DE102016115789A1

DE102016115789A1 - Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016115789A1
Application number: DE102016115789.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Schröder; Nils Brandau; Martin ARENDT; Harald Heinrich
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die Erfindung besteht in einer Nutzung von wenigstens zwei voneinander unabhängig betreibbaren Einzelzellpaketen (101, 102, ...) eines Brennstoffzellenstapels (100) einer Brennstoffzelle (10), die selbst wiederum dem Brennstoffzellen(gesamt)stapel (100) zugehörig sind (Hybridisierung durch Stapelteilabschaltung). Hierfür ist der Brennstoffzellenstapel (100) entsprechend ausgebildet und das Brennstoffzellenaggregat (1) entsprechend ansteuerbar. Die Einzelzellpakete (101, 102, ...) sind bevorzugt als Zellreihen (101, 102, ...) ausgebildet. Hierbei kann wenigstens ein erstes/zweites/... Einzelzellpaket (101/102/...) des Brennstoffzellenstapels (100) betrieben werden, während wenigstens ein zweites/erstes/... Einzelzellpaket (102/101/...) desselben Brennstoffzellenstapels (100) deaktiviert ist. Ferner können sämtliche Einzelzellpakete (101, 102, ...) parallel oder der gesamte Brennstoffzellenstapel (100) betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellenaggregat eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Brennstoffzellenstapel. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und/oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen (H, H₂) Brennstoffs mit Sauerstoff (O, O₂) zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA, Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung der Brennstoffzelle dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilig elektrisch leitende Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet (H₂ => 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare der Einzelzellen) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden ((zusammengesetzte) Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden ((zusammengesetzte) Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über elektrische Leitungen und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Klimaanlage et ceterea) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– => O^2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ => H₂O).
Ein Betreiben einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzelle bei einer elektrischen Spannung einer Einzelzelle von größer als 0,85V beschleunigt die Alterung der Einzelzelle und führt langfristig zu einer Reduzierung einer Lebensdauer sowie eines Wirkungsgrads der gesamten Brennstoffzelle. Im Stand der Technik werden hohe Spannungen durch ein Abschalten des (gesamten) Brennstoffzellenstapels vermieden und eine nach wie vor erforderliche Antriebsenergie aus einer Hybridbatterie bezogen. Hierfür wird eine entsprechend große Hybridbatterie benötigt und ein Ansprechverhalten des Brennstoffzellensystems wird verlangsamt.
Die DE 10 2009 052 440 A1 lehrt eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere einen Omnibus, mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln, welche innerhalb eines gemeinsamen Umgehäuses angeordnet sind, wobei das Umgehäuse ein Austreten von Wasserstoffgas in eine Umgebung der Brennstoffzellenanordnung unterbinden soll. Die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel weisen jeweils eine Abluftleitung auf, welche in einer gemeinsamen Auslassleitung münden. Lediglich die gemeinsame Auslassleitung tritt durch eine Außenwand des Umgehäuses hindurch.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, bei welcher beziehungsweise welchem in einem Betrieb elektrische Spannungen von Einzelzellen von größer als 0,85V vermieden werden können, ohne dabei einen Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle abschalten zu müssen. Ferner ist es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches mit einer vergleichsweise kleinen Hybridbatterie ausgestattet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellenaggregat eines Brennstoffzellensystems; durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem; und ein Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug; ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und/oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel selbst in Einzelzellpakete mit jeweils einer Mehrzahl von Einzelzellen aufgeteilt ist, und die Brennstoffzelle derart eingerichtet ist, dass wenigstens ein erstes Einzelzellpaket betreibbar ist, während wenigstens ein zweites Einzelzellpaket abgeschaltet ist. Hierbei kann eine Brennstoffzelle zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel aufweisen, wobei wenigstens einer dieser Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Das heißt, die Brennstoffzelle ist derart eingerichtet, dass in einem ersten Zeitraum wenigstens ein erstes Einzelzellpaket betreibbar ist oder betrieben wird, wobei wenigstens ein zweites Einzelzellpaket abschaltbar ist oder abgeschaltet ist und/oder bevorzugt in einem zweiten Zeitraum sämtliche Einzelzellpakete betreibbar sind oder betrieben werden und/oder der gesamte Brennstoffzellenstapel betreibbar ist oder betrieben wird. Die Brennstoffzelle ist bevorzugt derart eingerichtet, dass Einzelzellpakete zeitlich nacheinander, gleichzeitig voneinander unabhängig und/oder alle gleichzeitig betreibbar sind oder betrieben werden. In einer Ausführungsform sind die Einzelzellpakete des Brennstoffzellenstapels in einem einzigen Stapelgehäuse der Brennstoffzelle untergebracht.
