DE102015216914A1

DE102015216914A1 - Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102015216914A1
Application number: DE102015216914.6A
Authority: DE
Inventors: Bu Kil Kwon; Yong Gyu Noh; Hyun Joon Lee; Young Mo Goo; Seung Eul Yoo
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-05-04
Also published as: KR20160050216A; KR101683992B1; CN105576270B; US20160126569A1; CN105576270A; US10476088B2

Abstract

Eine Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels ist geliefert, die durch Erwärmen von in den Stapel zugeführten Gasen unter Verwendung von Wärme des Stapels verhindert, dass Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gasen kondensiert wird, übermäßig in spezifische Zellen des Stapels strömt. Die Verteilervorrichtung verhindert auch eine Überflutung, die durch Flüssigkeit verursacht wird, die in Zellen erzeugt wird, die von einem Gaseinlass entfernt angeordnet sind, durch Beseitigen einer Strömungsratendifferenz von Gasen, die in entsprechenden Zellen basierend auf Abständen von dem Gaseinlass des Stapels erzeugt wird.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und genauer eine Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels, die eine Überflutung aufgrund von Flüssigkeit durch Erhöhen der Temperatur von Gasen, die in einen Stapel zugeführt werden, unter Verwendung von Wärme des Stapels und folglich vollständiges Verdampfen von in Gasen enthaltener Flüssigkeit verhindert.
(b) Hintergrund der Erfindung
Im Allgemeinen wird Wasserstoff der Anode eines Brennstoffzellenstapels als Brennstoff zugeführt. Zur Verbesserung des Nutzungsgrads von Wasserstoff oder der Reaktionsleistung des Brennstoffzellenstapels wird in der Anode ein Anodenabgas, das von dem Stapel abgeführt wird, wieder in den Brennstoffzellenstapel rückgeführt. Insbesondere wird das Anodenabgas mit Wasserstoff vermischt, der von einem Brennstoffbehälter neu zugeführt wird, und dann in den Stapel zugeführt. Von dem Brennstoffbehälter neu zugeführter Wasserstoff ist Wasserstoff mit einer gewöhnlichen Temperatur (z. B. Lufttemperatur), die sich in einem kalten und trockenen (relative Feuchtigkeit ~%) Zustand befindet. Zudem weist das Anodenabgas, das von dem Stapel abgeführt wird, eine im Wesentlichen hohe Temperatur auf und besteht aus einem feuchten Gas, das auf die Betriebstemperatur des Stapels erwärmt wird und durch Nässe bzw. Feuchtigkeit befeuchtet wird, die in der Kathode rückdiffundiert wird. Folglich nimmt die Temperatur des vermischten Gases bzw. Mischgases (z. B. neu zugeführter Wasserstoff + Anodenabgas) im Vergleich zu dem Anodenabgas ab und folglich wird eine erhebliche Menge flüssiges Wasser in dem Mischgas erzeugt.
Das in den Stapel eingeleitete Gas wird ferner mit neu zugeführtem Wasserstoff und rezirkulierendem Wasserstoff durch eine Rückführungseinrichtung, wie beispielsweise ein Ejektor oder ein Gebläse, vermischt und dann dem Stapel zugeführt. Insbesondere kann die Saugkraft des Ejektors oder des Gebläses auch verursachen, dass eine von dem Auslass des Stapels abgeführte Flüssigkeit rezirkuliert und in den Einlass des Stapels strömt. Insbesondere im Winter (z. B. Monate mit kälterer Witterung) kann der Zufluss solch einer Flüssigkeit eine erhebliche Leistungsverringerung (z. B. Spannungsabfall spezifischer Zellen) des Stapels verursachen, da die Temperatur des Brennstoffbehälters im Wesentlichen gering ist.
Genauer wird in Bezug auf 7, wenn Wasser in flüssigem Zustand in einen Brennstoffzellenstapel 10 strömt, Flüssigkeit in Zellen eingeleitet bzw. zugeführt, die an dem Einlass des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet sind, und folglich kann eine teilweise Verstopfung an Anodenkanälen von Zellen auftreten, die an der Seite des Einlasses angeordnet sind, wobei eine Anoden-Überflutung und schnelle Verringerung der Spannung (Leistung) der Zellen an der Seite des Einlasses verursacht wird.
