DE102015005349A1

DE102015005349A1 - Reaktionsmittel-Sammelleitungen für Brennstoffzellenstapel, welche unter dem Gefrierpunkt betrieben werden

Info

Publication number: DE102015005349A1
Application number: DE102015005349.3A
Authority: DE
Inventors: Alireza Roshanzamir
Original assignee: Daimler AG; Ford Motor Co
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-24
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2015-11-26
Also published as: US10122040B2; US20150340724A1

Abstract

Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt können Eisblockaden in den Reaktionsmittelauslass-Sammelleitungen von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln verhindert werden, indem die innere Gestaltung der Sammelleitungen abgewandelt wird. Die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung umfasst einen Teiler, welcher die Sammelleitung in einen oberen Kanalabschnitt und in einen unteren Hauptströmungsabschnitt teilt, und der Teiler umfasst eine Mehrzahl von Öffnungen, welche den Kanalabschnitt mit dem Hauptströmungsabschnitt fluidisch verbinden. Die Reaktionsmittel-Sammelleitung umfasst auch wenigstens eine Trennwand in dem Kanalabschnitt, welche teilweise die Öffnungen voneinander in dem Kanalabschnitt trennt.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Abwandlungen in den Reaktionsmittelauslass-Sammelleitungen von Brennstoffzellenstapeln, um die Bildung von Eisblockaden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu verhindern. Sie betrifft insbesondere Abwandlungen in den Oxidationsmittelauslass-Sammelleitungen von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Brennstoffzellen wie Feststoff-Polymer-Elektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch Reaktionsmittel, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen kathodischen und anodischen Elektroden. Eine Struktur, welche einen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten umfasst, welcher zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet ist, wird als eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. In einer typischen Brennstoffzelle sind auf jeder Seite der MEA Strömungsfeldplatten vorgesehen, welche zahlreiche Fluidverteilungskanäle für die Reaktanden umfassen, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen, und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen abzuführen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Brennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktionsmittel betrieben wird. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihen zusammengestapelt, um eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Brennstoffzellenstapel können für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen weiter in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.
Zusammen mit Wasser ist Wärme ein bedeutendes Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Im Allgemeinen werden daher Mittel zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels benötigt. Stapel, welche dazu ausgelegt sind, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen (zum Beispiel automobile Stapel) zirkulieren typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch den Stapel, um Wärme rasch und effizient abzuführen. Um dies zu erreichen, sind typischerweise auch Kühlmittel-Strömungsfelder, welche zahlreiche Kühlmittelkanäle umfassen, in die Strömungsfeldplatten der Zellen in den Stapeln integriert. Die Kühlmittel-Strömungsfelder können auf den elektrochemisch inaktiven Oberflächen der Strömungsfeldplatten ausgebildet sein und können so das Kühlmittel relativ gleichmäßig innerhalb der Zellen verteilen, wobei sie das Kühlmittel zuverlässig von den Reaktionsmitteln getrennt halten.
Reaktionsmittel- und Kühlmittel-Sammelleitungen werden generell verwendet, um sowohl Reaktionsmittel als auch das Kühlmittel zu und von den einzelnen Zellen in dem Stapel zu liefern. Eine Vielfalt an Gestaltungen kann in dieser Hinsicht in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel kann eine Reihe von Öffnungen oder Kanälen auf verschiedene Arten an gegenüberliegenden Enden der Platten für einzelne Zellen vorgesehen werden, so dass diese Sammelleitungen für diese Fluide bilden, wenn die Zellen zusammengestapelt werden. Weitere Gestaltungsmerkmale, welche dann erforderlich sein können, sind Durchgänge, um das Gros der Fluide zu und von den verschiedenen Kanälen in den Reaktionsmittel- und Kühlmittel-Strömungsfeldkanälen in den Platten zu verteilen. Diese Durchgangsbereiche werden als die Übergangsbereiche bezeichnet. Die verschiedenen Übergangsbereiche können selber zahlreiche Fluidverteilungskanäle umfassen, zum Beispiel Brennstoff-Übergangskanäle in einem Brennstoff-Übergangsbereich.
