediums und eines Kühlmittels durch dieses dargestellt ist;
4 eine schematische Seitenansicht des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems; und
5 ausschnittsweise und perspektivisch den Wärmetauscher und den Befeuchter des Brennstoffzellensystems gemäß 1.
Ein in 1 ausschnittsweise gezeigtes Brennstoffzellensystem 10 für ein Fahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 und Vorbehandlungseinrichtungen zum Vorbehandeln oder Konditionieren von Betriebsmedien, mit welchen der Brennstoffzellenstapel 12 beaufschlagt wird. Diese Betriebsmedien umfassen ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, und einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff. Vorliegend wird die dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführte Luft vorbehandelt. Die Luft wird hierbei in einer ersten Vorbehandlungseinrichtung in Form eines Wärmetauschers 14 gekühlt. Die gekühlte Luft durchströmt eine weitere Vorbehandlungseinrichtung in Form eines Befeuchters 16, bevor sie zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gelangt.
Vorliegend sind der Wärmetauscher 14, der Befeuchter 16 und der Brennstoffzellenstapel 12 in einem gemeinsamen Gehäuse 18 angeordnet, welches die genannten Komponenten außenumfangsseitig umschließt. Dies ermöglicht es, auf Leitungen zwischen diesen Komponenten zu verzichten. Strömungskanäle zwischen diesen Komponenten sind hierbei durch den Wärmetauscher 14, den Befeuchter 16 und den Brennstoffzellenstapel 12 sowie durch Wände des Gehäuses 18 begrenzt.
Beispielsweise ist zwischen dem Wärmetauscher 14 und dem Befeuchter 16 ein Zwischenraum vorgesehen, welcher einen Strömungskanal 20 bildet. Dieser Strömungskanal 20 ist nach oben hin von dem Wärmetauscher 14 begrenzt und nach unten hin von dem Befeuchter 16. Zu seiner Stirnseite hin begrenzt eine vordere Wand 22 des Gehäuses 18 diesen Strömungskanal 20. Seine seitliche Begrenzung ist durch eine Seitenwand 24 des Gehäuses bereitgestellt.
In analoger Weise ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und den beiden Vorbehandlungseinrichtungen in Form des Wärmetauschers 14 und des Befeuchters 16 ein Strömungskanal 26 ausgebildet, welcher zu seiner Stirnseite hin von der vorderen Wand 22 des Gehäuses 18 begrenzt ist. Zu den Seiten hin bilden der Brennstoffzellenstapel 12 und die genannten Vorbehandlungseinrichtungen Begrenzungen dieses Strömungskanals 26.
Die genannten Komponenten, nämlich der Wärmetauscher 14, der Befeuchter 16 und der Brennstoffzellenstapel 12, sind vorliegend als Stapel von aufeinander angeordneten Platten ausgebildet. Beispielsweise umfasst der Wärmetauscher 14 eine erste Platte 28, welche einen Einlass 30 für die Luft aufweist. Diese Platte 28 ist über eine Membran oder ein derartiges Trennelement von einer weiteren Platte 32 des Wärmetauschers 14 getrennt, welche von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Hierfür weist die jeweilige Platte 32 einen Einlass 34 und einen Auslass 36 für das Kühlmittel auf.
Das Kühlmittel wird vorliegend im Gegenstrom zu der Luft durch den Wärmetauscher 14 geführt, es kann jedoch auch eine Durchströmung des Wärmetauschers 14 in die Strömungsrichtung der Luft vorgesehen sein. Die Platten 28, 32 des Wärmetauschers 14 sind alternierend angeordnet, sodass sie einen Stapel bilden. In dem Strömungskanal 20 liegt also das aus einer Mehrzahl von Platten 28 ausströmende, gekühlte Oxidationsmittel vor, welches anschließend befeuchtet wird.
Auch der Befeuchter 16 ist aus alternierend gestapelten Platten 38, 40 aufgebaut, welche einen Stapel bilden. Hierbei wird die in 1 vorderste Platte 38 von der zu befeuchtenden Luft durchströmt. Da der Wärmetauscher 14 in dem Gehäuse 18 des Brennstoffzellensystems 10 oberhalb des Befeuchters 16 angeordnet ist, liegt eine Strömung der Luft durch den Wärmetauscher 14, den Strömungskanal 20 und die Platten 38 des Befeuchters 16 von oben nach unten vor.
