DE102015214188A1

DE102015214188A1 - Stapelanordnung umfassend zwei Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102015214188A1
Application number: DE102015214188.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Zillich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stapelanordnung (10) für ein Brennstoffzellensystem, die mindestens zwei in Stapelrichtung geschichtete und durch ein Federsystem (17) auf Druck gehaltene Brennstoffzellenstapel (19) und Anschlüsse für die Medienversorgung aufweist. Es ist vorgesehen, dass das Federsystem (17) und/oder die Anschlüsse für die Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln (19) angeordnet ist beziehungsweise sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stapelanordnung für ein Brennstoffzellensystem, die mindestens zwei in Stapelrichtung geschichtete und durch ein Federsystem auf Druck gehaltene Brennstoffzellenstapel und Öffnungen zur Medienversorgung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federsystem und/oder die Öffnungen zur Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welcher beziehungsweise welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isolieren, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefügt, um die Leistung des Brennstoffzellensystems zu erhöhen. Die einzelnen Brennstoffzellen sind hierbei elektrisch in Reihe miteinander verschaltet. Die Brennstoffzellen können dabei in mehrere Stapel angeordnet sein, um deren physische Stabilität zu erhöhen beziehungsweise einem unerwünschten Absinken der Leistungsdichte entgegenzuwirken. Allerdings weisen derartige Brennstoffzellensysteme wegen deren Bedarfs an zusätzlichen Bauteilen einen größeren Platzbedarf auf.
Gemäß DE 11 2004 002 300 T5 wird die Stabilität eines Brennstoffzellensystems durch eine Vielzahl von in Reihe gestapelten Mehrzellenmodulen erhöht, die voneinander durch jeweils an gegenüberliegenden Enden der Mehrzellenmodule angeordnete Beschränkungselemente getrennt sind. An einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnete Federpakete wirken einem Spannsystem derart entgegen, dass die Mehrzellenmodule unter Druck gehalten werden. Nachteilig an derartigen Brennstoffzellenstapeln sind die recht großen Abmessungen und der hohe Bedarf an Bauteilen, da beispielsweise jedes Mehrzellenmodul zwei Beschränkungselemente aufweist.
Aus US 6,251,534 B1 ist eine Schaltungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem bekannt, das bei hoher Leistungsabnahme die Unterversorgung des zuletzt durchströmten Brennstoffzellenstapels infolge eines durch den zuerst durchströmten Brennstoffzellenstapel erfolgten Betriebsmitteldruckabfalls verhindert. Dies wird dadurch erreicht, dass zwei Brennstoffzellenstapel parallel mit Betriebsgas durchströmt werden. Wie die zwei Brennstoffzellenstapel raumsparend angeordnet werden können, wird nicht offenbart.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Stapelanordnung für ein Brennstoffzellenmodul vorzuschlagen, die die Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise behebt. Insbesondere soll eine aus wenigen Bauteilen bestehende, raumsparend ausgestaltete Anordnung bereitgestellt werden, die dennoch den Abfall der Leistungsdichte bei Verwendung einer Vielzahl von geschichteten Brennstoffzellen verhindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Stapelanordnung für ein Brennstoffzellensystem sowie durch ein entsprechend eingerichtetes Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft somit eine Stapelanordnung für ein Brennstoffzellensystem, die mindestens zwei in Stapelrichtung geschichtete und durch ein Federsystem auf Druck gehaltene Brennstoffzellenstapel und Anschlüsse für die Medienversorgung aufweist. Erfindungsgemäß ist beziehungsweise sind das Federsystem und/oder die Anschlüsse für die Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordnet. Die Erfindung umfasst also drei mögliche Anordnungen, wobei allen Anordnungen ein zwischen zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnetes Zentralelement, welches wahlweise das Federsystem oder die Medienanschlüsse oder beide aufweist, gemeinsam ist.
Um die Stapelanordnung mit dem Betriebsmedium beziehungsweise den Betriebsmedien zu versorgen und Abgase abzuleiten, sind Ein- und Auslassanschlüsse vorgesehen. Beispielsweise dienen ein Anodeneinlass zur Zuführung eines Anodenbetriebsmediums, beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume der Stapelanordnung und ein Anodenauslass zur Abführung des Abgases. Ein Kathodeneinlass gewährleistet die Versorgung der Kathodenräume der Stapelanordnung mit sauerstoffhaltigem Kathodenbetriebsmedium, insbesondere Luft. Ein Kathodenauslass führt das Kathodenabgas aus den Kathodenräumen der Stapelanordnung ab. Ein weiterer Ein- und Auslass steht mit einem optionalen Kühlmittelpfad in Verbindung.
