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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Ein gattungsbildender Brennstoffzellenstack ist bspw. aus der
US 7,459,227 B2 bekannt. Der Brennstoffzellenstack besteht in einer planaren Bauform aus aufeinander gestapelten Brennstoffzellen, die als Bipolarplatten (BPP) mit Dichtungen und Membran-Elektrodeneinheiten ausgestaltet sind. Dabei sind die Bipolarplatten als Gleichteile ausgebildet, um die Herstellungskosten möglichst gering zu halten. Die Bipolarplatten weisen Versorgungsöffnungen „Manifolds“ auf, die als Aussparungen mit gleichem Querschnitt ausgestaltet sind. Die Versorgungsöffnungen dienen der Medienversorgung einer jeden Bipolarplatte. Durch Übereinanderstapeln der baugleichen Bipolarplatten bilden die übereinander gestapelten Aussparungen Sammelleitungen. Dabei weisen die Sammelleitungen über die gesamte Stackhöhe einen konstanten, d. h. gleichen Querschnitt auf.
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Nachteilig dabei ist, dass die Volumenströme der Medien, wie bspw. Brenngas, Luft, oder Kühlmedium (im folgenden Medienströme genannt) über die Länge der Sammelleitungen, d. h. plattenweise über die Länge der Sammelleitungen von der Versorgungsseite bis zur letzten Bipolarplatte immer weiter abnehmen, da an jeder Bipolarplatte ein Teil der Medien, bzw. des Medienstroms abgezweigt wird. Dadurch ergeben sich bei unterschiedlichem Volumenstrom und bei gleichem Querschnitt der Sammelleitungen, d. h. plattenweise unterschiedliche Druckabfälle zwischen den Abzweigen zu den einzelnen Brennstoffzellen.
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Daraus resultiert eine ungleichmäßige Versorgung der Brennstoffzellen, mit der Folge, dass der Brennstoffzellenstack mit reduzierter Leistung arbeitet bzw. die einzelnen als Bipolarplatten ausgestalteten Brennstoffzellen schneller altern. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Querschnitt der Medienversorgung klein gehalten wird und die Zu- bzw. Abfuhr der Medien auf der gleichen Brennstoffzellenstackseite erfolgt, so dass auf der Seite der Medienabfuhr in der Medienversorgung, d. h. im „Manifold“, keine ausgleichenden Druckabfälle zum Tragen kommen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zumindest einen der genannten Nachteile bei den bekannten Brennstoffzellenstacks zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Volumenströme der Medien, die durch die Sammelleitungen plattenweise zu den als Bipolarplatten ausgestalteten Brennstoffzellen fließen, für jede Brennstoffzelle unabhängig von dessen Lage in dem Brennstoffzellenstack gleich zu gestalten.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstack mit wenigstens zwei insbesondere baugleichen Brennstoffzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstack mit wenigstens zwei insbesondere baugleichen Brennstoffzellen, die insbesondere als Bipolarplatten ausgestaltet sind, und die übereinander gestapelt sind, wobei die Brennstoffzellen über zumindest eine Sammelleitung mit gleichem Querschnitt fluidtechnisch miteinander verbunden sind, wobei insbesondere Aussparungen mit gleichem Querschnitt, die Teil der Bipolarplatten sind, die Sammelleitungen bilden, schließt die technische Lehre ein, dass ein Einlegeelement in die Sammelleitung einsetzbar ist, mit dem der Querschnitt der Sammelleitung zumindest abschnittsweise veränderbar ist.
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Ein Einlegeelement, das in die Sammelleitung einsetzbar ist, hat den Vorteil, dass die Gleichbauweise, d. h. die kostengünstige Gleichteilstrategie der Bipolarplatten, nicht aufgegeben werden muss, um den Medienstrom gleichmäßig in jede Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstacks zu steuern. Weiterhin kann der Querschnitt der Aussparungen, d. h. insgesamt der Sammelleitung, klein gehalten werden, um Platz einzusparen. Dazu ist das Einlegeelement in vorteilhafter Weise so ausgestaltet, dass es beim Einlegen in die Sammelleitung den Querschnitt der Sammelleitung zumindest abschnittsweise und insbesondere plattenweise verkleinert. In vorteilhafter Weise ist dazu das Einlegeelement keilförmig oder stufenkeilförmig ausgestaltet. Durch Einlegen des Einlegeelements werden dabei die Querschnitte der Aussparungen der Bipolarplatten über die Länge des Brennstoffzellenstacks so verengt, dass sich für jede Bipolarplatte, d. h. für jede Brennstoffzelle, identische Druckdifferenzen der Medienströme insbesondere in den Abzweigen von der Sammelleitung zu den einzelnen Bipolarplatten ergeben.