Wie in 7 gezeigt, tritt zudem, wenn der Einlass und der Auslass der Anode an einer Seite des Stapels 10 angeordnet sind, eine wesentliche Strömungsratendifferenz (Differenzdruck) zwischen einer Zelle neben dem Einlass und dem Auslass und einer Zelle, die von dem Einlass und dem Auslass entfernt ist, auf. Mit anderen Worten weisen Zellen neben dem Einlass und dem Auslass eine schnelle Strömungsrate aufgrund eines kürzeren Rückführungsweges auf, wohingegen Zellen, die von dem Einlass und dem Auslass entfernt sind (z. B. in einem vorbestimmten Abstand von denselben sind), eine langsamere Strömungsrate aufgrund eines längeren Rückführungsweges aufweisen. Wenn eine geringfügige Flüssigkeit in Zellen neben dem Einlass und dem Auslass strömt, kann folglich Wasser mit einer schnellen Strömungsrate abgeführt werden. Bei den Zellen, die von dem Einlass und dem Auslass entfernt sind, kann jedoch eine Anoden-Überflutung verursacht werden, da flüssiges Wasser in dem Anodenkanal im Wesentlichen nicht abgeführt wird. Da ein Wärmeverlust in einer Endplatte des Stapels vorliegt, ist zudem eine überschüssige Flüssigkeit in Zellen, die an beiden Enden des Stapels angeordnet sind, im Vergleich zu anderen Zellen vorhanden. Da mehr Flüssigkeit in Zellen, die von dem Einlass und dem Auslass entfernt sind, als in Zellen in dem Stapel vorhanden ist, ist es folglich für Zellen, die von dem Einlass und dem Auslass entfernt sind, vorteilhafter, Flüssigkeit abzuführen.
Da Zellen, die von dem Einlass und dem Auslass entfernt sind, eine relativ geringe Wasserstoffkonzentration im Vergleich zu Zellen neben dem Einlass und dem Auslass aufweisen, wird des Weiteren die Wasserstoffkonzentration nicht gleichmäßig auf entsprechende Zellen verteilt. Wenn Wasser, das in den Anodenkanal jeder Zelle strömt, im Wesentlichen nicht abgeführt wird, wird ein Katalysator oder ein Katalysatorträger dauerhaft beschädigt. Im Allgemeinen kann in Zellen akkumuliertes Wasser durch Öffnen eines Ablassventils der Anode und somit unmittelbares Erhöhen der Strömungsrate von zirkulierendem Gas abgeführt werden, aber in diesem Fall wird ein Verlust eines Brennstoffes hervorgerufen. Üblicherweise kann eine Überflutung in der Kathode des Stapels durch Erhöhen der Zufuhrmenge von Luft beseitigt werden.
Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der jemandem mit gewöhnlichen technischen Fähigkeiten hierzulande bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels, die verhindern kann, dass Feuchtigkeit (z. B. Flüssigkeit), die in dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gasen kondensiert wird, übermäßig in spezifische Zellen des Stapels strömt, und eine Überflutung, die durch Flüssigkeit verursacht wird, die in Zellen erzeugt wird, die von dem Gaseinlass entfernt angeordnet sind, durch Beseitigen einer Strömungsratendifferenz von Gasen verhindern kann, die in entsprechenden Zellen basierend auf Abständen von dem Gaseinlass des Stapels erzeugt wird.
In einem Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels, die Folgendes enthalten kann: einen Gaszufuhrweg, der zum Zuführen eines Gases in einen Brennstoffzellenstapel konfiguriert ist, der eine Vielzahl von Zellen enthält, die in demselben in einer Linie (z. B. linear) gestapelt sind; und einen Gasabfuhrweg, der zum Abführen des Gases von dem Brennstoffzellenstapel konfiguriert ist, wobei der Gaszufuhrweg einen Gas-Erwärmungsteil, der zum Erwärmen des in den Brennstoffzellenstapel zugeführten Gases unter Verwendung von Wärme des Brennstoffzellenstapels und Verdampfen von Flüssigkeit konfiguriert ist, die in dem Gas enthalten ist, und einen Gaszufuhrteil enthalten kann, der zum Zuführen des von dem Gas-Erwärmungsteil strömenden Gases zu jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels konfiguriert ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear (z. B. entlang einer geraden Linie) nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann von einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels linear nach oben erstrecken, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Insbesondere kann der Gas-Erwärmungsteil an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein, wobei derselbe dem Gasabfuhrweg gegenüberliegt, der an der anderen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann sich der Gas-Erwärmungsteil an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann von einem hinteren Ende der Oberseite des Brennstoffzellenstapels linear nach links und nach rechts erstrecken, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Insbesondere kann der Gas-Erwärmungsteil an entweder einer linken oder einen rechten Seite der Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein und folglich über dem Gasabfuhrweg angeordnet sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels wie der Gas-Erwärmungsteil angeordnet ist.