Damit die einzelnen Brennstoffzellen fluiddicht miteinander verbunden sind, werden sie mit einem Federsystem, welches die Brennstoffzellen in Stapelrichtung gegeneinander drückt, auf Druck gehalten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwischen zwei Brennstoffstapel angeordnete Federpakete die Brennstoffzellen beider Stapel gegen eine der Federkraft entgegengerichtete Kraft eines Spannsystems drückt.
Beispielsweise kann ein Spannsystem Endplatten umfassen, die auf voneinander abgewandten Enden der Brennstoffzellenstapel geschichtet werden. Die Endplatten können miteinander durch sich außerhalb der übrigen Stapelanordnung (das heißt außerhalb der Brennstoffzellen und außerhalb des Zentralelements) erstreckende Gurte oder Stangen verbunden werden. Es ist außerdem vorgesehen, dass die Endplatten die Öffnungen zur Medienversorgung oder das Federsystem beherbergen können.
Gemäß einer ersten Anordnung ist vorgesehen, dass das Federsystem zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist und die Anschlüsse für die Medienversorgung an den dem Federsystem abgewandten Enden der Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Beispielsweise befinden sich die Anschlüsse an den voneinander abgewandten Enden zweier aneinander angrenzender Brennstoffzellenstapel. Vorteilhafterweise wird so eine kompakte Bauweise erreicht. Indem das Federsystem die angrenzenden Stapel in entgegengesetzte Richtungen gegen das Spannsystem drängt, wird darüber hinaus eine wirksame Verspannung gewährleistet.
Eine ähnlich kompakte Bauform lässt sich gemäß einer zweiten Anordnung erreichen. Hier sind die Anschlüsse für die Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordnet und das Federsystem ist an den gegenüberliegenden Stapelenden angeordnet. Außerdem ist es so möglich, durch jeweils einen gemeinsamen Ein- und Auslass zwei angrenzende Stapel gemeinsam mit den Betriebsmedien, beispielsweise Brennstoff und Luft, zu versorgen. Insbesondere sind die Anschlüsse für die Medienversorgung in einem zwischen den beiden Brennstoffzellenstapeln angeordneten Zentralelement angeordnet, das hier als Medienversorgungsplatte ausgebildet ist.
Selbstverständlich ist es möglich, die Vorteile der beiden Ausgestaltungen zumindest teilweise miteinander zu kombinieren, indem sowohl das Federsystem als auch die Anschlüsse für die Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln liegen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend die hier beschriebene Stapelanordnung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Fahrzeug, das einen Elektromotor als Traktionsmotor aufweist, mit dem allein oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor das Fahrzeug angetrieben wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Stapelanordnung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine Stapelanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
3 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung; und
4 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und mit elektronischen Komponenten gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt eine Stapelanordnung 10 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Stapelanordnung 10 umfasst vorliegend zwei Brennstoffzellenstapel 19, welche jeweils eine Vielzahl geschichteter Einzelbrennstoffzellen 11 aufweisen, beispielsweise 100 oder mehr Einzelbrennstoffzellen 11. Aus 3 wird deutlich, dass jede Einzelbrennstoffzelle 11 jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13 umfasst, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt in 3). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 15 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
Mit S ist in 1 die Stapelrichtung sowohl der Einzelbrennstoffzellen 11 innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 19 als auch die der beiden Brennstoffzellenstapel 19 innerhalb der Stapelanordnung 10 bezeichnet. Somit entspricht die Stapelrichtung S der Einzelbrennstoffzellen 11 der der Brennstoffzellenstapel 19.