Vom in 1 unten liegenden Ausgang der Platten 38 gelangt die gekühlte und nun befeuchtete Luft in den Strömungskanal 26, in welchem sie wieder nach oben strömt. Nach dem Durchströmen des Strömungskanals 26, welcher ebenso wie der Strömungskanal 20 quaderförmig ausgebildet ist, tritt die gekühlte und befeuchtete Luft in den Brennstoffzellenstapel 12 ein, in welchem die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Hierbei reichert sich die Luft mit Produktwasser an, sodass sie als befeuchtete Abluft in einen weiteren Strömungskanal 42 gelangt, von welchem aus sie den zweiten Platten 40 des Befeuchters 16 zugeführt wird. Zwischen den Platten 38, 40 ist eine für Feuchtigkeit durchlässige Membran angeordnet.
Auch die Platten 38 des Befeuchters 16, welche von der zu befeuchtenden Luft durchströmt werden, und die von der das Produktwasser enthaltenden Luft durchströmten Platten 40 sind in dem Befeuchter 16 alternierend angeordnet und bilden einen Stapel. Dieser Stapel weist wiederum Auslässe 44 auf, welche den jeweiligen Platten 40 zugeordnet sind, und welche in dem Brennstoffzellensystem 10 in einer Reihe angeordnet sind. In analoger Weise sind die Einlässe 30 für die Luft, die Einlässe 34 für das Kühlmittel und die Auslässe 36 für das Kühlmittel in eine mit einer Tiefe Y des Brennstoffzellensystems 10 zusammenfallenden Richtung in Reihen angeordnet. In eine Hochrichtung Z des Brennstoffzellensystems 10 sind die die Auslässe 44, die Einlässe 34, die Auslässe 36 und Einlässe 30 auf jeweils gleichen Höhen angeordnet.
In eine Querrichtung X des Brennstoffzellensystems 10 weisen der Wärmetauscher 14 und der Befeuchter 16 vorliegend gleiche Dimensionen auf, sie sind also gleich breit. Des Weiteren ist die jeweilige Höhe des Stapels, welcher den Wärmetauscher 14 bildet, und die Höhe des Stapels, welcher den Befeuchter 16 bildet, gleich der Höhe des Brennstoffzellenstapels 12, also dessen Erstreckungsrichtung in die Tiefe Y der Brennstoffzellensystems 10. Durch diese Abmessungen der einzelnen Stapel können diese besonders gut in dem Gehäuse 18 untergebracht werden. Zudem erleichtert die Quaderform der Platten 28, 32, 38, 40 und der durch diese gebildeten Stapel der jeweiligen Komponenten deren kompakte Unterbringung in dem vorliegend ebenfalls quaderförmigen Gehäuse 18.
Zwischen dem Strömungskanal 20 und dem Strömungskanal 26 sind durch Schieber oder dergleichen Absperrelemente versperrbare Durchlässe 46 vorgesehen, damit bei Bedarf der Befeuchter 16 umgangen werden kann. Des Weiteren können über weitere, ebenfalls bevorzugt mit einem Absperrelement wie einem Schieber versehene Durchlässe 48 sowohl der Befeuchter 16 als auch der Brennstoffzellenstapel 12 umgangen werden. Es kann also die in den Wärmetauscher 14 eingebrachte Luft aus dem Strömungskanal 20 direkt zu den Auslässen 44 gelangen.
Wie aus 2 ersichtlich ist, kann die Luft auch über seitliche Einlässe in die Platten 28 des Wärmetauschers 14 gelangen, wobei in dieser Darstellung Strömungspfeile 50 das Eintreten der Luft in den Wärmetauscher 14 veranschaulichen. Das Durchströmen des Wärmetauschers 14, des Strömungskanals 20 und des Befeuchters 16 von oben nach unten ist durch weitere Strömungspfeile 52 dargestellt. Im Bereich des Strömungskanals 26 ist die Strömungsrichtung der Luft umgekehrt, sie strömt also um 180° umgelenkt wieder nach oben. Den Brennstoffzellenstapel 12 durchströmt die Luft dann nach einer abermaligen Umlenkung wieder von oben nach unten, wie dies durch weitere Strömungspfeile 54 in 2 veranschaulicht ist.