Bei noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann an einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels diagonal erstrecken, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Insbesondere kann sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann von einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels linear nach links und nach rechts erstrecken und wieder nach oben erstrecken, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Bei wieder einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann von einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels nach oben erstrecken und sich wieder nach links und nach rechts erstrecken, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Insbesondere kann der Gas-Erwärmungsteil an entweder der linken oder rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein und folglich über dem Gasabfuhrweg angeordnet sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels wie der Gas-Erwärmungsteil angeordnet ist.
Bei noch einer wieder anderen beispielhaften Ausführungsform kann sich der Gasabfuhrweg an entweder der linken oder rechten Seite des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich der Gaszufuhrteil des Gaszufuhrweges an einer dem Gasabfuhrweg gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels nach vorne und nach hinten erstrecken, wobei sich derselbe mit einem Gaskanal verbindet, der in jeder Zelle angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass das Gas in demselben strömt. Insbesondere kann der Gaskanal ein Anodenkanal jeder Zelle sein, die den Brennstoffzellenstapel bildet, oder der Gaskanal ein Kathodenkanal jeder Zelle sein, die den Brennstoffzellenstapel bildet.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann in dem Brennstoffzellenstapel jede Zelle ungefähr die gleiche Bewegungsstrecke des Gases aufweisen, während das Gas, das durch den Gas-Erwärmungsteil erwärmt wird, in jede Zelle über den Gaszufuhrteil zugeführt wird und dann von dem Brennstoffzellenstapel durch den Gasabfuhrweg abgeführt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben werden, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, die nachstehend nur zur Veranschaulichung aufgeführt sind und die vorliegende Erfindung folglich nicht beschränken und in denen:
die 1 und 2 beispielhafte schematische Ansichten sind, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
3 eine beispielhafte schematische Ansicht ist, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine beispielhafte schematische Ansicht ist, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 eine beispielhafte schematische Ansicht ist, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6 eine beispielhafte schematische Ansicht ist, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
die 7 und 8 beispielhafte schematische Ansichten sind, die Beschränkungen eines typischen Brennstoffzellenstapels nach der verwandten Technik veranschaulichen.
In den Zeichnungen dargelegte Bezugsnummern enthalten den Bezug auf die folgenden Elemente, die unten weiter erörtert werden:
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
110: Endplatte
112: Eng anliegende Endplatte (close end plate)
120: Zelle
122: Anodenkanal
130, 160, 180, 210, 230: Gaszufuhrweg
132, 162, 182, 212, 232: Gas-Erwärmungsteil
134, 164, 184, 214, 234: Gaszufuhrteil
140, 170, 190, 220, 240: Gasabfuhrweg
150, 152, 156: Ejektor

Es sollte klar sein, dass die beiliegenden Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener beispielhafter Merkmale aufzeigen, die für die grundlegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichend sind. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart sind und beispielsweise bestimmte Maße, Orientierungen, Plätze und Formen enthalten, werden zum Teil durch die bestimmte vorgesehene Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt werden. In den Figuren beziehen sich die Bezugsnummern überall in den verschiedenen Figuren der Zeichnung auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine” und „der/die/das” auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf” und/oder „aufweisend”, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder” jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.
Sofern nicht speziell angegeben oder aus dem Kontext offensichtlich, ist der Ausdruck „ca.”, wie hierin verwendet, als innerhalb eines Bereiches einer normalen Toleranz in der Technik, beispielsweise innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwertes, zu verstehen. „Ca.” kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des genannten Wertes verstanden werden. Wenn nicht anderweitig aus dem Kontext klar, sind alle hierin gelieferten numerischen Werte durch den Ausdruck „ca.” modifiziert.
Nachstehend wird nun auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert Bezug genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und unten beschrieben sind. Zwar wird die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, aber es wird klar sein, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen decken, die innerhalb des Wesens und Bereiches der Erfindung enthalten sein können, die durch die beiliegenden Ansprüche definiert sind.