Die Brennstoffzellenstapel 19 sind durch ein Zentralelement 16, das vorliegend mehrteilig umfassend zwei Federplatten ausgestaltet ist, voneinander getrennt. Im Zentralelement 16 angeordnete Federpakete 17 (hier vier Stück) bilden zusammen mit einem Spannsystem 18 eine die zwei Brennstoffzellenstapel 19 fixierende Einheit aus. Die Federpakete 17 sind jeweils in Aussparungen des Zentralelements 16 beziehungsweise dessen Federplatten angeordnet, wobei sich jeweils zwei Federpakete 17 einerseits gegeneinander und andererseits an einer Abstützfläche des Zentralelements 16 beziehungsweise einer Federplatte abstützen. Alternativ kann auch nur jeweils ein Federpaket 17 innerhalb zweier aneinandergrenzender Aussparungen des zweiteiligen Zentralelements 16 angeordnet sein und sich beidseitig gegen jeweils eine Abstützfläche abstützen. Auf der anderen Seite sind die Brennstoffzellenstapel 19 ferner durch jeweils eine außen liegende Endplatte begrenzt. Das Spannsystem 18 umfasst beispielsweise Spannstangen oder Spanngurte, die außerhalb der Brennstoffzellenstapel 19 angeordnet sind und jeweils beidseitig mit den endständigen Endplatten der Brennstoffzellenstapel 19 verbunden sind. Das Spannsystem 18 beaufschlagt die beiden endständigen Endplatten mit einer Kraft, die in Richtung des Zentralelements 16 wirkt. Die Federpakete 17 drängen die beiden Federplatten des Zentralelements 16 und somit die beiden Brennstoffzellenstapel 19 und deren Einzelbrennstoffzellen 11 in Stapelrichtung S gegen die miteinander durch das Spannsystem 18 verbundenen Endplatten und halten diese dort unter Druck. Anders gesagt, bewirken die Federpakete 17 eine Spreizbewegung des mehrteiligen Zentralelements 16, sodass sich die den Brennstoffzellenstapeln 19 benachbarten Federplatten des Zentralelements 16 in entgegengesetzter Stapelrichtung S voneinander wegbewegen. Die Federkraft der Federpakete 17 wirkt somit der Spannkraft des Spannsystems 18 entgegen, sodass die Einzelbrennstoffzellen 11 jedes Brennstoffzellenstapels 19 einerseits durch die Federplatten des Zentralelements 16 und andererseits durch die außen liegende Endplatte gegeneinander verpresst werden.
Um die Brennstoffzellenstapel 19 mit Medien zu versorgen, sind die voneinander abgewandten Enden der Brennstoffzellenstapel 19, hier die Endplatten ausgebildet, jeweils mit dem Anoden- und/oder Kathodenversorgungspfad 21, 31 und jeweils mit dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 verbunden zu werden und weisen zu diesem Zweck entsprechende Medienanschlüsse auf. In dieser Konfiguration sind die die beiden Brennstoffzellenstapel 19 einschließenden Endplatten jeweils als Medienversorgungsplatte ausgebildet, sodass jeder Brennstoffzellenstapel 19 über eine eigene endständige Endplatte/Medienversorgungsplatte mit den Betriebsmedien versorgt wird. Somit weist jede Endplatte jeweils einen Anschluss an einem Anoden- und einen Kathodenversorgungspfad 21, 31 und jeweils einen Anschluss an einem Anoden- und einen Kathodenabgaspfad 22, 32 auf (siehe auch 3). Zudem können jeweils Anschlüsse für ein Kühlmittelzulauf und -ablauf vorgesehen sein (nicht dargestellt). Über diese Anschlüsse wird jeder der beiden Stapel 19 separat mit den entsprechenden Betriebsmitteln versorgt. Zu diesem Zweck erstrecken sich hier nicht sichtbare Hauptmedienkanäle in Stapelrichtung S durch die Brennstoffzellenstapel 19 und führen den Einzelzellen 11 die Betriebsmedien zu beziehungsweise führen die entsprechenden Abgase aus den Einzelzellen 11 ab.
2 zeigt eine Stapelanordnung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Stapelanordnung 10 zeigt eine Vielzahl zu zwei Brennstoffzellenstapeln 19 geschichteter Brennstoffeinzelzellen 11. Die Brennstoffzellenstapel 19 sind durch ein Zentralelement 16, das vorliegend einteilig ausgestaltet ist, voneinander getrennt. Das Zentralelement 16 ist in dieser Ausgestaltung als Medienversorgungsplatte ausgebildet und weist jeweils einen Anschluss an einen Anoden- und einen Kathodenversorgungspfad 21, 31 und jeweils einen Anschluss an einen Anoden- und einen Kathodenabgaspfad 22, 32 auf (siehe auch 3). Zudem können jeweils Anschlüsse für ein Kühlmittelzulauf und -ablauf vorgesehen sein (nicht dargestellt). Über diese Anschlüsse wird jeder der beiden Stapel 19 mit den entsprechenden Betriebsmitteln versorgt. Auf diese Weise ist ein paralleles Durchströmen beider Brennstoffzellenstapel 19 mit den Betriebsmedien über eine gemeinsame Medienversorgung möglich.