Gemäß der Erfindung ist der Brennstoffzellenstapel wenigstens in ein erstes Einzelzellpaket und wenigstens in ein zweites Einzelzellpaket aufgeteilt, die zusammen den gesamten Brennstoffzellenstapel bevorzugt in dem Stapelgehäuse bilden, wobei die Einzelzellpakete voneinander unabhängig betreibbar sind oder betrieben werden, es erfolgt also eine Hybridisierung des Brennstoffzellenstapel durch eine Stapelteilabschaltung. Ein gleichzeitiges Betreiben der Einzelzellpakete ist natürlich möglich. Ein Einzelzellpaket weist dabei bevorzugt eine Reihe von direkt aneinander anschließenden Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels auf.
In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzelle derart eingerichtet, dass die Einzelzellpakete voneinander elektrisch trennbar und wieder miteinander elektrisch verbindbar sind. In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzelle derart eingerichtet, dass die Einzelzellpakete elektrisch voneinander getrennt sind. In einer Ausführungsform ist ein zu den Einzelzellpaketen hinströmendes Fluid für wenigstens ein Einzelzellpaket individuell einstellbar oder wird eingestellt. Das soll zum Beispiel heißen, dass wenigstens eine Kennzahl des Fluids, wie beispielsweise ein Druck, ein Volumenstrom et cetera, individuell einstellbar ist beziehungsweise eingestellt wird.
Bevorzugt sind zwei oder drei zu den Einzelzellpaketen hinströmende Fluide für das betreffende Einzelzellpaket jeweils individuell einstellbar oder werden eingestellt. Das heißt, dass für ein einzelnes Einzelzellpaket eine Mehrzahl von Einzelzellpaketen oder alle Einzelzellpakete des Brennstoffzellenstapels wenigstens ein hinströmendes Fluid für das betreffende Einzelzellpaket individuell einstellbar ist oder eingestellt wird. Die Fluide können hierbei ein Anoden-Betriebsmedium, also ein eigentlicher Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch; ein Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft; und/oder ein Kühlmedium, bevorzugt ein Kühlwasser (Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch) sein.
In einer Ausführungsform sind mittels einer fluidmechanischen Verschaltung einer Brennstoffzellen-Versorgung und wenigstens eines Stellmittels in der Brennstoffzellen-Versorgung die Einzelzellpakete mit dem hinströmenden Fluid versorgbar oder werden versorgt. In einer Ausführungsform sind mittels einer fluidmechanischen Verschaltung einer Brennstoffzellen-Versorgung wenigstens eines Stellmittels in der Brennstoffzellen-Versorgung stromaufwärtig des Brennstoffzellenstapels und wenigstens eines Stellmittels in der Brennstoffzellen-Versorgung stromabwärtig des Brennstoffzellenstapels die Einzelzellpakete mit dem Fluid versorgbar oder werden versorgt.
Das Stellmittel ist zum Beispiel (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar und insbesondere als ein Ventil, eine Klappe, eine Drossel, eine Blende et cetera ausgebildet. Hierbei kann das Stellmittel derart eingerichtet sein, dass es zwei oder mehr Wege schalten kann, wobei es ferner bevorzugt ist, dass das Ventil sämtliche Wege gegeneinander sperren kann. Die betreffende Brennstoffzellen-Versorgung kann eine Anodenversorgung beziehungsweise ein Anodenkreislauf, eine Kathodenversorgung beziehungsweise ein Kathodenkreislauf und/oder eine Kühlmediumversorgung beziehungsweise ein Kühlkreislauf des Brennstoffzellenaggregats sein.