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In vorteilhafter Weise ist die Sammelleitung zumindest eine Einlasssammelleitung oder eine Auslasssammelleitung. Durch Einlegen des Einlegeelements in die als Sammelleitung ausgestaltete Einlasssammelleitung ergeben sich vorteilhafterweise identische Druckdifferenzen sowohl zwischen der als Einlasssammelleitung und der als Auslasssammelleitung ausgestalteten Sammelleitung für jede als Bipolarplatte ausgestaltete Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks als auch ein identischer Druck an jedem Abzweig der Sammelleitung. Somit kann durch das Einführen eines Einlegeelements in die Sammelleitung eine gleichmäßige Versorgung aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks gewährleistet werden. Die Form des Einlegers ist dabei nicht auf eine Keil- oder Stufenkeilform beschränkt, vielmehr lässt sich die Geometrie des Einlegers aus den allgemein bekannten Zusammenhängen der Strömungsmechanik berechnen, jedenfalls zumindest für den typischen Betriebspunkt des Brennstoffzellenstacks. Lediglich die Länge des Einlegers richtet sich nach der Anzahl der übereinander gestapelten Zellen, da die Stärke der als Bipolarplatten ausgestalteten Zellen für alle Stackgrößen gleich ist.
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In bevorzugter Weise kann das Einlegeelement bspw. kostengünstig aus Kunststoff gefertigt werden, insbesondere dann, wenn das Einlegeelement in Niedertemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt wird. Auch ein Einsatz in Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist denkbar, nämlich dann, wenn das Einlegeelement aus Keramik oder einem anderen hochtemperaturresistenten Material ausgestaltet ist.
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Zum Einleiten bzw. Umlenken des durch die Sammelleitung geführten Mediums in die jeweilige Bipolarplatte, d. h. in die jeweilige Brennstoffzelle, weist das Einlegeelement vorzugsweis eine Kontur auf, die die Strömungsrichtung des Medienstroms, d. h. des Fluids beeinflusst, nämlich das durch die Sammelleitung zu den Brennstoffzellen geleitete Fluid aus der Sammelleitung in die Brennstoffzelle umlenkt. Ein mit einer Kontur ausgestaltetes Einlegeelement kann bspw. ein Stufenkeil sein, dessen einzelnen Stufen beispielsweise konvex oder konkav ausgestaltet sind, wobei durch die Ausgestaltung der einzelnen Stufen der Medienstrom aus der Sammelleitung in die einzelnen Brennstoffzellen geleitet, d. h. umgelenkt wird.
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In vorteilhafter Weise kann das Einlegeelement auch als Volumenkörper ausgestaltet sein, der zumindest eine elastische Fläche aufweist. Dabei dient die elastische Fläche dazu, den Querschnitt dem Medien-, d. h. dem Volumenstrom, des Fluids anzupassen. Als elastische Fläche eignet sich in bevorzugter Weise die rückseitige Fläche eines als Keil ausgestalteten Einlegeelements, deren freie Querschnittsfläche sich dem Medienfluss variabel anpasst. Auf diese Weise kann die Gleichverteilung des Medien-, bzw. Volumenstroms in die Zellen für ein größeres Betriebsfenster erreicht werden.
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In einer weiteren Variante kann das Umlenkelement eine ansteuerbare Klappe sein, wobei mit ansteuerbaren Klappen eine individuelle Beeinflussung der Volumenströme durch Brennstoffzellenpakete bis hin zu einzelnen Zellen, d. h. plattenweise ermöglicht wird.