Es ist klar, dass der Ausdruck „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, die Geländefahrzeuge (SW), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, die eine Vielzahl von Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge mit alternativen Brennstoffen enthält (z. B. Brennstoffe, die aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden). Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, wie beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden, so dass jemand mit technischen Fähigkeiten die vorliegende Erfindung leicht ausführen kann. Zunächst wird eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf 1 detailliert beschrieben werden. 1 ist eine beispielhafte schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die einen Teil (z. B. Gaszufuhrweg, Gasabfuhrweg und Gaskanal) zeigt, in dem ein Wasserstoffgas innerhalb des Stapels strömen kann, um den Bewegungsweg eines Gases (z. B. Wasserstoff) zu beschreiben, das in den Stapel zugeführt wird. 1 zeigt nur eine Zelle einer Vielzahl von Zellen, die den Stapel bilden.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Brennstoffzellenstapel 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Zellen 120 enthalten, die in einer Linie zwischen Endplatten 110 gestapelt sind, die an sowohl nach vorne als auch nach hinten gerichteten Seiten des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 100 kann eine Verteilerstruktur enthalten, die einen Gaszufuhrweg 130, der zum Bewegen eines in den Brennstoffzellenstapels 100 zugeführten Gases konfiguriert ist, und einen Gasabfuhrweg 140 enthält, der zum Abführen des Gases von dem Brennstoffzellenstapel 100 konfiguriert ist.
Insbesondere kann das in den Brennstoffzellenstapel 100 zugeführte Gas ein Wasserstoffgas (oder ein Mischgas aus neu zugeführtem Wasserstoff und Anodenabgas) sein, das Flüssigkeit (z. B. Kondenswasser) enthält, und der Gaszufuhrweg 130 und der Gasabfuhrweg 140 können mit einem Anodenkanal 122 jeder Zelle 120 in dem Brennstoffzellenstapel 100 verbunden sein. Bei dieser Offenbarung wird die Verteilerstruktur als ein Verteiler beschrieben, der mit dem Anodenkanal 122 des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden ist, aber die hierin offenbarte Verteilerstruktur kann auch ähnlich auf die Kathode des Brennstoffzellenstapels 100 angewandt werden. Wenn die hierin offenbarte Verteilerstruktur ähnlich auf die Kathode des Brennstoffzellenstapels 100 angewandt wird, kann folglich ein Gas, das in den Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird, Luft sein, die Flüssigkeit enthält, und der Gaszufuhrweg 130 und der Gasabfuhrweg 140 können mit dem Kathodenkanal des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden sein.
In 1 kann der Gaszufuhrweg 130 einen Gas-Erwärmungsteil 132 an dem vorderen Endabschnitt desselben und einen Gaszufuhrteil 134 an dem hinteren Endabschnitt desselben enthalten. Der Gas-Erwärmungsteil 132 kann zum Verdampfen von Flüssigkeit innerhalb des Mischgases durch Erhöhen der Temperatur des Mischgases (z. B. Wasserstoffgas), das in demselben strömt, unter Verwendung von Wärme des Brennstoffzellenstapels 100 konfiguriert sein. Der Gaszufuhrteil 134 kann zum Zuführen des Mischgases von dem Gas-Erwärmungsteil 132 zu jeder Zelle 120 des Brennstoffzellenstapels 100 konfiguriert sein. Der Gaszufuhrweg 130 und der Gasabfuhrweg 140, die Teile sind, in denen das in den Brennstoffzellenstapel 100 strömende Gas strömt, können mit einer Vielzahl von Anodenkanälen 122 verbunden sein, die in jeder Zelle 120 des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sind, wobei dem Gas ermöglicht wird, sich in denselben zu bewegen. 1 zeigt nur einen Anodenkanal von einer Zelle, die in ungefähr der Mitte der Vielzahl von Zellen innerhalb des Stapels angeordnet ist.
Da sich die Temperatur des Mischgases, das in den Brennstoffzellenstapel 100 durch den Gaszufuhrweg 130 strömt, auf die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 100 durch Wärme in dem Brennstoffzellenstapel 100 erhöht, während das Mischgas zu einer Zelle (z. B. eng anliegende Endplatte 112) strömt, die an dem Ende des Brennstoffzellenstapels 100 entlang dem Gas-Erwärmungsteil 132 angeordnet ist, kann eine in dem Mischgas enthaltene Flüssigkeit vollständig verdampft werden. Da der Gas-Erwärmungsteil nicht mit dem Anodenkanal 122 der Zelle 120 in dem Brennstoffzellenstapel 100 verbunden sein muss, muss insbesondere keine Gasbewegung zwischen dem Gas-Erwärmungsteil 132 und dem Anodenkanal 122 auftreten.