In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzelle derart eingerichtet, dass in einem ersten Zeitraum wenigstens ein erstes Einzelzellpaket individuell betreibbar ist oder betrieben wird, und/oder eine Mehrzahl von Einzelzellpaketen individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betreibbar sind oder betrieben werden, während wenigstens ein zweites Einzelzellpaket abgestellt ist. Ferner sind in einer Ausführungsform in einem zweiten Zeitraum alle Einzelzellpakete individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betreibbar oder werden betrieben. Darüber hinaus ist in einer Ausführungsform in einem zweiten Zeitraum der gesamte Brennstoffzellenstapel betreibbar oder wird betrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem eine Vielzahl von Einzelzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, wird in einem ersten Zeitraum durch eine Stapelteilabschaltung des Brennstoffzellenstapels, wenigstens ein Einzelzellpaket mit einer Mehrzahl von Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels betrieben, wobei wenigstens ein zweites Einzelzellpaket abgeschaltet ist, und/oder in einem zweiten Zeitraum werden durch eine Vollanschaltung des Brennstoffzellenstapels sämtliche Einzelzellpakete betrieben oder der gesamte Brennstoffzellenstapel wird mit allen seinen Einzelzellen betrieben.
In einer Ausführungsform wird die Brennstoffzelle durch die Stapelteilanschaltung des Brennstoffzellenstapels nach einer Phase einer wesentlichen elektrochemischen Inaktivität der Brennstoffzelle gestartet, wobei in der Brennstoffzelle wenigstens ein Einzelzellpaket des Brennstoffzellenstapels betrieben wird. In einer Ausführungsform wird die Brennstoffzelle durch die Vollanschaltung des Brennstoffzellenstapels nach einer Phase einer wesentlichen elektrochemischen Inaktivität der Brennstoffzelle gestartet, wobei in der Brennstoffzelle sämtliche Einzelzellpakete betrieben werden oder der gesamte Brennstoffzellenstapel betrieben wird.
In einer Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird in einem ersten Zeitraum wenigstens ein Einzelzellpaket individuell betrieben, während wenigstens ein anderes Einzelzellpaket abgestellt ist. Ferner wird in einer Ausführungsform in einem ersten Zeitraum eine Mehrzahl von Einzelzellpaketen individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betrieben, während wenigstens ein anderes Einzelzellpaket abgestellt ist. Darüber hinaus werden in einer Ausführungsform in einem zweiten Zeitraum alle Einzelzellpakete individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betrieben werden. Des Weiteren wird in einer Ausführungsform in einem zweiten Zeitraum der gesamte Brennstoffzellenstapel betrieben.
In einer Ausführungsform wird ein zu den Einzelzellpaketen hinströmendes Fluid für wenigstens ein Einzelzellpaket individuell eingestellt. Ferner wird in einer Ausführungsform für einen vergleichsweise langen Stillstand der Brennstoffzelle mittels wenigstens eines Stellmittels in einer Anodenversorgung und/oder einer Kathodenversorgung der Brennstoffzellenstapel anodenseitig und/oder kathodenseitig inert abgestellt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenaggregat, das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem oder das erfindungsgemäße Fahrzeug weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle auf. Ferner ist eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats, eines Brennstoffzellensystems oder eines Fahrzeugs durch ein erfindungsgemäßes Verfahren betreibbar oder wird entsprechend betrieben.