In 3 ist der Weg der Produktwasser enthaltenden Abluft des Brennstoffzellenstapels 12 durch den Befeuchter 16 anhand weiterer Strömungspfeile 56 veranschaulicht. Diese wird im Gegenstrom zu der zu befeuchtenden Luft durch den Befeuchter 16 geführt. Die Strömung des Kühlmittels durch den Wärmetauscher 14 im Gegenstrom zu der zu kühlenden Luft, sowie dessen Eintreten in und Austreten aus dem Wärmetauscher 14 ist anhand einer weiteren Schar von Strömungspfeilen 58 dargestellt.
Anhand von 4 lässt sich der Aufbau des Brennstoffzellenstapels 12 veranschaulichen. Dieser umfasst in an sich bekannter Weise jeweilige Bipolarplatten 60, zwischen welchen eine Membran-Elektroden-Anordnung 62 angeordnet ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung 62 umfasst eine Kathode 64 und eine Anode 66, welche durch eine Membran 68, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran, voneinander getrennt sind. Die nächste Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 12 ist analog aufgebaut, wobei die Bipolarplatte 60 benachbarter Brennstoffzellen die Anoden 66 und Kathoden 64 dieser benachbarten Brennstoffzellen elektrisch in Reihe schaltet.
In 4 sind des Weiteren Einlässe 70 der Luft in die jeweiligen Kathoden 64 dargestellt, welche mit dem Strömungskanal 26 kommunizieren und von einer außenumfangsseitig um die Gesamtheit der Einlässe 70 umlaufenden Dichtung 72 umgeben sind. In analoger Weise sind am Ausgang der Kathoden 64 Auslässe 74 vorgesehen, durch welche die Produktwasser enthaltende Luft abführt wird. Die Gesamtheit der Auslässe 74 ist ebenfalls von einer außenumfangsseitig um diese umlaufenden Dichtung 76 umgeben.
5 zeigt den Wärmetauscher 14 mit den alternierend angeordneten Platten 28, 32 und den Befeuchter 16 mit den alternierend angeordneten Platten 38, 40. Hierbei kann die Dicke der Platten je nach Komponente des Brennstoffzellensystems 10 unterschiedlich sein. So können beispielsweise 200 Bipolarplatten 60 im Bereich des Brennstoffzellenstapels 12 in dem gemeinsamen Gehäuse 18 vorgesehen sein und demgegenüber in dem Befeuchter 16 lediglich 20 alternierend angeordnete Platten 38, 40. Die Platten 38, 40 des Befeuchters 16 sind dann also vergleichsweise dick.
Im Vergleich dazu kann die Dicke der Platten 28, 32 des Wärmetauschers 14 geringer sein, jedoch größer als die der Bipolarplatten 60. Entsprechend können in dem Wärmetauscher 14 beispielsweise 50 alternierend angeordnete Platten 28, 32 vorgesehen sein.
Trotz der unterschiedlichen Dicke der einzelnen Platten 28, 32, 38, 40, 60 ist jedoch die Höhe der Stapel, also deren Erstreckung in die Tiefe Y des Brennstoffzellensystems 10, gleich. Jedoch kann durch die unterschiedliche Dicke der Platten 28, 32, 38, 40 dem Kühlbedarf und dem Befeuchtungsbedarf der Luft besonders gut Rechnung getragen werden. Es können auch von den vorliegend beispielhaft genannten Zahlen abweichende Verhältnisse der Anzahl der Platten in den jeweiligen Stapeln vorliegen.