Danach kann das Mischgas zunächst in eine Zelle, die an dem Ende des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist, durch den Gaszufuhrteil 134 zugeführt werden und in den mit dem Gaszufuhrteil 134 verbundenen Anodenkanal 122 strömen. Das in den Anodenkanal 122 strömende Mischgas kann in den Gasabfuhrweg 140 strömen, während sich dasselbe entlang dem Anodenkanal 122 bewegt, und dann von dem Brennstoffzellenstapel 100 durch den Gasabfuhrweg 140 abgeführt werden. Wenn das eine erhöhte Temperatur aufweisende Mischgas in die entsprechenden Zellen 120 des Stapels 100 zugeführt wird, kann insbesondere die gesamte Bewegungsstrecke des Mischgases in Bezug auf jede Zelle gleich sein, während das Mischgas in jede Zelle 120 des Brennstoffzellenstapels 100 durch den Gaszufuhrweg 134 strömt und dann von dem Brennstoffzellenstapel 100 durch den Gasabfuhrweg 140 abgeführt werden kann. Mit anderen Worten kann ungeachtet der Abstände der Zellen 120 von dem Gaseinlass und Gasauslass des Brennstoffzellenstapels 100 die gesamte Bewegungsstrecke des Mischgases in Bezug auf jede Zelle gleich sein, während das Mischgas in jede Zelle 120 des Brennstoffzellenstapels 100 durch den Gaszufuhrteil 134 strömt und dann von dem Brennstoffzellenstapel 100 durch den Gasabfuhrweg 140 abgeführt werden kann.
In 1 kann sich der Gas-Erwärmungsteil 132 an dem Boden des Brennstoffzellenstapels 100 linear (z. B. in einer im Wesentlichen geraden Linie) nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann von dem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach oben (z. B. im Wesentlichen gerade vertikale Linie) erstrecken, wobei sich derselbe mit dem hinteren Ende des Gaszufuhrteils 134 einstückig verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist. Der Gas-Erwärmungsteil 132 kann an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sein, wobei derselbe dem an der anderen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordneten Gasabfuhrweg 140 gegenüberliegt. Mit anderen Worten ist der Gasabfuhrweg 140 an einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet, wenn der Gas-Erwärmungsteil 132 an einer linken Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist, oder umgekehrt.
Zudem kann sich der Gaszufuhrteil 134 an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach vorne und nach hinten erstrecken und mit dem Gaskanal (z. B. Anodenkanal 122) verbunden sein, der in jeder Zelle 120 des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist, wobei dem Gas ermöglicht wird, in demselben zu strömen. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen, die unten beschrieben werden, kann der Gaszufuhrteil 134 in der gleichen Form konfiguriert sein. Insbesondere kann der Gaskanal den Anodenkanal 122 jeder Zelle 120, die den Brennstoffzellenstapel 100 bildet, bezeichnen, aber auch einen Kathodenkanal bezeichnen, wenn die Verteilerstruktur auf die Kathode des Brennstoffzellenstapels 100 angewandt wird.
Bei der Verteilerstruktur des Brennstoffzellenstapels 100 kann das Mischgas zu einer Endzelle des Brennstoffzellenstapels 100 durch die anfängliche Strömung des in den Gaszufuhrweg 130 strömenden Gases strömen. Da sich die Temperatur des Mischgases auf die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 100 erhöhen kann, kann die Flüssigkeit in dem Mischgas verdampft werden. Danach kann das Mischgas zunächst der Endzelle des Brennstoffzellenstapels 100 zugeführt werden und in diesem Fall kann keine Strömungsratendifferenz basierend auf den Abständen von dem Gaseinlass und Gasauslass des Brennstoffzellenstapels 100 auftreten. Ungeachtet der Abstände von dem Gaseinlass und Gasauslass des Brennstoffzellenstapels 100 weisen die meisten Zellen ungefähr die gleiche Bewegungsstrecke des Gases auf. Folglich kann die Beseitigung der Abstandsdifferenz zwischen Zellen die Wasserstoffkonzentration zwischen den entsprechenden Zellen vereinheitlichen.
