DE102015224180B4 - Redox-Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Redox-Brennstoffzellensystem (1), umfassend:• einen Brennstoffzellenstapel (14) aus mehreren Redox-Brennstoffzellen (13) wobei Anoden (2) und Kathoden (3) der Redox-Brennstoffzellen (13) durch einen ionenselektiven Separator (4) getrennt sind, wobei die Redox-Brennstoffzellen (13) zum Durchleiten eines Brennstoffes und einer Katholytlösung (L) ausgebildet sind,• einen Regeneratorstapel (6) aus mehreren Regeneratorplatten zur Regeneration der Katholytlösung (L), wobei der Regeneratorstapel (6) zum Durchleiten der Katholytlösung (L) und eines Oxidationsfluides ausgebildet ist,• ein gemeinsames fluiddichtes Gehäuse (15) in dem der Brennstoffzellenstapel (14) und der Regeneratorstapel (6) angeordnet sind, umfassendo einen mit Katholytlösung (L) gefüllten Einlassbereich (16) am Brennstoffzellenstapel (14),◯ einen mit Katholytlösung (L) gefüllten Auslassbereich (17) am Regeneratorstapel (6), und◯ einen Zwischenbereich (18) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Regeneratorstapel (6) zum Führen der Katholytlösung (L) vom Brennstoffzellenstapel (14) in den Regeneratorstapel (6),• eine Rückführung (19) für die Katholytlösung (L) vom Auslassbereich (17) in den Einlassbereich (16) im Gehäuse (15) und/oder außerhalb des Gehäuses (15) und/oder in einer Wandung des Gehäuses (15).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Redox-Brennstoffzellensystem.
  • Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden.
  • In einem indirekten oder Redox-Brennstoffzellensystem reagiert das Oxidationsmittel nicht direkt an der Kathode. Vielmehr reagiert eine reduzierte Form eines Redox-Moleküles (Katholyt) an einer Stelle beabstandet von der Kathode, um oxidiert zu werden. Diese oxidierte Form des Redox-Moleküles wird dann der Kathode zugeführt. Solch ein Redox-Brennstoffzellensystem wird hier betrachtet und ist zum Beispiel in DE 10 2013 217 858 A1 beschrieben.
  • Die Dokumente US 2009 / 0305083 A1 , US 4346150 A , US 4069371 A und US 3152013 A gehören zum Stand der Technik.
  • Redox-Brennstoffzellen sind außerdem zu unterscheiden von Redox-Flow-Batterien, bei denen die Kathode und die Anode mit einem Katholyt bzw. einem Anolyt versorgt werden, die i.d.R. in entsprechenden Behältern aufbewahrt werden. Beide Subsysteme werden hier also indirekt betrieben. Bei dem vorliegend betrachteten Redox-Brennstoffzellensystem wird indes der Brennstoff in einem Druckbehälter gespeichert und direkt der Anode zugeführt. Das dem Regenerator zugeführte Oxidationsmittel, i.d.R. Luft, wird indes nicht in einem Behälter gespeichert.
  • Im Stand der Technik sind der Brennstoffzellenstapel und der Regenerator zwei eigenständig abgedichtete Elemente. Über entsprechende Fluidleitungen zirkuliert die Katholytlösung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Regenerator.
  • Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung ein Redox-Brennstoffzellensystem anzugeben, das ein relativ geringes Volumen und ein relativ geringes Gewicht aufweist, einfach zu fertigen ist und dauerhaft betrieben werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Redox-Brennstoffzellensystem mit einem Regenerator und mehreren Redox-Brennstoffzellen. Die einzelne Redox-Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Es ist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode vorgesehen. Mit anderen Worten ist die Anode bei Betrieb der Redox-Brennstoffzelle in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir.
