DE102012218646A1 - Kaskadierter Brennstoffzellenstack mit optimiertem Wassermanagement - Google Patents

Kaskadierter Brennstoffzellenstack mit optimiertem Wassermanagement Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), aufweisend zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke (10, 11, 12), wobei jeder der zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke (10, 11, 12) zumindest eine Brennstoffzelle (20) mit einer Anode und einer Kathode aufweist und wobei die Anoden der Brennstoffzellen (20) eines jeden Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) zu einer Anodenseite (13) des Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) und die Kathoden der Brennstoffzellen (20) eines jeden Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) parallel geschaltet sind, und wobei insbesondere zwischen je zwei Brennstoffzellenblöcken (10, 11, 12) wenigstens ein Leitelement (30) angeordnet ist, wodurch ein Anodengasstrom (14) von einem Ausgang (22) der Anodenseite (13) eines ersten Brennstoffzellenblocks (10, 11) zu einem Eingang (21) der Anodenseite (13) eines zweiten Brennstoffzellenblocks (11, 12) leitbar ist und dass eine Strömungsrichtung des Anodengasstroms (14) in den Brennstoffzellenblöcken (10, 11, 12) gleichgerichtet oder im Wesentlichen gleichgerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 10.
  • STAND DER TECHNIK
  • Brennstoffzellensysteme werden zur Vermeidung von schädigender Brennstoffverarmung und zum sicheren Austrag von in den Brennstoffzellen entstehenden Wassers typischerweise mit Brennstoffüberschuss betrieben. Der im Brennstoffenzellensystem überschüssige Brennstoff verlässt das Brennstoffzellensystem unverbraucht und geht somit verloren. Um den Brennstoffnutzungsgrad zu erhöhen ist es bekannt, unverbrauchten Brennstoff dem Anodeneingang des Brennstoffzellensystems in einem sogenannten Rezirkulationsbetrieb wieder zuzuführen. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass sich im Anodengasstrom dabei Inertgase, wie beispielsweise Stickstoff oder Wasserdampf, anreichern können.
  • Um eine derartige Anreicherung zu vermeiden, kann ein Brennstoffzellensystem aus mehreren Brennstoffzellenblöcken aufgebaut sein, wobei die Brennstoffzellenblöcke kaskadiert betrieben werden. Dabei wird nicht verbrauchtes Anoden- bzw. Kathodengas aus dem Ausgang eines Brennstoffzellenblocks dem Eingang des nächsten Brennstoffzellenblocks zugeführt. Ein derartig kaskadierender Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2006 019 114 A1 bekannt. Hierbei werden sowohl die Kathoden- als auch die Anodenseite des Brennstoffzellensystems kaskadiert betrieben, wobei die Strömungsrichtungen der Gase in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken jeweils entgegengesetzt sind, sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite. Aus der EP 1 968 148 A1 sowie der EP 1 942 544 A1 sind Brennstoffzellensysteme bekannt, die ebenfalls kaskadiert betrieben werden. In beiden Brennstoffzellensystemen werden dabei die Anoden sowie die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellenblöcke von dem jeweiligen Gas in gleicher Richtung durchströmt. Dies wird durch eine aufwändige Anordnung von Gaszufuhrkanälen erreicht. Für die Abscheidung von Wasser, insbesondere im Gassystem der Anoden des Brennstoffzellensystems, sind jeweils dediziert dafür vorgesehene Wasserabführungen in den Gasleitungssystemen vorgesehen.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Brennstoffzellensysteme zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereit zu stellen, welche in einfacher und kostengünstiger Weise den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit hohem Wirkungsgrad ermöglichen, wobei die Gasführung des Brennstoffzellensystems möglichst einfach ausgestaltet ist.
  • Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, beziehungsweise werden kann.