Die Erfindung ermöglicht eine Reduzierung einer Betriebszeit der Einzelzellpakete im Vergleich zu einem gesamten Brennstoffzellenstapel bei gleichzeitig ständiger Verfügbarkeit des Brennstoffzellenaggregats. Mittels der Erfindung kann zum Beispiel ein 200 Einzelzellen umfassender Brennstoffzellenstapel in zwei Einzelzellpakete mit jeweils 100 Einzelzellen aufgeteilt sein. Wenn diese zwei Einzelzellpakete unabhängig voneinander betrieben werden, kann der Lastpunkt von 0,85V (bezogen auf eine Einzelzelle) des gesamten Brennstoffzellenstapels auf einen Lastpunkt von zum Beispiel 0,7V auf ein erstes Einzelzellpaket verteilt sein, wobei ein zweites Einzelzellpaket deaktiviert ist. Somit wird keine der 200 Einzelzellen einer vergleichsweise hohen Spannung ausgesetzt.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine Hybridisierung einer Brennstoffzelle durch eine Stapelteilabschaltung zur Erhöhung einer Lebensdauer der Einzelzellen beziehungsweise der Brennstoffzelle insgesamt. Bei einer Ansteuerung von mehreren Einzelzellpaketen innerhalb eines Gesamtstapels kann durch ein unterschiedliches Betreiben des jeweiligen Einzelzellpakets ein Vorteil bezüglich einer Effizienz des gesamten Brennstoffzellenstapels erzielt werden, wobei bedarfsgerecht ein Einzelzellpaket abgestellt werden kann. Ferner wird eine optionale Hybridbatterie für eine Vermeidung von hohen Zellspannungen sehr viel weniger benötigt beziehungsweise kann gegebenenfalls keine ausfallen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Abschnitte, Elemente, Bauteile, Einheiten, Schemata und/oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung (siehe unten), der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine mögliche, in der Beschreibung (Erfindungsbeschreibung (siehe oben), Figurenbeschreibung) nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternative, eine statische und/oder kinematische Umkehrung, eine Kombination et cetera zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einer Komponente, einem Schema, einer Einheit, einem Bauteil, einem Element oder einem Abschnitt davon, kann ferner der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Bei der Erfindung kann ein Merkmal (Einheit, Komponente, Abschnitt, Element, Bauteil, Funktion et cetera) positiv, das heißt vorhanden, oder negativ, das heißt abwesend, ausgestaltet sein, wobei ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert ist, wenn nicht Wert darauf gelegt ist, dass es abwesend ist. Ein Merkmal dieser Spezifikation kann nicht nur in einer angegebenen Art und/oder Weise, sondern auch in einer anderen Art und/oder Weise angewendet sein (Isolierung, Zusammenfassung, Ersetzung, Hinzufügung, Alleinstellung, Weglassung et cetera). Insbesondere ist es möglich, anhand eines Bezugszeichens und einem diesen zugeordneten Merkmal, beziehungsweise vice versa, in der Beschreibung, der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und/oder der Zeichnung, ein Merkmal in den Patentansprüchen und/oder der Beschreibung zu ersetzen, hinzuzufügen oder wegzulassen. Darüber hinaus kann dadurch ein Merkmal in einem Patentanspruch ausgelegt und/oder näher spezifiziert werden.
Die Merkmale dieser Spezifikation sind (angesichts des (meist unbekannten) Stands der Technik) auch als optionale Merkmale interpretierbar; das heißt jedes Merkmal kann als ein fakultatives, arbiträres oder bevorzugtes, also als ein nicht verbindliches, Merkmal aufgefasst werden. So ist eine Herauslösung eines Merkmals, gegebenenfalls inklusive seiner Peripherie, aus einem Ausführungsbeispiel möglich, wobei dieses Merkmal dann auf einen verallgemeinerten Erfindungsgedanken übertragbar ist. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal in Bezug auf die Erfindung optional ist. Ferner ist bei einem Artbegriff für ein Merkmal auch ein Gattungsbegriff für das Merkmal mitlesbar (gegebenenfalls weitere hierarchische Gliederung in Untergattung, Sektion et cetera), wodurch, zum Beispiel unter Beachtung von Gleichwirkung und/oder Gleichwertigkeit, eine Verallgemeinerung eines oder diesen Merkmals möglich ist. In den lediglich beispielhaften Figuren zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß hybridisierten Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßer Stapelteilabschaltung;
3 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäß hybridisierten Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßer Stapelteilabschaltung;
4 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäß hybridisierten Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßer Stapelteilabschaltung;
5 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäß hybridisierten Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßer Stapelteilabschaltung; und
6 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäß hybridisierten Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäßer Stapelteilabschaltung.