Insbesondere können der Gaszufuhrweg 130 und der Gasabfuhrweg 140 außerhalb des Gaskanals (Anodenkanal 122) jeder Zelle 120 angeordnet sein. Im Allgemeinen kann bei dem Brennstoffzellenstapel 100 der Gaszufuhrweg 130 über der Zelle 120 (z. B. oberhalb) angeordnet sein und der Gasabfuhrweg 140 unter der Zelle 120 (z. B. unterhalb) angeordnet sein, um in den Gaskanälen (z. B. Anodenkanal und Kathodenkanal) jeder Zelle erzeugte Feuchtigkeit leichter abzuführen. Folglich kann ein in jede Zelle 120 zugeführtes und dann aus derselben abgeführtes Gas von der oberen Seite zu der unteren Seite der Zelle 120 strömen. Bei der verwandten Technik strömt ein von einem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführtes rezirkulierendes Gas (z. B. Anodenabgas) diagonal und bildet somit einen Weg (Strömung), der wieder in den Stapel 10 zugeführt wird (siehe 8). Wenn der Gaszufuhrweg 130 und der Gasabfuhrweg 140 konfiguriert sind, wie in Bezug auf 1 beschrieben wurde, besteht ein Vorteil hinsichtlich der Packung eines Fahrzeugs (z. B. Größe des Systems), da die gerade Strömung des rezirkulierenden Gases, die in 2 gezeigt ist, durch einen Ejektor 150 gebildet werden kann.
Indessen ist 3 eine beispielhafte schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 4 ist eine beispielhafte schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 5 ist eine beispielhafte schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer beispielhaften vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 6 ist eine beispielhafte schematische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Verteilerstruktur nach einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Zeichnungen zeigen Teile (z. B. Gaszufuhrweg, Gasabfuhrweg und Gaskanal), in denen ein Wasserstoffgas in dem Stapel strömt, um den Bewegungsweg eines Gases (z. B. Wasserstoff) zu beschreiben, das in den Stapel zugeführt wird. Die Zeichnungen zeigen nur eine Zelle einer Vielzahl von Zellen, die den Stapel bilden.
In 3 kann sich ein Gas-Erwärmungsteil 162 an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach vorne und nach hinten (oder nach vorne oder nach hinten) erstrecken und sich dann von dem hinteren Ende der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach links und nach rechts (oder nach links oder nach rechts) erstrecken, wobei sich derselbe mit dem hinteren Ende eines Gaszufuhrteils 164 einstückig verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist. Insbesondere kann der Gas-Erwärmungsteil 162 an entweder einer linken oder einer rechten Seite der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sein und somit über einem Gasabfuhrweg 170 angeordnet sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 wie der Gas-Erwärmungsteil 162 angeordnet ist. Folglich kann ein rezirkulierendes Gas (z. B. Anodenabgas), das von dem Gasabfuhrweg 170 abgeführt wird, an entweder der linken oder rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 100 nach oben strömen. Ein Ejektor 152 kann vertikal angeordnet sein und einen Wasserabscheider enthalten, der darunter angeordnet ist, und kann zum Sammeln einer überschüssigen Menge an Flüssigkeit konfiguriert sein. Alternativ kann der Ejektor 152 ein Ablassventil (oder Auslassventil) enthalten, das darunter angeordnet ist, und zum Ablassen eines Mischgases konfiguriert sein, das von dem Brennstoffzellenstapel 100 abgeführt wird.
In 4 kann sich der Gas-Erwärmungsteil 182 an dem Boden des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann an dem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 diagonal erstrecken, wobei sich derselbe mit dem hinteren Ende eines Gaszufuhrteils 180 einstückig verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist. Der diagonale Weg des Gas-Erwärmungsteils 182, der an dem hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist, kann in einer Nutform, wie beispielsweise vom Typ einer geraden Linie oder vom stromlinienförmigen Typ, auf der Innenwandfläche einer eng anliegenden Endplatte 112 des Brennstoffzellenstapels 100 (z. B. eine angrenzende Endplatte 112) vorbereitet werden.
Insbesondere kann der Gas-Erwärmungsteil 182 an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sein und somit über einem Gasabfuhrweg 190 angeordnet sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 wie der Gas-Erwärmungsteil 182 angeordnet ist. Folglich kann ein rezirkulierendes Gas, das von dem Gasabfuhrweg 190 abgeführt wird, über eine kürzeste Distanz an entweder der linken oder der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 100 nach oben strömen. Ein Ejektor 156 kann derart konfiguriert sein, dass ein Abschnitt des Ejektors 156 in den Einlass des Gaszufuhrweges (oder Gas-Erwärmungsteils) 180 eingeführt werden kann, und kann auch extern zu dem Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet sein. Insbesondere kann der Ejektor 156 verwendet werden, um einen Raum hinsichtlich der Packung eines Fahrzeugs effizienter zu nutzen, (kann z. B. effizienter innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein, um somit einen minimalen Raum einzunehmen).