  • In einem ersten Aspekt weist ein Brennstoffzellensystem, zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke, wobei jeder der zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode aufweist und wobei die Anoden der Brennstoffzellen eines jeden Brennstoffzellenblocks zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenblocks und die Kathoden der Brennstoffzellen eines jeden Brennstoffzellenblocks zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenblocks parallel geschaltet sind, auf. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je zwei Brennstoffzellenblöcken wenigstens ein Leitelement angeordnet ist, wodurch ein Anodengasstrom von einem Ausgang der Anodenseite eines ersten Brennstoffzellenblocks zu einem Eingang der Anodenseite eines zweiten Brennstoffzellenblocks leitbar ist und dass eine Strömungsrichtung eines Anodengasstroms in den Brennstoffzellenblöcken gleichgerichtet oder im wesentlichen gleichgerichtet ist. Hierdurch kann ein besonders robuster Betrieb des Brennstoffzellensystems erreicht werden, wobei auch eine höhere Gesamtbetriebsdauer erzielbar ist.
  • Durch das Leitelement wird somit der Ausgang eines Brennstoffzellenblocks mit dem Eingang des nächsten Brennstoffzellenblocks verbunden. Das Leitelement kann dabei beispielsweise eine einfache Rohrleitung sein oder beispielsweise auch durch die äußeren Begrenzungen der Brennstoffzellenblöcke gebildet sein. Aufwändige Leitungssysteme sind nicht nötig. Durch die Verbindung des Ausgangs der Anodenseite eines Brennstoffzellenblocks mit dem Eingang der Anodenseite eines nächsten Brennstoffzellenblocks kann das Brennstoffzellensystem kaskadiert betrieben werden. Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der in einem ersten Brennstoffzellenblock des Brennstoffzellensystems nicht verbraucht worden ist, wird somit dem nächsten Brennstoffzellenblock zugeführt. Insbesondere kann bei Verwendung mehrerer Brennstoffzellenblöcke, die sukzessive hintereinander geschaltet und durch Leitelemente miteinander verbunden sind, eine Wasserstoffausnutzung von nahezu 100 % erreicht werden. Eine aufwändige Rezirkulation des Anodengases ist durch diese Kaskadierung nicht nötig. Dadurch, dass die Strömungsrichtung des Anodengasstroms in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken gleichgerichtet oder im Wesentlichen gleichgerichtet ist, kann über das gesamte Brennstoffzellensystem ein besonders homogener Temperatur- und Feuchtegradient erreicht werden. Dadurch werden Belastungen und/oder Spannungen innerhalb des Brennstoffzellensystems, die bei inhomogenen Temperatur- bzw. Feuchtegradienten auftreten können, vermieden. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann somit insbesondere eine hohe Lebensdauer aufweisen. Da auf eine aufwändige Rezirkulation verzichtet werden kann, weist ferner ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem geringe Kosten sowie eine geringe Störanfälligkeit auf und ist daher besonders wartungsfreundlich.
  • Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass durch das Leitelement ausschließlich eine Kaskadierung des Anodengasstroms der Brennstoffzellenblöcke stattfindet, wobei insbesondere der Kathodengasstrom sämtlicher Brennstoffzellen parallel geschaltet ist. Die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems kann insbesondere mit Luft betrieben werden. Auf der Kathodenseite ergibt sich somit ein hoher Inertgasanteil in Form von beispielsweise einem hohen Stickstoff- und/oder Wasserdampfanteils. Dadurch, dass die Kaskadierung nur auf den Anodengasstrom angewandt wird, kann vermieden werden, dass dieser Inertgasanteil alle Kathoden der nachfolgenden Zellblöcke passieren muss. Auf diese Weise kann ferner vermieden werden, dass der Sauerstoffpartialdruck, der für den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mit ausschlaggebend ist, in den nachfolgenden Brennstoffzellenblöcken sinkt, was mit einer geringeren Leistung des Brennstoffzellensystems einhergehen würde. Auch entsteht im Kathodengasstrom auskondensiertes Wasser, das bei einer Kaskadierung durch die nachfolgenden Brennstoffzellenblöcke transportiert werden müsste. Durch die Beschränkung der Kaskadierung ausschließlich auf den Anodengasstrom können all diese Probleme vermieden werden. Durch eine Parallelschaltung sämtlicher Kathoden der Brennstoffzelle kann ferner eine gleichmäßige Versorgung der Kathoden mit Luft sichergestellt werden. Jeder Brennstoffzellenblock wird somit mit frischem Kathodengas versorgt, das insbesondere nicht bereits durch die Kathode eines anderen Brennstoffzellenblocks geströmt ist.
  • Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass das Leitelement in Form einer Zwischenplatte ausgestaltet ist, wobei insbesondere die Zwischenplatte geometrisch zwischen zumindest zwei Brennstoffzellenblöcken angeordnet ist. Eine Zwischenplatte stellt ein besonders einfaches Leitelement dar. Die einzelnen Brennstoffzellenblöcke können im Brennstoffzellensystem nebeneinander positioniert werden, wobei sie nur durch die Zwischenplatte voneinander getrennt sind. Die Zwischenplatte weist an ihrem einen Ende einen Anschluss für den Ausgang des einen Brennstoffzellenblocks und an ihrem entgegengesetzten Ende einen zweiten Anschluss für den Eingang des nächsten Brennstoffzellenblocks auf. Insbesondere ist denkbar, dass die Zwischenplatte flächig ausgestaltet ist. Dadurch kann das Anodengas vom Ausgang des einen Brennstoffzellenblocks zum Eingang des benachbarten Brennstoffzellenblocks flächig ausgedehnt strömen und zwischen den Brennstoffzellenblöcken wiederum für eine homogene Temperatur- bzw. Feuchteverteilung sorgen. Insbesondere kann durch die Ausgestaltung des Leitelements als Zwischenplatte eine externe Leitung vermieden werden, wodurch das Brennstoffzellensystem besonders kompakt aufgebaut sein kann.
  • Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass an zumindest einem Leitelement, insbesondere in Form der Zwischenplatte, eine Vorrichtung zum Ausfällen von flüssigem Wasser aus dem Anodengasstrom vorgesehen ist. Durch diese Ausfällung von flüssigem Wasser an der Vorrichtung aus dem Anodengasstrom kann eine sichere Ausleitung des flüssigen Wassers aus dem Anodengasstrom sichergestellt werden. Dabei kann die Vorrichtung zum Ausfällen von flüssigem Wasser als Kondensatabscheider ausgebildet sein. Die Ausfällung des flüssigen Wassers kann selbstverständlich kontinuierlich vorgenommen werden, wodurch eine Unterbrechung des Betriebs des Brennstoffzellensystems zum Ausleiten von flüssigem Wasser aus dem Anodengasstrom nicht nötig ist. Die Vorrichtung zum Ausfällen von flüssigem Wasser kann ferner selbstverständlich einen Ablass zum Ablassen des Wassers aufweisen. Dieser Ablass kann beispielsweise mit einem Schwimmschalter ausgestattet sein.
  • Ferner kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet sein, dass an einem Leitelement, insbesondere in Form der Zwischenplatte, eine Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigem Wasser aus dem Anodengasstrom vorgesehen ist, wobei insbesondere die Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigem Wasser eine Kühlvorrichtung aufweist. Gasförmiges Wasser, insbesondere Wasserdampf, kann im Anodengasstrom zu einer Verminderung der Leistung des Brennstoffzellensystems führen. Durch die Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigem Wasser aus dem Anodengasstrom ist ein sicheres Entfernen des gasförmigen Wassers aus dem Anodengasstrom möglich. Insbesondere durch Integration einer Kühlvorrichtung, wie beispielsweise Kühlrippen, der Durchströmung der Vorrichtung durch ein externes Kühlmittel oder Peltierelemente, wird der Taupunkt beeinflusst und das gasförmige Wasser kondensiert an der Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigem Wasser. Diese Ausführung kann selbstverständlich vorteilhafterweise derart erfolgen, dass die Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellenstack selbst nicht negativ beeinflusst wird. Auch die Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigem Wasser kann ferner selbstverständlich einen Ablass zum Ablassen des Wassers aufweisen, wobei dieser Ablass wiederum mit einem Schwimmschalter ausgestattet sein kann.
  • Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass die Anzahl der Brennstoffzellen in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken in Strömungsrichtung des Anodengasstroms abnimmt, wobei insbesondere der kleinste Brennstoffzellenblock zumindest noch 2 oder mehr Brennstoffzellen aufweist. In jedem Brennstoffzellenblock wird ein Teil des im Anodengasstrom vorhandenen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, verbraucht. Eine Verminderung der Anzahl der Brennstoffzellen in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken in Strömungsrichtung des Anodengases ermöglicht die Aufrechterhaltung einer möglichst gleichmäßigen Wasserstoffstöchiometrie, d. h. eines möglichst gleichmäßigen Wasserstoffmassenstromangebots. Ein optimaler Wirkungsgrad der einzelnen Zellen in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken kann so erreicht werden. Der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, im Anodengasstrom kann somit optimal ausgenutzt werden. Bei einer vollständigen Kaskadierung, d. h. dass der letzte Brennstoffzellenblock nur noch eine einzige Brennstoffzelle aufweist, ist eine hochgenaue Brennstoffdosierung beim ersten Brennstoffzellenblock nötig. Kann diese Genauigkeit nicht sichergestellt werden können bereits geringfügige Abweichungen in der Wasserstoffdosierung zu einer Zerstörung zumindest der letzten Brennstoffzelle bzw. zu erhöhten Brennstoffverlusten führen. Durch einen Kaskadenabbruch, d. h. dass der letzte Brennstoffzellenblock insbesondere zumindest noch 2 oder mehr Brennstoffzellen aufweist, kann dieser Anforderung an die Genauigkeit der Wasserstoffdosierung für den ersten Brennstoffzellenblock vermieden werden. Mit diesem Abbruch der Kaskadierung gehen dabei eine verbesserte Regelbarkeit und damit eine verbesserte Robustheit des Brennstoffzellensystems einher.
  • Besonders bevorzugt kann in einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorgesehen sein, dass die Abnahme der Anzahl der Brennstoffzellen derart gewählt ist, dass eine gleichbleibende oder im Wesentlichen gleichbleibende Stöchiometrie erreichbar ist. Insbesondere werden dadurch alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems mit der gleichen Stöchiometrie betrieben. Dadurch ist ein besonders gleichmäßiger Betrieb aller Brennstoffzellen im Stack erreichbar. Punktuelle Belastungen einzelner Brennstoffzellen, die beispielsweise zu einem Ausfall der besonders belasteten Brennstoffzellen führen können, können so vermieden werden.
  • Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass eine Vorrichtung zum Befeuchten von Anodengas in und/oder vor dem ersten Brennstoffzellenblock vorgesehen ist. Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der direkt aus einem Vorratstank dem ersten Brennstoffzellenblock zugeführt wird, weist üblicherweise keine eigene Feuchte auf. Er muss daher extern befeuchtet werden, da für den Betrieb einer Brennstoffzelle ein gewisses Maß an Feuchte im Anodengas nötig ist. Eine derartige Befeuchtung kann beispielsweise durch eine Eindüsung am allersten Anodeneingang des ersten Brennstoffzellenblocks vorgesehen sein. Auch ein Membranbefeuchter oder poröse Befeuchterplatten im ersten Brennstoffzellenblock sind denkbar. Durch die Befeuchtung des Anodengases im und/oder vor dem ersten Brennstoffzellenblock kann somit bereits der erste Brennstoffzellenblock mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Besonders bevorzugt kann bei einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Befeuchten von Anodengas zum Verwenden von aus dem Anodengasstrom ausgefällten Wassers ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, dass aus dem Anodengas ausgefällte Wasser wiederzuverwenden. Die Zuführung von zusätzlichen, externen Wasser kann so vermieden werden. Dies ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen und insbesondere autarken Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, aufweisend zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke, wobei jeder der zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode aufweist und wobei die Anoden der Brennstoffzellen eines jeden Brennstoffzellenblocks zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenblocks und die Kathoden der Brennstoffzellen eines jeden Brennstoffzellenblocks zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenblocks parallel geschaltet sind oder eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anodengasstrom von einem Ausgang der Anodenseite eines ersten Brennstoffzellenblocks zu einem Eingang der Anodenseite eines zweiten Brennstoffzellenblocks geleitet wird. Durch diesen sogenannten kaskadierenden Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist eine besonders gute Ausnutzung eines dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, möglich. Aufwändige Rezirkulationseinrichtungen können durch die Kaskadierung vermieden werden. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass durch das Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems ein Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung betrieben wird. Sämtliche Vorteile, die zu einem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren, durch das ein derartiges Brennstoffzellensystem betrieben wird.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und seine Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie dessen Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