Jeweils beispielsweise zwei Federpakete 17 sind an den voneinander abgewandten Enden der Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet. Die Federpakete 17 sind jeweils in Aussparungen innerhalb von außen angeordneten und an den Endplatten anliegenden Federplatten angeordnet (in 2 jeweils ganz links und ganz rechts). Dabei stützt sich jedes Federpaket 17 einerseits an einer Abstützfläche der Federplatte und andererseits an einer der Endplatten der Brennstoffzellenstapel 19 ab. Die Federplatten sind ferner über das Spannsystem 18 miteinander verbunden, welche die Brennstoffzellenstapel 19 und deren Brennstoffeinzelzellen 11 zusätzlich verpressen. Sowohl das Spannsystem 18 als auch die Federpakete 17 beaufschlagen die beiden endständigen Federplatten mit einer Kraft, die in Stapelrichtung S in Richtung des Zentralelements 16 wirkt.
Zum Zwecke der Illustration umfassen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen zwei Brennstoffzellenstapel 19. Die Erfindung sieht jedoch auch einen oder mehrere weitere Brennstoffzellenstapel vor, die mit den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 kombiniert werden können. Beispielsweise kann sich die Anordnung gemäß 1 wiederholt in Stapelrichtung S fortsetzen. Zu diesem Zweck werden die Anschlüsse an die Anoden- und/oder Kathodenversorgungspfade 21, 31 beziehungsweise Anoden- und/oder Kathodenabgaspfade 22, 32 in den als Medienversorgungsplatten ausgebildeten Endplatten so angeordnet, dass sie von weiteren Stapelanordnungen nicht verschlossen werden. In ähnlicher Weise kann die Anordnung gemäß 2 um eine oder mehrere weiterer solcher Anordnungen ergänzt werden. In beiden Fällen werden die gesamten Brennstoffzellenstapel vorzugsweise durch eine gemeinsame Spannvorrichtung 18 gesichert. Im Fall der Anordnung nach 2 entfallen vorzugsweise für dazwischenliegende Anordnungen die Federpakete 17 mitsamt der diese beherbergenden Endplatten beziehungsweise Federplatten, sodass diese nur für die zwei endseitig angeordneten Brennstoffzellenstapel vorgesehen sind.
3 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine erfindungsgemäße Stapelanordnung, die als Kernkomponente im Brennstoffzellensystem 100 vorgesehen ist. Beispielsweise bezeichnet 10 die in den 1 oder 2 abgebildete Stapelanordnung.
Um die Stapelanordnung 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 der Stapelanordnung 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass der Stapelanordnung 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass der Stapelanordnung 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 der Stapelanordnung 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff der Stapelanordnung zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Stapelanordnung 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 der Stapelanordnung 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass der Stapelanordnung 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, den Betriebsdruck des Kathodenbetriebsmediums kurzfristig in der Stapelanordnung 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des die Stapelanordnung 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
4 zeigt ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem 100 aus 3, ein elektrisches Leistungssystem 40, ein Fahrzeugantriebssystem 50 sowie eine elektronische Steuereinrichtung 60 aufweist.
Das elektronische Leistungssystem 40 umfasst einen Spannungssensor 41 zur Erfassung einer von der Stapelanordnung 10 erzeugten Spannung sowie einen Stromsensor 42 zur Erfassung eines von der Stapelanordnung 10 erzeugten Stroms. Ferner umfasst das elektronische Leistungssystem 40 einen Energiespeicher 44, beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder einen Kondensator. Der Energiespeicher 44 ist über einen Wandler 45, insbesondere einen Hochvolt-Gleichstromwandler, mit dem Stromnetz verbunden. In gleicher oder ähnlicher Weise können das Brennstoffzellensystem selbst, dessen elektrische Verbraucher, beispielsweise der Elektromotor 34 des Verdichters 33 (siehe 1) mit dem Stromnetz verbunden sein oder andere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs, beispielsweise ein Kompressor für eine Klimaanlage und dergleichen.
Das Antriebssystem 50 umfasst einen Elektromotor 51, der als Traktionsmotor des Fahrzeugs 200 dient. Hierzu treibt der Elektromotor 51 eine Antriebsachse 52 mit daran angeordneten Antriebsrädern 53 an. Der Traktionsmotor 51 ist über einen Wechselrichter 43 mit dem elektronischen Leistungssystem 40 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden und stellt den elektrischen Hauptverbraucher des Systems dar.