In Brennstoffzellenstapeln, welche Gefriertemperaturen ausgesetzt sind, können Ansammlungen von flüssigem Wasser problematisch sein, weil, wenn das Wasser friert, das gebildete Eis in unerwünschter Weise Fluidströmungen blockieren kann, und weil die zugehörige Ausdehnung des festen Eises eine Schädigung der Zellen in dem Brennstoffzellenstapel verursachen kann. Ansammlungen erheblicher Größe von flüssigem Wasser, welche dem Gefrieren ausgesetzt sein können, werden daher im Allgemeinen vermieden, indem entweder überhaupt die Ansammlung verhindert wird oder alternativ durch deren Entfernung, bevor sie die Gelegenheit haben zu gefrieren. Aus diesen und anderen Gründen sind im Stand der Technik verschiedene Gestaltungen und Techniken offenbart, um eine Bewegung von Wasser innerhalb eines Brennstoffzellenstapels zu regeln und zu kontrollieren.
Trotz der Fortschritte, welche bislang gemacht wurden, verbleibt ein Bedarf nach besseren Gestaltungen und Verfahren, um ein Auftreten von Eisblockaden in solchen Brennstoffzellenstapeln zu verhindern, wenn Temperaturen unter Null angetroffen werden können. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse und liefert weitere verwandte Vorteile.
Zusammenfassung
Wenn ein Brennstoffzellenstapel heruntergefahren und bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt aufbewahrt wird, kann sich Eis bilden und Blockaden verursachen, wo immer sich flüssiges Wasser angesammelt hat. In einem Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel kann sich flüssiges Wasser in den Reaktionsmittelauslass-Sammelleitungen und insbesondere einer Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung ansammeln. Solche Eisblockaden können verhindert werden, indem die interne Gestaltung der Sammelleitung so abgewandelt wird, dass sie sowohl einen geeigneten Teiler beinhaltet, welcher eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, als auch wenigstens eine geeignete Trennwand. Das vorliegende Ziel einer solchen Abwandlung ist es, Eisblockaden in den Reaktionsmittelauslass-Sammelleitungen zu verhindern.
Nichtsdestotrotz ist die Erfindung hauptsächlich eine Gestaltung und ein Verfahren, um flüssiges Wasser in diesen Sammelleitungen abzutrennen.
Speziell betrifft die Erfindung einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, welcher eine Mehrzahl von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen umfasst, welche in Reihe gestapelt sind, und in welchem jede Brennstoffzelle ein Anode, eine Kathode, einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten, wenigstens einen Reaktionsmittel-Einlasskanal und wenigstens einen Reaktionsmittel-Auslasskanal umfasst. Der Stapel umfasst auch eine Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung, welcher eine Länge, Breite und Höhe aufweist. Die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung umfasst einen Sammelleitungsauslass und eine Mehrzahl von Sammelleitungseinlässen, welche fluidisch mit den Reaktionsmittel-Auslasskanälen einer jeden Brennstoffzelle verbunden sind. Um eine Ansammlung von Wasser und Eisblockaden in der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung zu verhindern, ist ein Teiler eingebracht, welcher die Sammelleitung in einen oberen Kanalabschnitt, welcher direkt mit den Sammelleitungseinlässen verbunden ist, und einen unteren Hauptströmungsabschnitt teilt, welcher direkt mit dem Sammelleitungsauslass verbunden ist. Der Teiler umfasst auch eine Mehrzahl von Öffnungen, welche den Kanalabschnitt mit dem Hauptströmungsabschnitt fludisch verbinden. Zusätzlich ist wenigstens eine Trennwand in den Kanalabschnitt eingebracht, welche teilweise die Sammelleitungseinlässe in dem Kanalabschnitt trennt, und welche teilweise die Öffnungen in dem Kanalabschnitt auf eine geeignete Weise trennt. In vielen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von Trennwänden in den Kanalabschnitt eingebracht.
Die Erfindung ist besonders nützlich, um Eisblockaden in den Oxidationsmittelauslass-Sammelleitungen von solchen Brennstoffzellenstapeln zu verhindern. Nichtsdestotrotz kann sie auch in den Brennstoffauslass-Sammelleitungen der Brennstoffzellenstapel ebensogut verwendet werden.
Die Erfindung kann in Stapeln angewendet werden, in welchen jede Brennstoffzelle mehr als oder gleich drei Oxidationsmittel-Auslasskanäle umfasst. Des Weiteren können die Stapel mehr als oder gleich 150 Brennstoffzellen in Reihe umfassen.
Der Teiler kann so angeordnet sein, dass jeweils der Kanalabschnitt und der Hauptströmungsabschnitt etwa die gleiche Größe haben. Der Teiler kann daher so angeordnet sein, dass die Höhe des Kanalabschnitts in etwa die Hälfte der Höhe der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung beträgt.