In 5 ist des Weiteren durch Strömungspfeile 78 das Austreten der befeuchteten Zuluft aus dem Befeuchter 16 in den Strömungskanal 26 durch Strömungspfeile 78 veranschaulicht. Darüber hinaus veranschaulichen weitere Strömungspfeile 80 das Eintreten der Produktwasser enthaltenden Abluft des Brennstoffzellenstapels 12 in die feuchten Platten 40 des Befeuchters 16, welches bevorzugt von unten erfolgt.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Wärmetauscher
16: Befeuchter
18: Gehäuse
20: Strömungskanal
22: Wand
24: Seitenwand
26: Strömungskanal
28: Platte
30: Einlass
32: Platte
34: Einlass
36: Auslass
38: Platte
40: Platte
42: Strömungskanal
44: Auslass
46: Durchlass
48: Durchlass
50: Strömungspfeil
52: Strömungspfeil
54: Strömungspfeil
56: Strömungspfeil
58: Strömungspfeil
60: Bipolarplatte
62: Membran-Elektroden-Anordnung
64: Kathode
66: Anode
68: Membran
70: Einlass
72: Dichtung
74: Auslass
76: Dichtung
78: Strömungspfeil
80: Strömungspfeil
X: Querrichtung
Y: Tiefe
Z: Hochrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0233443 A1 [0002]
US 5683828 A [0010]

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel (12), wobei eine jeweilige Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (12) mit einem Brennstoff einerseits und einem Oxidationsmittel andererseits als Betriebsmedium beaufschlagbar ist, und mit wenigstens einer Vorbehandlungseinrichtung (14, 16), welche zum Temperieren und/oder zum Befeuchten zumindest eines der Betriebsmedien ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) und der Brennstoffzellenstapel (12) von einem gemeinsamen Gehäuse (18) umschlossen sind, wobei zumindest ein Zwischenraum zwischen der wenigstens einen Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) und dem davon beabstandeten Brennstoffzellenstapel (12) als Strömungskanal (26) ausgebildet ist, welcher zumindest bereichsweise von der wenigstens einen Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) einerseits und dem Brennstoffzellenstapel (12) andererseits begrenzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (26) zu wenigstens einer Seite hin zumindest bereichsweise von einer Wandung (22) des Gehäuses (18) begrenzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung einen zum Temperieren des zumindest einen Betriebsmediums ausgebildeten Wärmetauscher (14) und einen zum Befeuchten des zumindest einen Betriebsmediums ausgebildeten Befeuchter (16) umfasst, wobei zumindest ein weiterer Zwischenraum zwischen dem Wärmetauscher (14) und dem Befeuchter (16) als weiterer Strömungskanal (20) ausgebildet ist, welcher zu wenigstens einer Seite hin zumindest bereichsweise von einer Wandung (24) des Gehäuses (18) begrenzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen, insbesondere mit einem Absperrelement verschließbaren, Durchlass (46) von dem weiteren Strömungskanal (20) zu dem zwischen dem Befeuchter (16) und dem Brennstoffzellenstapel (12) vorhandenen Strömungskanal (26) und/oder von dem weiteren Strömungskanal (20) zu einem Auslass (44) des Brennstoffzellensystems (10).
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) und der Brennstoffzellenstapel (12) jeweilige, in einem Stapel angeordnete Platten (28, 32, 38, 40, 60) aufweisen, wobei Seiten der Stapel einander zugewandt sind, welche von jeweiligen Stirnseiten der Stapel verschieden sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapel eine Länge, eine Breite und eine Höhe aufweisen, wobei die Höhen des die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (14, 16) bildenden Stapels und des Brennstoffzellenstapels (12) gleich sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einen ersten der Stapel bildenden Platten (28, 32) eine jeweilige erste Dicke und die einen zweiten der Stapel bildenden Platten (38, 40) eine jeweilige zweite, von der ersten Dicke verschiedene Dicke aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7 in dessen Rückbezug auf Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Stapel, welcher den Wärmetauscher (14) bildet, eine von dem zu temperierenden Betriebsmedium durchströmbare erste Platte (28) durch ein jeweiliges Trennelement von einer von einem Temperiermedium durchströmbaren zweiten Platte (32) getrennt ist, und/oder – in dem Stapel, welcher den Befeuchter (16) bildet, eine von dem zu befeuchtenden Betriebsmedium durchströmbare erste Platte (38) durch ein jeweiliges Trennelement von einer von einem Befeuchtungsmedium durchströmbaren zweiten Platte (40) getrennt ist, wobei die ersten und zweiten Platten alternierend in dem Stapel angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Einlässe (30) zum Einbringen des zumindest einen Betriebsmediums und/oder Einlässe (34) zum Einbringen eines Temperiermediums in die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (14) in dem Brennstoffzellensystem (10) in einer Reihe angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtungsmedium das den Brennstoffzellenstapel (12) verlassende Oxidationsmittel in die wenigstens eine Vorbehandlungseinrichtung (16) einbringbar ist.