  • 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik und
  • 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Von dem Brennstoffzellensystem 1 ist nur die Anodenseite 13 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist mehrere Brennstoffzellen 20 auf, die in drei Brennstoffzellenblöcken 10, 11, 12 zusammengefasst sind. Entlang eines Anodengasstroms 14 nimmt dabei die Anzahl der Brennstoffzellen 20 in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken 10, 11, 12 kontinuierlich ab. Das Brennstoffzellensystem 1 wird kaskadiert betrieben, d. h. jeweils ein Ausgang 21 eines Brennstoffzellenblocks 10, 11 ist mit einem entsprechenden Eingang 22 des nächsten Brennstoffzellenblocks 11, 12 verbunden. Der Anodengasstrom 14 in den Anoden der einzelnen Brennstoffzellen 20 verläuft innerhalb der einzelnen Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12 parallel und in die gleiche Richtung. Die Strömungsrichtung des Anodengasstroms 14 ist bezüglich der einzelnen Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12 jedoch jeweils umgekehrt. Dies kann im Brennstoffzellensystem 1 insbesondere zu ungleichmäßigen Temperatur- bzw. Feuchtegradienten führen, wodurch innerhalb der Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12 bzw. zwischen den einzelnen Brennstoffzellenblöcken 10, 11, 12 des Brennstoffzellensystems 1 Spannungen auftreten können. Die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 1 kann dadurch beeinträchtigt und insbesondere verkürzt werden.
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Die einzelnen Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12 werden wiederum kaskadiert betrieben mit entlang des Anodengasstroms 14 abnehmender Anzahl an Brennstoffzellen 20. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1 werden die Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12 derart vom Anodengasstrom 14 durchströmt, dass die Strömungsrichtung des Anodengasstroms 14 in den einzelnen Brennstoffzellen 20 der Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12 nicht nur parallel sondern auch gleichgerichtet sind. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen die Ausgänge 21 und Eingänge 22 der benachbarten Brennstoffzellenblöcke 10, 11 und 11, 12 jeweils ein Leitelement 30 zwischengeschaltet ist. Die Leitelemente 30 sind dabei jeweils als Zwischenplatte ausgestaltet, die zwischen jeweils zwei Brennstoffzellenblöcke 10, 11, 12, die zueinander benachbart sind, angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders homogener Temperatur- bzw. Feuchtegradient innerhalb des gesamten Brennstoffzellensystems 1 erreicht werden. Temperatur- bzw. feuchtegradientbedingte Spannungen innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 können so vermieden, die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems so erhöht werden. Ferner können an den Leitelementen 30 auch Vorrichtungen zum Ausfällen von, insbesondere auch gasförmig vorliegendem, Wasser vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, den Wasserhaushalt des Anodengasstroms 14 zu beeinflussen um einen möglichst effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 zu erreichen. Auch ist es denkbar, ausgefälltes Wasser aus dem Anodenstrom 14 vor dem ersten Brennstoffzellenblock 10 dem Anodengasstrom 14 zuzuführen. Dies kann nötig sein, da Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der direkt aus einem Brennstofftank kommt, üblicherweise keinerlei Feuchte aufweist. Da eine Brennstoffzelle 20 zum Betrieb jedoch eine gewisse Feuchte im Anodengasstrom 14 benötigt, kann durch die Befeuchtung des Anodengasstroms 14 vor dem ersten Brennstoffzellenblock 10 ein effizienter Betrieb des Brennstoffzellenblocks 10 und damit auch des gesamten Brennstoffzellensystems 1 sichergestellt werden. Brennstoffzellenblöcke 11, 12, die im Anodengasstrom 14 nach dem ersten Brennstoffzellenblock 10 angeordnet sind, benötigen keine zusätzliche Befeuchtung, da durch den Betrieb einer Brennstoffzelle 20 im Anodengasstrom 14 automatisch Feuchte entsteht.