  • Bevorzugte Brennstoffe für das Redox-Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für eine Katholytlösung (auch: POM) zur Kathode auf. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nation®, Flemion® und Aciplex®.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Redox-Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel aus mehreren Redox-Brennstoffzellen. Die Anode und Katode der einzelnen Redox-Brennstoffzellen sind durch einen ionenselektiven Separator getrennt. Die Redox-Brennstoffzellen sind zum Durchleiten eines Brennstoffes und einer Katholytlösung ausgebildet. Des Weiteren umfasst das Redox-Brennstoffzellensystem einen Regeneratorstapel. Dieser ist aus mehreren Regeneratorplatten zusammengesetzt. Der Regeneratorstapel dient zur Regeneration der Katholytlösung, und ist deshalb zum Durchleiten der Katholytlösung und eines Oxidationsfluides ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß werden der Brennstoffzellenstapel und der Regeneratorstapel in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dieses gemeinsame Gehäuse ist fluiddicht. Erfindungsgemäß dient das Gehäuse nicht nur zur Aufnahme des Brennstoffzellenstapels und des Regeneratorstapels sondern insbesondere auch zur Ausbildung von Bereichen die mit der Katholytlösung gefüllt sind.
  • Das Gehäuse umfasst einen mit Katholytlösung gefüllten Einlassbereich. Dieser Einlassbereich ist begrenzt durch das Gehäuse und eine Seite des Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst das Gehäuse einen mit Katholytlösung gefüllten Auslassbereich. Der Auslassbereich ist begrenzt durch das Gehäuse und eine Seite des Regeneratorstapels. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Regeneratorstapel ist ein Zwischenbereich ausgebildet. Der Zwischenbereich ist begrenzt durch eine Seite des Brennstoffzellenstapels, durch eine Seite des Regeneratorstapels und durch das Gehäuse. Die Katholytlösung fließt aus dem Einlassbereich durch den Brennstoffzellenstapel in den Zwischenbereich. Aus dem Zwischenbereich fließt die Katholytlösung durch den Regeneratorstapel in den Auslassbereich.
  • Vom Auslassbereich zum Einlassbereich führt eine Rückführung, sodass die Katholytlösung zirkulieren kann. Die Rückführung kann im Gehäuse, außerhalb des Gehäuses und/oder in einer Wandung des Gehäuses ausgebildet oder angeordnet sein.
  • Bevorzugt ist eine erste Dichtung am Umfang des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Die erste Dichtung dichtet den Brennstoffzellenstapel gegenüber dem Gehäuse ab und steht somit sowohl mit dem Brennstoffzellenstapel als auch mit dem Gehäuse in Kontakt. Die erste Dichtung verläuft vorteilhafterweise vollumfänglich um den gesamten Brennstoffzellenstapel. Die erste Dichtung dichtet die Katholytlösung im Einlassbereich gegenüber den restlichen Bereichen des Gehäuses ab.
  • Des Weiteren ist bevorzugt eine zweite Dichtung am Umfang des Regeneratorstapels vorgesehen. Die zweite Dichtung dichtet den Regeneratorstapel gegenüber dem Gehäuse ab und steht somit sowohl mit dem Regeneratorstapel als auch mit dem Gehäuse in Kontakt. Die zweite Dichtung verläuft vorteilhafterweise vollumfänglich um den gesamten Regeneratorstapel. Die zweite Dichtung dichtet die Katholytlösung im Auslassbereich gegenüber den restlichen Bereichen des Gehäuses ab.
  • Der Zwischenbereich im Gehäuse ist vorteilhafterweise mit Katholytlösung gefüllt. Die aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmende Katholytlösung verteilt sich somit im gesamten Zwischenbereich. Dadurch entsteht eine gute Durchmischung der Katholytlösung bevor selbige in den Regeneratorstapel strömt.
  • Vorteilhafterweise ist eine Bypassleitung vorgesehen die ebenfalls innerhalb des Gehäuses realisiert ist. In der Bypassleitung gibt es ein Bypassventil zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung. Die Bypassleitung führt vom Zwischenbereich in den Auslassbereich und ermöglicht ein zirkulieren der Katholytlösung unter Umgehung des Regeneratorstapels. Die Bypassleitung ist hier vorteilhafterweise zwischen dem Regeneratorstapel und dem Gehäuse und/oder in der Gehäusewandung angeordnet.