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In vorteilhafter Weise kann das Einlegeelement wenigstens eine Fluidkammer aufweisen und in der Art eines Druckkissens ausgeführt sein. In bevorzugter Weise ist dazu die Fluidkammer druckbeaufschlagbar, wodurch das Einlegeelement dem Medienstrom der Sammelleitung angepasst, an Volumen zunehmen kann. Um eine selbsttätige Regulierung zwischen der Druckbeaufschlagung der Fluidkammer und dem in der Sammelleitung anliegenden Volumenstrom zu realisieren, ist die Fluidkammer in vorteilhafter Weise mit der Sammelleitung verbunden. Dadurch kann bewirkt werden, dass bei einem großen Volumenstrom das Einlegeelement über die druckbeaufschlagte Fluidkammer stärker an Volumen zunimmt, nämlich stärker aufgepumpt wird, als bei einem niedrigeren Volumenstrom, der in der Sammelleitung anliegt. Dadurch stellt sich auch bei unterschiedlichen Volumenströmen entlang der Sammelleitung ein übereinstimmendes Druckniveau, vorzugsweise an jedem Abzweig zu jeder zu einem Brennstoffzellenstack aufeinandergestapelten Bipolarplatten automatisch ein.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer als Bipolarplatte ausgestalteten Brennstoffzelle,
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2 eine perspektivische Ansicht von übereinander gestapelten Bipolarplatten aus 1 mit zusätzlicher Medienleitung,
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2a + b Ausführungsformen für ein Einlegeelement und
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3 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstack aus übereinander gestapelten Bipolarplatten mit einem druckbeaufschlagbaren Einlegeelement in der Sammelleitung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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In 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatte 1 dargestellt. Die schraffierte Fläche stellt die aktive Fläche 2 der Bipolarplatte 1 da. Auf der aktiven Fläche 2 befinden sich bspw. die Membran-Elektrodeneinheiten. Links und rechts der aktiven Fläche 2 sind jeweils zwei übereinander liegende Aussparungen 3 ausgebildet, die als Versorgungsöffnungen dienen. Die Bipolarplatte 1 ist als Gleichteil ausgestaltet, um die Kosten der Herstellung möglichst gering zu halten. Die als Aussparungen 3 ausgestalteten Versorgungsöffnungen dienen zur Zufuhr von Brenngas, Luft sowie Kühlmedium, bzw. zu dessen Abfuhr. Wie in der Figur zu erkennen ist, weisen die als Versorgungsöffnung ausgestalteten Aussparungen 3 einen Querschnitt auf, der aufgrund der Gleichbauweise der Bipolarplatten immer gleich ist.
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In der 2 sind mehrere ähnlich der in 1 dargestellten Bipolarplatten 1 zu einem Brennstoffzellenstack 10 übereinander gestapelt. Im Gegensatz zu der in der 1 dargestellten Bipolarplatte 1 weisen die in der 2 zu einem Brennstoffzellenstack 10 übereinander gestapelten Bipolarplatten 1 eine zusätzliche Aussparung 4 auf, die bspw. der Zu- und Abfuhr eine Kühlmediums in die Bipolarplatten 1 dient. Die Aussparungen 3 und 4 bilden aufgrund der Gleichbauweise der Bipolarplatten 1 jeweils gemeinsame Sammelleitungen 5 aus, durch die bspw. Brenngas, Luft oder Kühlmedium zu den einzelnen Bipolarplatten 1 des Brennstoffzellenstacks 10 geleitet werden. Da die Bipolarplatten 1 und damit auch die als Aussparungen 3 ausgestalteten Versorgungsöffnungen in Gleichteilbauweise ausgestaltet sind, weisen die Sammelleitungen 5 in der Aufeinanderfolge der Bipolarplatten 1 in den Brennstoffzellenstack 10 stets den gleichen, d. h. einen unveränderten Querschnitt auf. Um den Querschnitt der Sammelleitung 5 bedarfsgerecht zu verändern, bzw. den Querschnitt so zu verengen, dass in jeder Bipolarplatte 1 des Brennstoffzellenstacks 10 ein identisches Druckniveau entsteht, kann erfindungsgemäß ein Einlegelement 6 oder 6.1 in die Sammelleitungen 5 eingeführt werden.