In dem Kanalabschnitt von Ausführungsformen, welche eine Mehrzahl von Trennwänden umfassen, trennen die Trennwände die Mehrzahl der Sammelleitungseinlässe teilweise in Gruppen. Jede Gruppe dieser Sammelleitungseinlässe kann fluidisch mit den Auslasskanälen einer Anzahl N von Brennstoffzellen in dem Stapel verbunden sein. Die Erfindung kann in Stapeln angewendet werden, in welchen N größer als oder gleich etwa 30 ist (das heißt 30 Brennstoffzellen pro Gruppe). Die Trennwände sorgen für eine teilweise, aber nicht vollständige Trennung in dem Kanalabschnitt. Ein geeigneter Umfang an Trennung kann bereitgestellt werden, indem sich die Trennwände über etwa 0,8 der Breite der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung erstrecken.
Die Öffnungen in dem Teiler leiten Auslass-Reaktionsmittelfluide von dem Kanalabschnitt zu dem Hauptströmungsabschnitt und dienen auch als Abflüsse für flüssiges Wasser. In einer geeigneten Ausführungsform ist jede Öffnung teilweise von den anderen Öffnungen durch ein Paar der Trennwände getrennt. In manchen Ausführungsformen kann jede Öffnung an eine erste des Paars der Trennwände angrenzend und beabstandet von einer zweiten des Paars der Trennwände angeordnet sein. Zusätzlich kann jede Öffnung auf einer Seite des Teilers angeordnet sein, welche den Reaktionsmittel-Auslasskanälen gegenüberliegt. In Ausführungsformen, in welchen die Trennwände die Sammelleitungseinlässe in Gruppen trennen, welche mit N Brennstoffzellen verbunden sind, kann eine geeignete offene Fläche für die Öffnungen etwa 1/16 des Produkts der Länge und Breite der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung geteilt durch N betragen.
Um das Ablaufen von Wasser zu unterstützen, kann der Teiler von der zweiten hin zu der ersten des Paars der Trennwände abwärts geneigt sein (zum Beispiel bei etwa 20 Grad geneigt). Des Weiteren kann die Oberfläche des Teilers Einrichtungen mit Dochtwirkung haben, um die Bewegung von flüssigem Wasser zu unterstützen.
Die Strukturen, welche in die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung eingefügt werden müssen, können einfach mittels eines einheitlichen Einsatzes eingebracht werden, welcher den Teiler, die Mehrzahl der Öffnungen und die Trennwand oder Wände umfasst. Um ein elektrisches Kurzschließen der benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel zu vermeiden, ist der einheitliche Einsatz im Allgemeinen nicht leitend.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind in Bezug auf die angehängten Figuren und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a zeigt einen schematischen Querschnitt eines beispielhaften Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels (in welchem eine Strömungsfeldplatte freiliegend ist). Ein Einsatz der Erfindung ist entfernt aus und angrenzend an die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung gezeigt.
1b zeigt eine vergrößerte Ansicht der Einlässe in die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung, welche fluidisch mit den Oxidationsmittel-Auslasskanälen der Brennstoffzellen in dem Stapel von 1a verbunden sind.
2a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher Trennwände bereitgestellt wurden, um die Sammelleitungseinlässe in 4 Gruppen teilweise zu trennen.
2b zeigt eine vergrößerte Ansicht einer sich wiederholenden Einheit in der Ausführungsform von 2a.
Ausführliche Beschreibung
In dieser Beschreibung sollen Worte wie „ein” und „umfasst” in einem offenen Sinn aufgefasst werden, und sie sollen in der Bedeutung von wenigstens ein aber nicht beschränkt auf nur ein verstanden werden.
Vorliegend soll in einem quantitativen Kontext der Ausdruck „etwa” als im Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% liegend aufgefasst werden.
Vorliegend ist die Richtung der Länge der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung durch die Stapelrichtung der Brennstoffzellen in dem Stapel definiert (oft die längste Abmessung des Stapels). Die Richtung der Höhe der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung hängt von der Ausrichtung des Stapels im Hinblick auf die Schwerkraft ab und ist parallel zu der Richtung der Schwerkraft. Schließlich ist die Richtung der Breite senkrecht zu den Richtungen der Länge und der Höhe.