Die Erfindung ist anhand von fünf Ausführungsformen von hybridisierten Brennstoffzellen(gesamt)stapeln 100 mit Stapelteilabschaltung für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Fahrzeug (Personenkraftwagen, Personentransportwagen, Bus, ATV (englisch All Terrain Vehicle), Kraftrad, Nutzfahrzeug, (Schwerst-)Lastkraftwagen, Baufahrzeug, Baumaschine, Sonderfahrzeug, Schienenfahrzeug) näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie zum Beispiel auf ein anderes Brennstoffzellenaggregat, beispielsweise eines Transportsystems oder eines anderen Verkehrsmittels, wie ein Flugzeug, oder auch auf transportable oder stationäre Brennstoffzellenaggregate angewendet werden kann.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellenaggregats 1 dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellenaggregats 1, von Sensoren, elektronischer, elektrischer und leistungselektrischer Vorrichtungen und/oder Einrichtungen et cetera weitgehend verzichtet worden. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellenaggregat 1 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt Teil des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch eine Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenaggregats 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich vom Brennstoffzellenaggregat 1 insbesondere durch nicht dargestellte leistungselektrische, elektrische und elektronische Vorrichtungen und/oder Einrichtungen (Wandler, Batterie, Wechselrichter et cetera), ein Motorsteuergerät (englisch ECU, Engine Control Unit) et cetera, welche das Brennstoffzellenaggregat 1 nicht mitumfasst.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst als eine Kernkomponente die Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 100, die beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11, nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel 100 in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt).
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen flächig begrenzend an den Membranen jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion (siehe oben) einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches bevorzugt auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer vergleichsweise großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine Bipolarplatte 15 angeordnet (in der 1 wiederum lediglich angedeutet), welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und welche darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 einer Einzelzelle 11 (Anodenraum-Kathodenraum-Paar 12/13) ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise im Brennstoffzellenstapel 100 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 100).
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 100 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellenaggregat 1 beziehungsweise das Brennstoffzellensystem einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein Kathoden-Betriebsmedium 5 beispielsweise Sauerstoff 5 oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 ansaugbar ist. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt und dieses beziehungsweise diese einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt wenigstens ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder ein auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist.
Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC, Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle oder einem Getriebe (nicht dargestellt) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads Brennstoffzelle 10).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellenaggregats 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Für eine Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 oder eine anderweitige Aufgabe kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) in der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30, zum Beispiel an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22, und/oder an/in einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 weist ferner bevorzugt einen Befeuchter 39 auf. Der Befeuchter 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter 39 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 ist dabei im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt stromabwärts des Kathodenverdichters 33 und stromaufwärts eines Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10, und im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der im Kathoden-Abgaspfad 32 vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Befeuchters 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern, gegebenenfalls als ein Hohlfaserkörper, ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10/des Brennstoffzellenstapels 100, der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden (Stellmittel). Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 134 umgeht (Stellmittel).
Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidbar und gegebenenfalls in einen Wassersammler zum Speichern ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner eine in der 1 beispielhaft und stark vereinfacht dargestellte Kühlmediumversorgung 40, welche einen Kühlkreislauf 40 umfasst, in welchem die Brennstoffzelle 10 wärmeübertragend eingebunden ist. Eine Förderung eines im Kühlkreislauf 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer elektromotorisch betriebenen Kühlmittelpumpe im Kühlkreislauf 40. Das Kühlmittel 7, insbesondere Wasser 7, ein Wasser-Alkohol-Gemisch 7 oder ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch 7, ist von einem Kühler beziehungsweise Hauptkühler kühlbar, welcher im Falle eines Fahrzeugs üblicherweise ein Fahrzeugkühler mit einem Luftgebläse ist.