  • In Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Brennstoffzellenstapel wird vorteilhafterweise ein Shunt angeordnet. Shunts stellen einen isolierenden Bereich dar, um einen Kriechstrom über die leicht leitfähige Katholytlösung zu vermindern. Die Shunts können direkt in der Ebene der Bipolarplatten realisiert werden, beispielsweise über eine Beschichtung oder ein Overmolding der Bipolarplatten. Alternativ kann seitlich an den Bipolarplatten ein nicht leitfähiges Bauteil, gegebenenfalls mit integriertem Toleranzausgleich, angeordnet werden.
  • Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass sich der Shunt im Zwischenbereich vom Brennstoffzellenstapel bis zum Regeneratorstapel erstreckt und die Katholytlösung in Teilströmen auf die Regeneratorplatten verteilt.
  • Diese Führung in Teilströmen muss nicht fluiddicht ausgestaltet sein. So kann der Zwischenbereich trotz der Führung in Teilströmen mit der Katholytlösung gefüllt sein.
  • Die Teilströme können die Katholytlösung von einer einzelnen Brennstoffzelle oder von mehreren Brennstoffzellen auf eine einzelne Regeneratorplatte oder auf mehrere Regeneratorplatten führen.
  • Erfindungsgemäß werden der Brennstoffzellenstapel und der Regeneratorstapel nicht separat angeordnet und über eine Fluidleitung verbunden. Vielmehr erfolgt die Anordnung des Brennstoffzellenstapel und des Regeneratorstapels in einem gemeinsamen Gehäuse. Dadurch kann annähernd der gesamte Gehäusequerschnitt im Zwischenbereich als Strömungsquerschnitt zur Führung der Katholytlösung vom Brennstoffzellenstapel zum Regeneratorstapel genutzt werden. An der engsten Stelle des Zwischenbereichs ist ein strömungsführender erster Querschnitt definiert. Bei der einfachen Ausgestaltung, wenn die Katholytlösung im Zwischenbereich nicht in Teilströmen geführt wird, entspricht der erste Querschnitt dem kleinsten Querschnitt des Gehäuses im Zwischenbereich. Bei der Führung der Katholytlösung in Teilströmen entspricht der erste Querschnitt der Summe der einzelnen Querschnitte der Teilströme. Die dem Zwischenbereich zugewandte Seite des Regeneratorstapels stellt einen zweiten Querschnitt dar. Bevorzugt ist vorgesehen dass der erste Querschnitt zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 40 %, besonders vorzugsweise zumindest 80 %, des zweiten Querschnitts beträgt. Dadurch ist eine ausreichende Durchmischung der Katholytlösung im Zwischenbereich möglich.
  • Ein weiterer Vorteil der gemeinsamen Anordnung des Brennstoffzellenstapels und des Regeneratorstapels in einem Gehäuse ist, dass der Zwischenbereich und somit die Strecke über die die Katholytlösung gefördert wird relativ kurz ausgebildet werden kann. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau. Der Zwischenbereich weist eine erste Breite auf. Der Regeneratorstapel weist eine zweite Breite auf. Die beiden Breiten sind jeweils in Strömungsrichtung der Katholytlösung definiert. Vorteilhafterweise liegt die erste Breite zwischen 10 % und 200 %, vorzugsweise zwischen 30 % und 150 %, der zweiten Breite.
  • Das Redox-Brennstoffzellensystem umfasst vorteilhafterweise eine dritte Dichtung am Umfang des Brennstoffzellenstapels. Die dritte Dichtung dichtet den Brennstoffzellenstapel gegenüber dem Gehäuse ab und steht somit sowohl mit dem Brennstoffzellenstapel als auch mit dem Gehäuse in Kontakt. Die dritte Dichtung verläuft vorteilhafterweise vollumfänglich um den gesamten Brennstoffzellenstapel. Es ist ein Freiraum definiert, der durch die erste Dichtung, die dritte Dichtung, den Brennstoffzellenstapel und das Gehäuse begrenzt ist. Dieser Freiraum verläuft insbesondere ringförmig um den Brennstoffzellenstapel. Der Freiraum ist nicht mit der Katholytlösung gefüllt und kann für andere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann über den Freiraum der Brennstoff zu den Bipolarplatten der Redox-Brennstoffzellen geführt werden.