Durch diese Beschreibung hindurch wird der Ausdruck „teilweise getrennt” im Zusammenhang mit den Trennwänden in dem Kanalabschnitt einer Reaktionsmittel-Sammelleitung verwendet. Diese Trennwände erscheinen an verschiedenen Stellen entlang der Länge der Reaktionsmittel-Sammelleitung und sorgen für eine teilweise und nicht vollständige Einschränkung des Stroms der Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) entlang der Länge des Kanalabschnitts der Reaktionsmittel-Sammelleitung. Als eine Folge sind die Strömungen zwischen den Sammelleitungseinlässen, welche mit dem Kanalabschnitt der Reaktionsmittel-Sammelleitung verbunden sind, auch teilweise durch diese Trennwände eingeschränkt. In diesem Sinne sind so ein Sammelleitungseinlass oder eine Gruppe von Sammelleitungseinlässen, welche zwischen einem Paar von Trennwänden entlang der Länge der Reaktionsmittel-Sammelleitung angeordnet sind, „partiell getrennt” von den anderen Sammelleitungseinlässen oder Gruppen von Sammelleitungseinlässen. Auf gleiche Weise sind so eine Öffnung oder Gruppen von Öffnungen, welche zwischen einem Paar von Trennwänden entlang der Länge der Reaktionsmittel-Sammelleitung angeordnet sind, „teilweise getrennt” von den anderen Öffnungen oder Gruppen von Öffnungen.
Eine schematische Ansicht eines beispielhaften Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels, welcher für automobile Zwecke geeignet ist, ist im Querschnitt in 1a gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst einen Reihenstapel von im Allgemeinen rechteckigen, planaren, Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen 2. Der Querschnitt legt eine Oxidationsmittel-Strömungsfeldplatte 3 frei, welche eine Mehrzahl von parallelen, linearen Strömungsfeldkanälen umfasst, einen Oxidationsmitteleinlass-Übergangsbereich 4 und einen Oxidationsmittelauslass-Übergangsbereich 5. Der Stapel 1 umfasst auch eine Oxidationsmitteleinlass-Sammelleitung 6 und eine Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7, welche beide entlang der Länge des Stapels 1 verlaufen.
Ein Oxidationsmittel (Luft) tritt in die Oxidationsmitteleinlass-Sammelleitung 6 an einem Einlass 6a mit einer relativ hohen Geschwindigkeit für Zwecke der Verteilung ein. Das gegenüberliegende Ende der Oxidationsmitteleinlass-Sammelleitung 6 ist geschlossen, und daher ist die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels dort vergleichsweise niedrig. Die Oxidationsmitteleinlass-Sammelleitung 6 umfasst eine Mehrzahl von Sammelleitungsauslässen (drei pro Brennstoffzelle in dieser Ausführungsform) entlang der Länge des Stapels 1, welche fluidisch mit jeweiligen Oxidationsmittel-Einlasskanälen in jeder Brennstoffzelle 2 verbunden sind. Weder diese Sammelleitungsauslässe noch die Oxidationsmittel-Einlasskanäle sind in 1a zu sehen. In gleicher Weise verlässt, nach einem Hindurchströmen durch die Brennstoffzellen 2, das an Sauerstoff verarmte Oxidationsmittel den Stapel 1 aus der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 an einem Auslass 7a mit einer relativ hohen Geschwindigkeit. Das gegenüberliegende Ende der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 ist geschlossen, und daher ist die Geschwindkigkeit des Oxidationsmittels dort vergleichsweise niedrig. Die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 umfasst auch zahlreiche Sammelleitungseinlässe (wiederum drei pro Brennstoffzelle in dieser Ausführungsform) entlang der Länge des Stapels 1, welche fludisch mit jeweiligen Oxidationsmittel-Auslasskanälen in jeder Brennstoffzelle 2 verbunden sind. Wiederum sind weder diese Sammelleitungseinlässe noch die Oxidationsmittel-Auslasskanäle in 1a zu sehen.
In 1a ist des Weiteren in der Nähe der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 ein einheitlicher Einsatz 10 der Erfindung gezeigt. Für Zwecke der Veranschaulichung ist der einheitliche Einsatz 10 aus der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 entfernt gezeigt, aber er ist andererseits so orientiert, als wenn er darin eingebracht wäre.
1b zeigt eine vergrößerte Ansicht von einigen der Mehrzahl der Einlässe in die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7, welche mit den Oxidationsmittel-Auslasskanälen (nicht sichtbar) der Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 von 1a fluidisch verbunden sind. Hier sind Einlässe 11 (drei pro Brennstoffzelle 2) nahe dem Auslass 7a der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 gezeigt.