  • 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
    • DE 102006019114 A1 [0003]
    • EP 1968148 A1 [0003]
    • EP 1942544 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (1), aufweisend zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke (10, 11, 12), wobei jeder der zumindest zwei Brennstoffzellenblöcke (10, 11, 12) zumindest eine Brennstoffzelle (20) mit einer Anode und einer Kathode aufweist und wobei die Anoden der Brennstoffzellen (20) eines jeden Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) zu einer Anodenseite (13) des Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) und die Kathoden der Brennstoffzellen (20) eines jeden Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je zwei Brennstoffzellenblöcken (10, 11, 12) wenigstens ein Leitelement (30) angeordnet ist, wodurch ein Anodengasstroms (14) von einem Ausgang (22) der Anodenseite (13) eines ersten Brennstoffzellenblocks (10, 11) zu einem Eingang (21) der Anodenseite (13) eines zweiten Brennstoffzellenblocks (11, 12) leitbar ist und dass eine Strömungsrichtung des Anodengasstroms (14) in den Brennstoffzellenblöcken (10, 11, 12) gleichgerichtet oder im Wesentlichen gleichgerichtet ist.
  2. Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Leitelement (30) ausschließlich eine Kaskadierung des Anodengasstroms (14) der Brennstoffzellenblöcke (10, 11, 12) stattfindet, wobei insbesondere der Kathodengasstrom sämtlicher Brennstoffzellen (20) parallel geschaltet ist.
  3. Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (30) in Form einer Zwischenplatte ausgestaltet ist, wobei insbesondere die Zwischenplatte geometrisch zwischen zumindest zwei Brennstoffzellenblöcken (10, 11, 12) angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Leitelement (30), insbesondere in Form der Zwischenplatte, eine Vorrichtung zum Ausfällen von flüssigem Wasser aus dem Anodengasstrom (14) vorgesehen ist.
  5. Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Leitelement (30), insbesondere in Form der Zwischenplatte, eine Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigen Wasser aus dem Anodengasstrom (14) vorgesehen ist, wobei insbesondere die eine Vorrichtung zum Ausfällen von gasförmigen Wasser eine Kühlvorrichtung aufweist.
  6. Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Brennstoffzellen (20) in den einzelnen Brennstoffzellenblöcken (10, 11, 12) in Strömungsrichtung des Anodengasstroms (14) abnimmt, wobei insbesondere der kleinste Brennstoffzellenblock (10, 11, 12) zumindest noch 2 oder mehr Brennstoffzellen (20) aufweist.
  7. Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme der Anzahl der Brennstoffzellen (20) derart gewählt ist, dass eine gleichbleibende oder im Wesentlichen gleichbleibende Stöchiometrie erreichbar ist.
  8. Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum Befeuchten von Anodengas in und/oder vor dem ersten Brennstoffzellenblock (10, 11, 12) vorgesehen ist.
  9. Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Befeuchten von Anodengas zum Verwenden von aus dem Anodengasstrom (14) ausgefällten Wassers ausgebildet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anodengasstroms (14) von einem Ausgang (22) der Anodenseite eines ersten Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) zu einem Eingang (21) der Anodenseite (13) eines zweiten Brennstoffzellenblocks (10, 11, 12) geleitet wird.
DE201210218646 2012-10-12 2012-10-12 Kaskadierter Brennstoffzellenstack mit optimiertem Wassermanagement Withdrawn DE102012218646A1 (de)

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