  • In der Rückführung ist vorteilhafterweise eine Pumpe zum Fördern der Katholytlösung vorgesehen. Mittels dieser Pumpe wird der Druck der Katholytlösung in dem Einlassbereich erhöht. Aufgrund dieses Drucks strömt die Katholytlösung durch den Brennstoffzellenstapel, durch den Zwischenbereich, durch den Regeneratorstapel und in den Auslassbereich.
  • Des Weiteren können in der Rückführung, vorzugsweise zwischen dem Auslassbereich und der Pumpe, ein Reservoir für die Katholytlösung und/oder weitere Elemente, wie beispielsweise ein Filter, angeordnet werden. Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass das Reservoir in der Wandung des Gehäuses ausgebildet ist oder zumindest eine Außenwandung des Gehäuses als eine Wandung des Reservoirs genutzt wird.
  • Im Einlassbereich, Zwischenbereich und Auslassbereich können Elemente angeordnet werden die den Durchfluss und/oder die Verteilung der Katholytlösung optimieren.
  • Das Redox-Brennstoffzellensystems wird vorteilhafterweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Dabei wird der Antrieb des Kraftfahrzeuges über das Redox-Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Redox-Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik,
    • 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Redox-Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    • 3 eine schematische Ansicht für eine Variante des erfindungsgemäßen Redox-Brennstoffzellensystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1 zeigt ein Redox-Brennstoffzellensystem 1 nach dem Stand der Technik. Durch die Zufuhr 10 gelangt Brennstoff, hier Wasserstoff, in eine Anode 2 einer Redox-Brennstoffzelle 13. Die Anode 2 ist durch einen Separator 4, hier als Protonenaustauschmembran PEM ausgeführt, von einer Kathode 3 getrennt. An Anode 2 und Kathode 3 ist ein Stromabgriff 5 vorgesehen. 1 zeigt lediglich eine Redox-Brennstoffzelle 13. Üblicherweise werden jedoch mehrere dieser Redox-Brennstoffzellen 13 aneinandergereiht.
  • Anodenseitig wird wie bei herkömmlichen Brennstoffzellen Wasserstoff oxidiert. Die Protonen gelangen durch den Separator 4 in den Bereich der Kathode 3. Die Kathode 3 ist über ein Fluidleitungssystem (mit erster Fluidleitung 11 und zweiter Fluidleitung 12) mit einem Regeneratorstapel 6 verbunden. Aus dem Regeneratorstapel 6 austretende regenerierte Katholytlösung Lox mit einem erhöhten Anteil an oxidierten Redox-Molekülen gelangt durch die zweite Fluidleitung 12 zur Kathode 3. Dort wird die Katholytlösung L zumindest teilweise reduziert. Gleichzeitig nimmt sie die Protonen auf. Die reduzierte Katholytlösung Lred gelangt anschließend durch die erste Fluidleitung 11 in den Regeneratorstapel 6.
  • Im Regeneratorstapel 6 wird die Katholytlösung regeneriert. D. h. die Redox-Moleküle werden wieder weitestgehend oxidiert und geben dabei auch die Protonen wieder ab. Es entsteht ein Kreislauf, angetrieben durch die Pumpvorrichtung 8, in dem zumindest Teile der Katholytlösung L fortwährend reduziert und oxidiert werden.
  • Eine Hauptoxidationsfluidfördereinheit 7 fördert Oxidationsfluid über eine, hier Sauerstoff oder Luft, in den Regeneratorstapel 6. Als Reaktionsprodukt verlässt Wasser bzw. Wasserdampf den Regeneratorstapel 6. Stromabwärts des Regeneratorstapels 6 ist eine Fluidauffangeinrichtung 9 angeordnet. Die Fluidauffangeinrichtung 9 ist hier als Kondensator ausgeführt und scheidet Wasser aus dem ausströmenden Gasen ab.