Ohne dass der erfindungsgemäße einheitliche Einsatz 10 (oder eine entsprechende festgelegte Struktur) in den Brennstoffzellenstapel 1 eingebracht ist, verlässt während des normalen Betriebs und während Spülungen eine Reihe von Strahlströmen die Brennstoffzellen 2 aus deren Oxidationsmittel-Auslasskanälen (nicht sichtbar) und tritt in die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 durch die Mehrzahl der Sammelleitungseinlässe 11 ein. Diese Strahlströme enthalten üblicherweise flüssiges Wasser. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Strahlströmen und der Hauptströmung in der Sammelleitung 7 kann eine komplexe, turbulente Strömungsstruktur darin schaffen, insbesondere bei hohen Lasten. Zum Beispiel herrschen in dem geschlossenen Endbereich (dem Auslass 7a gegenüberliegend) die Strahlströme vor, und dort kann eine starke Verwirbelungsströmung vorliegen. In dem offenen Endbereich (nahe dem Auslass 7a) herrscht die Hauptströmung in der Sammelleitung 7 vor, und dort kann eine starke Scherströmung vorliegen. Und dazwischen tragen sowohl die Strahlströme als auch die Hauptströmung wesentlich bei. Insgesamt hängt das Verhalten des flüssigen Wassers in der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 von der Lage einer jeweiligen Brennstoffzelle 2 und der Strömungsstruktur um diese herum ab. Obwohl der überwiegende Anteil des flüssigen Wassers der Hauptströmung hin zu dem Auslass 7a folgt, können geringe Menge Wasser in der Sammelleitung 7 verbleiben, und zwar insbesondere um die Einlässe 11 herum. In dem geschlossenen Endbereich der Sammelleitung 7 kann sich flüssiges Wasser ebenfalls auf Grund des Mangels einer Hauptströmung darin ansammeln.
Wenn der Brennstoffzellenstapel heruntergefahren und aufbewahrt wird, kann sich flüssiges Wasser in der Sammelleitung 7 umher bewegen. Abhängig von der Ausrichtung des Stapels 1 kann flüssiges Wasser sich auch in dem geschlossenen Endbereich der Sammelleitung 7 ansammeln und die Einlässe 11 blockieren oder die Oxidationsmittel-Auslasskanäle, welche mit diesen verbunden sind. In der Folge können sich dort, auf Grund eines anschließenden Ausgesetztseins gegenüber Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, unerwünschte partielle oder vollständige Eisblockaden ausbilden.
Die vorliegende Erfindung stellt alternative Gestaltungen der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung bereit, welche die Bewegung flüssigen Wassers durch die Sammelleitung besser regeln und kontrollieren. Diese Gestaltungen dienen den folgenden Funktionen: während des Betriebs des Stapels und einer Spülung flüssiges Wasser vom Gas zu trennen; die Veränderlichkeit der Wechselwirkungen zwischen den Strahlströmen und der Hauptströmung in der Sammelleitung zu minimieren; und Wasser von den Oxidationsmittel-Auslasskanälen nach dem Herunterfahren fernzuhalten.
2a zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, nämlich den einheitlichen Einsatz 10, welcher auch in 1a auftauchte. Um ein elektrisches Kurzschließen der benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel zu verhindern, ist der einheitliche Einsatz bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet. Der einheitliche Einsatz 10 kann bequem in die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 eingebracht (oder daraus entfernt) werden. Alternativ kann, falls gewünscht, dieselbe Struktur in die Sammelleitung 7 hineingebaut werden (das heißt die Struktur und die Sammelleitung sind als ein einziges Stück ausgebildet).