In 5 kann sich der Gas-Erwärmungsteil 212 an dem Boden des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach vorne und nach hinten erstrecken und sich dann an dem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 nach oben (z. B. vertikal) erstrecken und sich wieder nach links und nach rechts erstrecken, wobei sich derselbe mit dem hinteren Ende des Gaszufuhrwegs 214 verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist. Ähnlich der beispielhaften Ausführungsform der 4 kann der Gas-Erwärmungsteil 212 an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sein und somit über einem Gasabfuhrweg 220 angeordnet sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 wie der Gas-Erwärmungsteil 212 angeordnet ist. Folglich kann ein rezirkulierendes Gas, das von dem Gasabfuhrweg 220 abgeführt wird, über die kürzeste Distanz an entweder der linken oder der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 100 nach oben strömen.
In 6 kann sich ein Gas-Erwärmungsteil 232 an dem Boden des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach vorne und nach hinten (oder nach vorne oder nach hinten) erstrecken und sich dann von dem hinteren Ende der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 linear nach links und nach rechts (oder nach links oder nach rechts) erstrecken und sich wieder nach oben erstrecken, wobei sich der selbe mit dem hinteren Ende eines Gaszufuhrteils 234 einstückig verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist.
Ähnlich den beispielhaften Ausführungsformen der 4 und 5 kann der Gas-Erwärmungsteil 232 an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sein und somit über einem Gasabfuhrweg 240 angeordnet sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 wie der Gas-Erwärmungsteil 232 angeordnet ist. Folglich kann ein rezirkulierendes Gas, das von dem Gasabfuhrweg 240 abgeführt wird, über die kürzeste Distanz an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 100 nach oben strömen.
Wie in den 1 bis 6 gezeigt, können sich die Gasabfuhrwege 140, 170, 190, 220 und 240 an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels 100 nach vorne und nach hinten erstrecken und sich die Gaszufuhrwege 134, 164, 184, 214 und 234 an der den Gasabfuhrwegen 140, 170, 190, 220 bzw. 240 gegenüberliegenden Seite der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 100 nach vorne und nach hinten (z. B. horizontal) erstrecken.
Bei den Verteilerstrukturen des Brennstoffzellenstapels 100 kann die Flüssigkeit, die in den in den Brennstoffzellenstapel 100 zugeführten Gasen enthalten ist, aufgrund des Bewegungsweges der in den Brennstoffzellenstapel 100 zugeführten Gase durch Absorbieren von in dem Brennstoffzellenstapel 100 erzeugter wärme verdampft werden. Wenn Gase, deren Flüssigkeit vollständig verdampft wurde, jeder Zelle zugeführt werden, die den Brennstoffzellenstapel 100 bildet, können die Gase ungefähr die gleiche Bewegungsstrecke aufweisen, während sich dieselben von dem hinteren Ende der Gaszufuhrteile 134, 164, 184, 214 und 234 zu den Auslässen der Gasabfuhrwege 140, 170, 190, 220 und 240 über den Gaskanal 122 innerhalb der Zelle 120 bewegen.
Wie oben beschrieben wurde, kann indessen die Verteilerstruktur des Brennstoffzellenstapels 100 auf die Kathode des Brennstoffzellenstapels 100 ähnlich angewandt werden. Eine Verteilerstruktur eines Brennstoffzellenstapels nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Anoden-(oder Kathoden-)Verteilerstruktur zum Vereinheitlichen der Zufuhrbedingungen eines Brennstoffes (oder von Luft) sein kann, der entsprechenden Zellen des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, weist die folgenden Vorteile auf. Das heißt, die Anoden- oder Kathoden-Verteilerstruktur kann die Zufuhrbedingungen des Brennstoffes bewirken, um den entsprechenden Zellen des Brennstoffzellenstapels einheitlicher zugeführt zu werden.

1. Da der Strömungsweg von Mischgas (z. B. Anodenabgas + neu zugeführter Wasserstoff), das der Anode eines Stapels zugeführt wird, verändert (z. B. vergrößert bzw. verlängert) werden kann, um die Flüssigkeit vollständig zu verdampfen, während dieselbe den entsprechenden Weg passiert, und das Mischgas dem Stapel zuzuführen, kann Feuchtigkeit nicht übermäßig in spezifische Zellen zugeführt werden.