Die elektronische Steuereinrichtung 60 steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere seine Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30, sein elektrisches Leistungssystem 40 sowie den Traktionsmotor 51. Zu diesem Zweck erhält die Steuereinrichtung 60 verschiedene Eingangssignale, beispielsweise die mit dem Spannungssensor 41 erfasste Spannung U der Brennstoffzelle 10, den mit dem Stromsensor 42 erfassten Strom I der Brennstoffzelle 10, Informationen über die Temperatur T der Brennstoffzelle 10, die Drücke p im Anoden- und/oder Kathodenraum 12, 13, den Ladezustand SOC des Energiespeichers 44, die Drehzahl n des Traktionsmotors 51 und weitere Eingangsgrößen. Insbesondere geht als weitere Eingangsgröße auch eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 200 angeforderte Fahrleistung P_W ein. Letztere Größe wird insbesondere aus der Stärke der Betätigung eines hier nicht dargestellten Fahrpedals über einen Pedalwertgeber erfasst. Ferner können angeforderte Leistungen P_aux der weiteren elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs 200 in die Steuerungseinrichtung 60 eingehen.
In Abhängigkeit von den Eingangsgrößen, insbesondere aus der Summe der angeforderten Fahrleistung P_W und der durch die Nebenverbraucher angeforderten Leistungen P_aux, ermittelt die Steuereinrichtung 60 eine insgesamt angeforderte Leistung der Stapelanordnung 10. Hieraus ermittelt die Steuereinrichtung aus Berechnungen oder entsprechend abgespeicherten Kennfeldern die erforderlichen Massenströme oder Betriebsdrücke des Anoden- und Kathodenbetriebsmediums und steuert den Elektromotor 34 des Verdichters 33 sowie die Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 an. Zudem steuert die Steuereinrichtung 60 den Wechselrichter 43, um den Traktionsmotor 51 mit Energie zu versorgen, sowie den Wandler 45 und andere Wandler, um den Energiespeicher 44 zu laden oder zu entladen und die an das Stromnetz angeschlossenen Verbraucher mit Energie zu versorgen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
200: Fahrzeug
10: Stapelanordnung
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
15: Bipolarplatte
16: Zentralelement
17: Federsystem / Federpaket
18: Spannsystem
19: Brennstoffzellenstapel
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
40: elektrisches Leistungssystem
41: Spannungssensor
42: Stromsensor
43: Wechselrichter
44: Energiespeicher /Batterie
45: Gleichstromwandler
50: Antriebssystem
51: Traktionsmotor
52: Antriebsachse
53: Antriebsräder
60: Steuereinrichtung
S: Stapelrichtung
U: Spannung
I: Strom
T: Temperatur der Brennstoffzelle
p: Drücke im Anoden- und Kathodenraum
SOC: Ladezustand des Energiespeichers
n: Drehzahl des Traktionsmotors
P_W: angeforderte Fahrleistung
P_aux: angeforderte Leistungen elektrischer Verbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112004002300 T5 [0005]
US 6251534 B1 [0006]

Claims

Stapelanordnung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), die zwei in Stapelrichtung (S) geschichtete durch ein Federsystem (17) auf Druck gehaltene Brennstoffzellenstapel (19) und Anschlüsse für die Medienversorgung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federsystem (17) und/oder die Anschlüsse für die Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln (19) angeordnet ist beziehungsweise sind.
Stapelanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federsystem (17) zwischen den Brennstoffzellenstapeln (19) angeordnet ist, insbesondere innerhalb eines Zentralelements (16), und die Anschlüsse für die Medienversorgung an gegenüberliegenden Stapelenden angeordnet sind.
Stapelanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für die Medienversorgung zwischen den Brennstoffzellenstapeln (19) angeordnet sind, insbesondere innerhalb eines Zentralelements (16), und das Federsystem (17) an den gegenüberliegenden Stapelenden angeordnet ist.
Stapelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für die Medienversorgung derart mit Medienversorgungs- und Medienabgaspfaden in Verbindung stehen, dass die Brennstoffzellenstapel parallel mit Medien versorgt werden.
Stapelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenstapel (19) durch ein gemeinsames Spannsystem (18) fixiert werden.
Stapelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelanordnung (10) weitere in Stapelrichtung geschichtete Brennstoffzellenstapel (19) aufweist.
Brennstoffzellensystem (100) umfassend die Stapelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Fahrzeug (200) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7.