Die Struktur des einheitlichen Einsatzes 10 umfasst einen Teiler 12, welcher dazu dient, die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 in einen oberen Kanalabschnitt 13 und einen unteren Hauptströmungsabschnitt 14 zu teilen. Der obere Kanalabschnitt 13 ist direkt mit den Sammelleitungseinlässen (nicht gezeigt) für das Oxidationsmittel verbunden. Der untere Hauptströmungsabschnitt 14 ist direkt mit dem Oxidationsmittel-Sammelleitungsauslass 7a verbunden. Der Teiler 12 umfasst eine Mehrzahl von Öffnungen 15, welche dazu dienen, den Kanalabschnitt 13 mit dem Hauptströmungsabschnitt 14 fluidisch zu verbinden. Der Teiler 12 umfasst auch eine Mehrzahl von Trennwänden 16, welche die Öffnungen 15 teilweise trennen, wie dies in 2a ersichtlich ist. Dennoch dienen zusätzlich, wenn sie in die Sammelleitung 7 eingebracht sind, die Mehrzahl der Trennwände 16 auch dazu, teilweise die Sammelleitungseinlässe für das Oxidationsmittel in dem Kanalabschnitt 13 zu trennen. Wie in 2a dargestellt würden die Trennwände 16 teilweise die Sammelleitungseinlässe für das Oxidationsmittel in vier Gruppen teilen. Um das Ablaufen von Wasser aus dem Kanalabschnitt 13 in den Hauptströmungsabschnitt 14 durch die Öffnungen 15 hindurch zu unterstützen, tritt der Teiler 12 in diskreten, geneigten Abschnitten zwischen den Trennwänden 16 auf. Die geneigten Abschnitte bilden einen Winkel α bezüglich der Horizontalen entlang der Richtung der Länge des einheitlichen Einsatzes 10. Man beachte, dass der Teiler 12 auch bezüglich der Horizontalen entlang der Richtung der Breite des einheitlichen Einsatzes 10 geneigt sein könnte (nicht gezeigt in 2a, ist aber gezeigt in 2b), um wiederum das Ablaufen des Wassers aus dem Kanalabschnitt 13 zu unterstützen.
Der Ansatz von Gestaltungen wie der des einheitlichen Einsatzes 10 in 2a ist idealerweise, um ähnliche und vorhersagbare Strömungsmuster für alle Brennstoffzellen in dem Stapel zu schaffen, unabhängig von ihrer Lage. In der Praxis werden Gruppen bescheidener Größe voneinander getrennt, indem die Trennwände 16 verwendet werden. Zum Beispiel ist es in einem Brennstoffzellenstapel von 150 Zellen eine brauchbare Option, Trennwände einzusetzen, welche die Strahlströme von Gruppen von etwa 30 Brennstoffzellen jeweils von dem Rest der Strahlströme in den anderen Gruppen trennen.
Bei Verwendung der Ausführungsform von 2a leiten sowohl die stromlinienförmigen Wände des einheitlichen Einsatzes 10 und der stromlinienförmige Teiler 12 flüssiges Wasser hin zu den Öffnungen 15, welche so als Drainageöffnungen für den Kanalabschnitt 13 dienen. Der Teiler 12 verhindert, dass flüssiges Wasser sich zurück zu den Einlässen 11 und zu den Oxidationsmittel-Auslasskanälen bewegt, welche mit diesen verbunden sind. Des Weiteren wird das flüssige Wasser von dem Gasstrom während des Betriebs und des Spülens getrennt und wird daher von den Oxidationsmittel-Auslasskanälen nach dem Herunterfahren ferngehalten, wodurch die Möglichkeit von Eisblockaden minimiert wird.
Obwohl es nicht entscheidend ist dies zu tun, kann die Gestaltung des einheitlichen Einsatzes 10 zweckmäßig auf einer Reihe von sich wiederholenden Einheiten beruhen. 2b zeigt eine vergrößerte Ansicht einer sich wiederholenden Einheit, welche derjenigen ähnlich ist, welche in der Ausführungsform von 2a verwendet wird. Die Ausführungsform von 2b beinhaltet jedoch Einrichtungen mit Dochtwirkung 17, welche auf der Oberfläche des Teilers 12 eingebracht sind, um die Bewegung des flüssigen Wassers zu unterstützen, indem es durch die Dochtwirkung hin zu den Öffnungen 15 geleitet wird. Auch taucht in 2b ein Satz Achsen auf, welche die Richtungen der Länge, der Breite und der Höhe bezeichnen, auf welche vorliegend Bezug genommen wird.
Die sich wiederholende Einheit, welche in 2b gezeigt ist, weist ein Paar von Trennwänden 16a und 16b auf. Wenn der einheitliche Einsatz in die Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 eingesetzt ist, bildet eine Anzahl N an Oxidationsmittel-Auslasskanälen eine Gruppe, welche teilweise durch die Trennwände 16a und 16b von den anderen Oxidationsmittel-Auslasskanälen oder Gruppen davon in der Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung 7 getrennt ist. Wie in 2b gezeigt, ist die Öffnung 15 an eine erste des Paars der Trennwände angrenzend angeordnet, nämlich an die Trennwand 16a, und beabstandet von einer zweiten des Paars der Trennwände, nämlich von der Trennwand 16b. Wie auch gezeigt ist die Öffnung 15 an der Rückseite des einheitlichen Einsatzes 10 am Weitesten entfernt von dem Leser angeordnet (das heißt, auf der Seite des Teilers 12, welche den Oxidationsmittel-Auslasskanälen gegenüberliegt).