2. Da eine Strömungsratendifferenz zwischen entsprechenden Zellen minimiert werden kann, indem ermöglicht wird, dass die Zellen ein symmetrisches Strömungsmuster ungeachtet der Abstände von dem Einlass und dem Auslass eines Gases (z. B. Wasserstoff oder Luft), das dem Stapel zugeführt wird, aufweisen, kann eine Überflutung der Anode in spezifischen Zellen aufgrund der Strömungsratendifferenz effektiv verhindert werden. Zudem kann die Beseitigung der Abstandsdifferenz die Wasserstoffkonzentration zwischen entsprechenden Zellen vereinheitlichen und die Feuchtigkeits-Abfuhrcharakteristiken von Zellen, die von dem Einlass und dem Auslass des Stapels entfernt sind, verbessern.

Die Erfindung wurde in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben. Jemand mit technischen Fähigkeiten wird jedoch einsehen, dass an diesen beispielhaften Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Erfindung abzuweichen, deren Bereich in den beiliegenden Ansprüchen und Äquivalenten derselben definiert ist.

Claims

Verteilervorrichtung eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Gaszufuhrweg, der zum Zuführen eines Gases in den Brennstoffzellenstapel konfiguriert ist, der eine Vielzahl von Zellen aufweist, die in demselben gestapelt sind; und einen Gasabfuhrweg, der zum Abführen des Gases von dem Brennstoffzellenstapel konfiguriert ist, wobei der Gaszufuhrweg einen Gas-Erwärmungsteil, der zum Erwärmen des in den Brennstoffzellenstapel zugeführten Gases unter Verwendung von Wärme des Brennstoffzellenstapels und Verdampfen einer in dem Gas enthaltenen Flüssigkeit konfiguriert ist, und einen Gaszufuhrteil enthält, der zum Zuführen des von dem Gas-Erwärmungsteil strömenden Gases zu jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels konfiguriert ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstreckt und sich dann von einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels nach oben erstreckt, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Gas-Erwärmungsteil an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei derselbe dem Gasabfuhrweg gegenüberliegt, der an der anderen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Gas-Erwärmungsteil an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstreckt und sich dann von einem hinteren Ende der Oberseite des Brennstoffzellenstapels gerade nach links und nach rechts erstreckt, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils verbindet, der an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Gas-Erwärmungsteil an entweder der linken oder der rechten Seite der Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, um über dem Gasabfuhrweg angeordnet zu sein, der an der gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels wie der Gas-Erwärmungsteil angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstreckt und sich dann an einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels diagonal erstreckt, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstreckt und sich dann von einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels linear nach links und nach rechts erstreckt und sich wieder nach oben erstreckt, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Gas-Erwärmungsteil an einem Boden des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstreckt und sich dann von einem hinteren Ende des Bodens des Brennstoffzellenstapels nach oben erstreckt und sich wieder nach links und nach rechts erstreckt, wobei sich derselbe mit einem hinteren Ende des Gaszufuhrteils einstückig verbindet, der an einer Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Gas-Erwärmungsteil an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, um über dem Gasabfuhrweg angeordnet zu sein, der an einer gleichen Seite des Bodens des Brennstoffzellenstapels wie der Gas-Erwärmungsteil angeordnet ist.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Gasabfuhrweg an entweder einer linken oder einer rechten Seite des Brennstoffzellenstapels linear nach vorne und nach hinten erstreckt und sich der Gaszufuhrteil des Gaszufuhrweges an einer dem Gasabfuhrweg gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels nach vorne und nach hinten erstreckt, wobei sich derselbe mit einem Gaskanal verbindet, der in jeder Zelle angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass das Gas in demselben strömt.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Gaskanal ein Anodenkanal jeder Zelle ist, die den Brennstoffzellenstapel bildet.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Gaskanal ein Kathodenkanal jeder Zelle ist, die den Brennstoffzellenstapel bildet.
Verteilervorrichtung nach Anspruch 1, wobei bei dem Brennstoffzellenstapel jede Zelle ungefähr die gleiche Bewegungsstrecke des Gases aufweist, während das durch den Gas-Erwärmungsteil erwärmte Gas in jede Zelle durch den Gaszufuhrteil zugeführt wird und dann von dem Brennstoffzellenstapel durch den Gasabfuhrweg abgeführt wird.