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Die 2a und 2b zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines keilförmigen Einlegeelements 6 und 6.1. Das Einlegeelement 6 in 2a ist als keilförmiges Einlegeelement 6 mit einer zu der Sammelleitung 5 ausgerichteten ebenen Oberfläche 7 ausgestaltet. Dadurch, dass sich das Einlegeelement 6 zur unteren Bipolarplatte 1 des in 2 dargestellten Brennstoffzellenstacks 10 verjüngt, wird über die Höhe des Brennstoffzellenstacks 10 der Querschnitt der Sammelleitung 5 zur oberen Bipolarplatte 1 in den Brennstoffzellenstack 10 verengt. Durch die Verengung des Querschnitts von der unteren Bipolarplatte 1 bis zur oberen Bipolarplatte 1 des Brennstoffzellenstacks 10 wird durch das Einlegeelement 6 das Volumen der in die einzelnen Bipolarplatten 1 geleiteten Medien verringert und dabei der Volumenstrom beschleunigt. Entsprechend bewirkt die Form, Größe und Kontur des Einlegeelements 6, dass jede Bipolarplatte 1 in dem Brennstoffzellenstack 10 im Betrieb der Brennstoffzelle ein gleiches Leistungsniveau hat.
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2b zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Einlegeelements 6.1, das als Stufenkeil ausgebildet ist. Die einzelnen Stufen 8 des Einlegeelements 6.1 dienen dabei als Umlenker, die den Medienstrom durch die Sammelleitungen 5 individuell durch mehrere Bipolarplattenpakete bis hin zu einzelnen Bipolarplatten 1 ermöglicht. In bevorzugter Weise sind dazu die Stufen 8 des Einlegeelements 6.1 konkav ausgestaltet. Die konkave Ausgestaltung der Stufen 8 unterstützt dabei die Annahme des Volumenstroms und dessen platten- bzw. paketweise Umleitung in die einzelnen Bipolarplatten 1 bzw. Bipolarplattenpakete.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstack 10 aus übereinander gestapelten Bipolarplatten 1 mit einem druckbeaufschlagbaren Einlegeelement in der Sammelleitung eine weitere Ausführungsform eines Einlegeelements 6.2, das als druckbeaufschlagbares keilförmiges Druckkissen ausgestaltet ist. Die Bipolarplatten 1 sind in dem Brennstoffzellenstack 10 von einer unteren Stackendplatte 13.1 und einer oberen Stackendplatte 13.2 umfasst. Die Bedruckung des Einlegeelements 6.2 erfolgt über eine parallel zu der Sammelleitung 5 geführte Bypass-Leitung 12, die über die obere Stackendplatte 13.2 verläuft und im Bereich der oberen Stackendplatte 13.2 fluidtechnisch mit einer Fluidkammer 14 des Einlegeelements 6.2 verbunden ist. Im unteren Bereich des Brennstoffzellenstacks 10 verläuft die Bypass-Leitung 12 durch die untere Stackendplatte 13.1 bis in den Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5 und ist dadurch fluidtechnisch mit der Sammelleitung 5. Die Bypass-Leitung 12 funktioniert als Druckausgleichskanal, wobei die Fluidkammer 14 des Einlegeelements 6.2 entsprechend dem in dem Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5 anliegenden Druck und/oder Volumenstrom druckbeaufschlagt wird. D. h., dass dem Druckniveau oder Volumenstrom entsprechend, welche an dem Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5 anliegen, die Fluidkammer 14 an Volumen zu- oder abnimmt, d. h. aufgeblasen wird oder Druck abgelassen wird. Durch Druckbeaufschlagung, d. h. durch Aufblasen oder durch Druckablassen des mit der Fluidkammer 14 als Druckkissen ausgestalteten Einlegeelements 6.2 wird eine Trennwand 11, die Teil des Einlegeelementes 6.2 ist, in der Sammelleitung 5 verschoben. Durch die Verschiebung der Trennwand 11 stellt sich dabei automatisch, auch bei unterschiedlichen Gas-/Medien-Volumenströmen, d. h. bei unterschiedlich anliegendem Druck oder Volumenstrom im Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5, entlang der Sammelleitung 5 plattenweise ein identisches Druckniveau ein.
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Die Einlegeelemente 11 sind insbesondere für Brennstoffzellenstacks 10 geeignet, die in stationären, portablen oder automobilen Brennstoffzellensystemen verwendet werden. Für diese Anwendung der Brennstoffzellensysteme ist es insbesondere erforderlich, dass die Brennstoffzellenstacks 10 stets eine optimale Leistungsfähigkeit aufweisen und langlebig sind, d. h. eine erhöhte Betriebsdauer aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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