Der Fachmann wird feststellen, dass die geeignete Anzahl der Merkmale und die geeigneten Abmessungen für die Merkmale in den einheitlichen Einsätzen der Erfindung von den Besonderheiten des beteiligten Brennstoffzellenstapels abhängen. Und es wird erwartet, dass der Fachmann in der Lage sein wird, geeignete Festlegungen in dieser Hinsicht auf der Basis der vorstehenden Offenbarung zu machen. Als weitere Orientierung kann jedoch, in beispielhaften Ausführungsformen, der Teiler so angeordnet sein, dass jeweils der Kanalabschnitt und der Hauptströmungsabschnitt in etwa die gleiche Größe aufweisen (zum Beispiel Höhe des Kanalabschnitts etwa halbe Höhe der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung). Es sollte beachtet werden, die Möglichkeit einer Strömungsteilung von Zelle zu Zelle zu minimieren. Beachtung sollte des Weiteren dem Oberflächenprofil und den Merkmalen auf dem Teiler (zum Beispiel wie etwa Neigung, Benetzbarkeit, Einrichtungen mit Dochtwirkung) geschenkt werden, um einen verbesserten Transport von Wasser sicherzustellen.
Im Hinblick auf die Größe der Trennwände sind diese bevorzugt kleiner als die Breite der Sammelleitung, um zu verhindern, dass die Oxidationsmittel-Auslasskanäle blockiert werden und auch um einen zweiten Fluchtpfad für die Strahlströme in dem schlimmsten Fall bereitzustellen, wenn Blockaden vorhanden sind. Zum Beispiel kann für einen angemessenen Umfang an Trennung gesorgt werden, indem die Trennwände sich über etwa 0,8 der Breite der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung erstrecken. In einer beispielhaften Gestaltung, welche die sich wiederholende Einheit (zum Beispiel 2b) beinhaltet, ist jede Öffnung an einem vergleichsweise niedrigen Punkt entlang der Oberfläche des Teilers angeordnet, und zwar angrenzend an eine Trennwand. (Jedoch kann ein ausreichender Abstand zwischen der ersten Öffnung und dem Ablauf des Brennstoffzellenstapels vorgesehen werden, um ein verfügbares Volumen für gesammeltes Wasser bereitzustellen, ohne die Auslasskanäle zu blockieren.) Beim Bestimmen der offenen Fläche der Öffnungen müssen im Hinblick auf den Druckverlust Überlegungen angestellt werden. Zum Beispiel in Ausführungsformen, in welchen die Trennwände die Sammelleitungseinlässe in Gruppen trennen, welche mit N Brennstoffzellen verbunden sind, kann eine geeignete offene Fläche für die Öffnungen etwa 1/16 des Produkts der Länge und Breite der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung geteilt durch N betragen. Jedoch können auch andere Beträge für die offene Fläche für die Öffnungen bevorzugt werden, und des Weiteren können die Öffnungen in unterschiedlichen Gruppen sogar von unterschiedlicher Größe sein.
Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.
Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Zum Beispiel ist die Erfindung insbesondere nützlich, um Eisblockaden in den Oxidationsmittelauslass-Sammelleitungen von solchen Brennstoffzellenstapeln zu verhindern. Jedoch kann sie auch in den Brennstoffauslass-Sammelleitungen von Brennstoffzellenstapeln genauso nützlich sein. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.