  • 2 zeigt in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Redox-Brennstoffzellensystem 1. Gezeigt ist der Regeneratorstapel 6 in der Seitenansicht. Der Regeneratorstapel 6 umfasst mehrere übereinander gestapelte Regeneratorplatten, die nicht einzeln dargestellt sind. Des Weiteren ist ein Brennstoffzellenstapel 14 in der Seitenansicht gezeigt. Dieser Brennstoffzellenstapel 14 umfasst eine Vielzahl an parallel angeordneten Redox-Brennstoffzellen 13, die nicht einzeln dargestellt sind.
  • Das Redox-Brennstoffzellensystem 1 umfasst ein gemeinsames Gehäuse 15 in dem der Regeneratorstapel 6 und der Brennstoffzellenstapel 14 angeordnet sind. Dieses Gehäuse 15 ist mit der Katholytlösung L gefüllt.
  • In dem Gehäuse 15 ist ein Einlassbereich 16 ausgebildet. Der Einlassbereich 16 ist begrenzt durch das Gehäuse 15 und eine Seite des Brennstoffzellenstapels 14. Vollumfänglich um den Brennstoffzellenstapel 14 ist eine erste Dichtung 21 angeordnet. Diese erste Dichtung 21 dichtet den Einlassbereich 16 gegenüber den restlichen Bereichen des Gehäuses 15 ab.
  • Auf der rechten Seite der Darstellung in 2 befindet sich ein Auslassbereich 17. Der Auslassbereich 17 ist begrenzt durch das Gehäuse 15 und eine Seite des Regeneratorstapels 6. Abgedichtet ist der Auslassbereich 17 durch eine zweite Dichtung 22. Die zweite Dichtung 22 ist am Umfang des Regeneratorstapels 6 angeordnet.
  • Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und dem Regeneratorstapel 6 ist innerhalb des Gehäuses 15 ein Zwischenbereich 18 ausgebildet, der ebenfalls mit der Katholytlösung L gefüllt ist. Der Zwischenbereich 18 ist begrenzt durch eine Seite des Brennstoffzellenstapels 14, durch eine Seite des Regeneratorstapels 6 und durch das Gehäuse 15. Der Zwischenbereich 18 ist abgedichtet durch die zweite Dichtung 22 und durch eine dritte Dichtung 23. Die dritte Dichtung 23 verläuft am Umfang des Brennstoffzellenstapels 14.
  • Am Umfang des Brennstoffzellenstapels 14 ist ein Freiraum 31 ausgebildet. Der Freiraum 31 ist gegenüber dem Einlassbereich 16 durch die erste Dichtung 21 abgedichtet. Gegenüber dem Zwischenbereich 18 ist der Freiraum 31 mittels der dritten Dichtung 23 abgedichtet. Der Freiraum 31 ist nicht mit der Katholytlösung L gefüllt sondern kann für andere Zwecke genutzt werden.
  • Vom Auslassbereich 17 führt eine Rückführung 19 in den Einlassbereich 16. Die Rückführung 19 ist rein schematisch dargestellt. Die Rückführung 19 kann innerhalb des Gehäuses 15 und/oder in einer Wandung des Gehäuses 15 und/oder außerhalb des Gehäuses 15 verlaufen. Vorteilhafterweise ist in der Rückführung 19 eine Pumpe 32 zum Fördern der Katholytlösung L angeordnet.
  • Die Katholytlösung L strömt vom Einlassbereich 16 durch den Brennstoffzellenstapel 14 in den Zwischenbereich 18 und vom Zwischenbereich 18 durch den Regeneratorstapels 6 in den Auslassbereich 17. Eine entsprechende Strömungsrichtung ist durch die beiden Pfeile im Brennstoffzellenstapel 14 und Regeneratorstapels 6 eingezeichnet.