Claims

Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel, welcher eine Mehrzahl von Feststoff-Polymer-Elektrolyt Brennstoffzellen umfasst, welche in Reihe gestapelt sind, wobei jede Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode, einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten, wenigstens einen Reaktionsmittel-Einlasskanal und wenigstens einen Reaktionsmittel-Auslasskanal umfasst, und wobei der Stapel eine Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung umfasst, welche eine Länge, Breite und Höhe aufweist, wobei die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung einen Sammelleitungsauslass und eine Mehrzahl von Sammelleitungseinlässen umfasst, welche fluidisch mit den Reaktionsmittel-Auslasskanälen einer jeden Brennstoffzelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung umfasst: einen Teiler, welcher die Sammelleitung in einen oberen Kanalabschnitt, welcher direkt mit den Sammelleitungseinlässen verbunden ist, und einen unteren Hauptströmungsabschnitt teilt, welcher direkt mit dem Sammelleitungsauslass verbunden ist, wobei der Teiler eine Mehrzahl von Öffnungen umfasst, welche den Kanalabschnitt mit dem Hauptströmungsabschnitt fluidisch verbinden; und wenigstens eine Trennwand in dem Kanalabschnitt, welche die Sammelleitungseinlässe in dem Kanalabschnitt teilweise trennt, und welche die Öffnungen in dem Kanalabschnitt teilweise trennt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei das Reaktionsmittel ein Oxidationsmittel ist, wobei der wenigstens eine Reaktionsmittel-Auslasskanal wenigstens ein Oxidationsmittel-Auslasskanal ist, und wobei die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung eine Oxidationsmittelauslass-Sammelleitung ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei jede Brennstoffzelle mehr als oder gleich drei Oxidationsmittel-Auslasskanäle umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Stapel mehr als oder gleich 150 Brennstoffzellen in Reihe umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Höhe des Kanalabschnitts etwa die Hälfte der Höhe der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung beträgt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung eine Mehrzahl von Trennwänden in dem Kanalabschnitt umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei die Trennwände die Mehrzahl der Sammelleitungseinlässe in Gruppen trennt, wobei jede Gruppe der Sammelleitungseinlässe fluidisch mit den Auslasskanälen einer Zahl N an Brennstoffzellen verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei N größer als oder gleich etwa 30 ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei die Trennwände sich über etwa 0,8 der Breite der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung erstrecken.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei jede Öffnung teilweise von den anderen Öffnungen durch ein Paar der Trennwände getrennt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei jede Öffnung an eine erste des Paars der Trennwände angrenzend und beabstandet von der zweiten des Paars der Trennwände angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei jede Öffnung auf der Seite des Teilers angeordnet ist, welche den Reaktionsmittel-Auslasskanälen gegenüber liegt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei die Fläche jeder Öffnung etwa 1/16 des Produkts der Länge und Breite der Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung geteilt durch N beträgt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei der Teiler von der zweiten zu der ersten des Paars der Trennwände abwärts geneigt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, wobei der Teiler bei etwa 20 Grad abwärts geneigt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Teilers Einrichtungen mit Dochtwirkung umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Reaktionsmittel-Sammelleitungsauslass einen einheitlichen Einsatz umfasst, welcher den Teiler, die Mehrzahl der Öffnungen und die wenigstens eine Trennwand umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei der einheitliche Einsatz elektrisch nicht leitend ist.
Verfahren zum Verhindern einer Ausbildung von Eisblockaden in einem Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel bei Bedingungen unter dem Gefrierpunkt, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen umfasst, welche in Reihe gestapelt sind, wobei jede Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode, einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten, wenigstens einen Reaktionsmittel-Einlasskanal und wenigstens einen Reaktionsmittel-Auslasskanal umfasst, wobei der Stapel eine Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung umfasst, welche eine Länge, Breite und Höhe aufweist, wobei die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung einen Sammelleitungsauslass und eine Mehrzahl von Sammelleitungseinlässen umfasst, welche fluidisch mit den Reaktionsmittel-Auslasskanälen jeder Brennstoffzelle verbunden sind, und wobei das Verfahren umfasst: Einbringen eines Teilers in die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung derart, dass der Teiler die Sammelleitung in einen oberen Kanalabschnitt, welcher direkt mit den Sammelleitungseinlässen verbunden ist, und in einen unteren Hauptströmungsabschnitt teilt, welcher direkt mit dem Sammelleitungsauslass verbunden ist, und derart, dass der Teiler eine Mehrzahl von Öffnungen umfasst, welche den Kanalabschnitt mit dem Hauptströmungsabschnitt fluidisch verbinden; und Einbringen wenigstens einer Trennwand in den Kanalabschnitt, welche teilweise die Sammelleitungseinlässe in dem Kanalabschnitt trennt, und welche teilweise die Öffnungen in dem Kanalabschnitt trennt.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend ein Einbringen eines einheitlichen Einsatzes in die Reaktionsmittelauslass-Sammelleitung, wobei der einheitliche Einsatz den Teiler, die Mehrzahl der Öffnungen und die wenigstens eine Trennwand umfasst.