  • Zur Umgehung des Regeneratorstapels 6 ist eine Bypassleitung 24 mit einem steuerbaren Bypassventil 25 vorgesehen. Im gezeigten Beispiel verläuft die Bypassleitung 24 zwischen dem Regeneratorstapels 6 und einer Wandung des Gehäuses 15. Alternativ oder zusätzlich kann die Bypassleitung 24 zumindest stellenweise innerhalb der Wandung des Gehäuses 15 und/oder außerhalb des Gehäuses 15 verlaufen.
  • 1 zeigt eine erste Höhe 26 des Zwischenbereichs 18. Diese erste Höhe 26 und eine weitere Abmessung senkrecht zur Zeichenebene definieren einen ersten Querschnitt. Eine zweite Höhe 27 des Regeneratorstapels 6 und eine zugehörige weitere Abmessung senkrecht zur Zeichenebene definieren einen zweiten Querschnitt. Im gezeigten Beispiel ist der erste Querschnitt größer als der zweite Querschnitt. Bevorzugt beträgt der erste Querschnitt zumindest 20 % des zweiten Querschnitts. Die Fluidführung über den Zwischenbereich 18 unterscheidet sich somit wesentlich von der herkömmlichen Anordnung, bei der der Regeneratorstapel und der Brennstoffzellenstapels separat angeordnet sind und über entsprechende Kanäle oder Leitungen verbunden werden. Diese Kanäle oder Leitungen weisen einen sehr viel kleineren Querschnitt als der Zwischenbereich 18 auf.
  • Des Weiteren ermöglicht der Zwischenbereich 18 mit relativ großem erstem Querschnitt eine gute Durchmischung der Katholytlösung in diesem Bereich.
  • 2 zeigt ferner eine erste Breite 28 des Zwischenbereichs 18 und eine zweite Breite 29 des Regeneratorstapels 6. Die beiden Breiten 28, 29 sind jeweils in Strömungsrichtung der Katholytlösung L definiert. Um einerseits eine kompakte Anordnung zu halten und andererseits ausreichend Durchmischung im Zwischenbereich 18 zu erzielen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Breite 28 zwischen 1 % und 15 % der zweiten Breite 29 beträgt.
  • In Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Brennstoffzellenstapel 14 kann ein Shunt 20 angeordnet werden.
  • 3 zeigt in einer schematisch vereinfachten Darstellung eine Variante für das Redox-Brennstoffzellensystem 1 gemäß 2. Gemäß 3 erstreckt sich der Shunt 20 vom Brennstoffzellenstapel 14 durch den gesamten Zwischenraum 18 bis zum Regeneratorstapel 6. Der Shunt 20 unterteilt dabei die Katholytlösung L in Teilströme 30. Im gezeigten Beispiel wird die Katholytlösung L aus jeweils 4 einzelnen Redox-Brennstoffzellen 13 auf eine Regeneratorplatte zusammengeführt.
  • Die Führung der Katholytlösung L in Teilströmen 30 muss nicht fluiddicht ausgestaltet sein. So kann trotz der Führung in Teilströmen 30 der Zwischenraum 18 mit Katholytlösung L gefüllt sein. Allerdings ist die Führung vorzugsweise elektrisch isolierend ausgestaltet und somit insbesondere aus Kunststoff gefertigt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Redox-Brennstoffzellensystem
    100
    Redox-Brennstoffzellensystem nach dem Stand der Technik
    2
    Anode
    3
    Kathode
    4
    Separator
    5
    Stromabgriff
    6
    Regeneratorstapel
    7
    Hauptoxidationsfluidfördereinheit
    8
    Pumpvorrichtung
    9
    Fluidauffangeinrichtung (Kondensator)
    10
    Zufuhr
    11
    erste Fluidleitung
    12
    zweite Fluidleitung
    13
    Redox-Brennstoffzelle
    14
    Brennstoffzellenstapel
    15
    Gehäuse
    16
    Einlassbereich
    17
    Auslassbereich
    18
    Zwischenbereich
    19
    Rückführung
    20
    Shunt
    21
    erste Dichtung
    22
    zweite Dichtung
    23
    dritte Dichtung
    24
    Bypassleitung
    25
    Bypassventil
    26
    erste Höhe
    27
    zweite Höhe
    28
    erste Breite
    29
    zweite Breite
    30
    Teilströme
    31
    Freiraum
    32
    Pumpe
    L
    Katholytlösung

Claims (9)

  1. Redox-Brennstoffzellensystem (1), umfassend: • einen Brennstoffzellenstapel (14) aus mehreren Redox-Brennstoffzellen (13) wobei Anoden (2) und Kathoden (3) der Redox-Brennstoffzellen (13) durch einen ionenselektiven Separator (4) getrennt sind, wobei die Redox-Brennstoffzellen (13) zum Durchleiten eines Brennstoffes und einer Katholytlösung (L) ausgebildet sind, • einen Regeneratorstapel (6) aus mehreren Regeneratorplatten zur Regeneration der Katholytlösung (L), wobei der Regeneratorstapel (6) zum Durchleiten der Katholytlösung (L) und eines Oxidationsfluides ausgebildet ist, • ein gemeinsames fluiddichtes Gehäuse (15) in dem der Brennstoffzellenstapel (14) und der Regeneratorstapel (6) angeordnet sind, umfassend o einen mit Katholytlösung (L) gefüllten Einlassbereich (16) am Brennstoffzellenstapel (14), ◯ einen mit Katholytlösung (L) gefüllten Auslassbereich (17) am Regeneratorstapel (6), und ◯ einen Zwischenbereich (18) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Regeneratorstapel (6) zum Führen der Katholytlösung (L) vom Brennstoffzellenstapel (14) in den Regeneratorstapel (6), • eine Rückführung (19) für die Katholytlösung (L) vom Auslassbereich (17) in den Einlassbereich (16) im Gehäuse (15) und/oder außerhalb des Gehäuses (15) und/oder in einer Wandung des Gehäuses (15).
  2. Redox-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch • eine erste Dichtung (21) am Umfang des Brennstoffzellenstapels (14) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Gehäuse (15), • wobei die erste Dichtung (21) den Einlassbereich (16) abtrennt.
  3. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch • eine zweite Dichtung (22) am Umfang des Regeneratorstapels (6) zwischen dem Regeneratorstapel (6) und dem Gehäuse (15), • wobei die zweite Dichtung (42) den Auslassbereich (17) abtrennt.
  4. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Shunt (20), der den Brennstoffzellenstapel (14) mit dem Regeneratorstapel (6) verbindet und die Katholytlösung (L) in Teilströmen (30) auf die Regeneratorplatten verteilt.
  5. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (18) mit der Katholytlösung (L) gefüllt ist.
  6. Redox-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (24) mit einem Bypassventil (45), wobei die Bypassleitung (24) den Zwischenbereich (18) mit dem Auslassbereich (17) verbindet, und wobei die Bypassleitung (44) zwischen dem Regeneratorstapel (6) und dem Gehäuse (15) und/oder in der Wandung des Gehäuses (15) verläuft.
  7. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass im Zwischenbereich (18) an der engsten Stelle ein strömungsführender erster Querschnitt definiert ist, und die dem Zwischenbereich (18) zugewandte Seite des Regeneratorstapels (6) einen zweiten Querschnitt darstellt, wobei der erste Querschnitt zumindest 20 %, vorzugsweise zumindest 40 %, besonders vorzugsweise zumindest 80 %, des zweiten Querschnitt beträgt.
  8. Redox-Brennstoffzellensystem einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch • eine dritte Dichtung (23) am Umfang des Brennstoffzellenstapels (14) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Gehäuse (15), • wobei durch die erste Dichtung (21), die dritte Dichtung (23), den Brennstoffzellenstapel (14) und das Gehäuse (15) ein Freiraum (31) definiert ist, der nicht mit Katholytlösung (L) gefüllt ist.
  9. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pumpe (32) in der Rückführung (19) zum Pumpen der Katholytlösung (L) in den Einlassbereich (16).
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