Der Kühler kann mittels einer Kühler-Bypassleitung umgangen werden, wobei ein Stellmittel, insbesondere ein Thermostatventil, die Massenströme des Kühlmittels durch den Kühler und die Kühler-Bypassleitung steuert oder regelt. Stromabwärts des Verdichters 33 kann ein Wärmetauscher, insbesondere der Ladeluftkühler des Kühlkreislaufs 40 in den Kathoden-Versorgungspfad 31 integriert sein, welcher abhängig von einem Betriebspunkt einer Kühlung oder einer Erwärmung des durch den Verdichter 33 komprimierten Kathoden-Betriebsmediums 5 dient.
Die Erfindung, siehe auch die 2 bis 6, besteht in einer Nutzung von wenigstens zwei voneinander unabhängig betreibbaren Einzelzellpaketen 101, 102, ... des Brennstoffzellenstapels 100, die selbst wiederum dem Brennstoffzellen(gesamt)stapel 100 zugehörig sind (Hybridisierung durch Stapelteilabschaltung). Mehr als zwei Einzelzellpakete 101, 102, ... im Brennstoffzellen(gesamt)stapel 100 sind durch die Striche in den 2 bis 6 verdeutlicht. Hierfür ist der Brennstoffzellenstapel 100 entsprechend ausgebildet und das Brennstoffzellenaggregat 1 entsprechend ansteuerbar. Die Einzelzellpakete 101, 102, ... sind bevorzugt als Zellreihen 101, 102, ... ausgebildet. Hierbei kann wenigstens ein erstes/zweites/... Einzelzellpaket 101/102/... des Brennstoffzellenstapels 100 betrieben werden, während wenigstens ein zweites/erstes/... Einzelzellpaket 102/101/... desselben Brennstoffzellenstapels 100 deaktiviert ist. Ferner können sämtliche Einzelzellpakete 101, 102, ... parallel oder der gesamte Brennstoffzellenstapel 100 betrieben werden.
Das heißt in einem ersten Zeitraum beziehungsweise zu einem ersten Zeitpunkt kann wenigstens ein erstes/zweites/... Einzelzellpaket 101/102/... beziehungsweise kann eine Mehrzahl von ersten/zweiten/... Einzelzellpaketen 101/102/... individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betrieben werden, während wenigstens ein zweites/erstes/... Einzelzellpaket 102/101/... abgestellt ist. In einem zweiten Zeitraum beziehungsweise zu einem zweiten Zeitpunkt können alle Einzelzellpakete 101, 102, ... individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betrieben werden. Ferner kann in einem zweiten oder dritten Zeitraum der gesamte Brennstoffzellenstapel 100 kollektiv betrieben werden.
Eine Brennstoffzellen-Versorgung 20, 30, 40 ist beziehungsweise deren Pfade 21, 22; 31, 32; 41, 42 sind dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass das Anoden-Betriebsmedium 3, das Kathoden-Betriebsmedium 5 und/oder das Kühlmedium 7 für jedes Einzelzellpaket 101, 102, ... individuell einstellbar ist beziehungsweise sind. Ferner sind die Einzelzellpakete 101, 102 elektrisch voneinander trennbar und elektrisch wieder miteinander verbindbar, oder voneinander elektrisch getrennt. Dadurch kann ein deaktiviertes Einzelzellpaket 101, 102, ... auf ein geringes nicht lebensdauerschädigendes Spannungsniveau versetzt werden.
Mögliche Verschaltungsbeispiele der Brennstoffzellen-Versorgungen 20, 30, 40 sind in den 2 bis 6 dargestellt, wobei die Verschaltungsbeispiele für ein, zwei oder drei beziehungsweise alle Medien 3, 5, 7 des Brennstoffzellenaggregats 1 angewendet werden können. Ferner sind sämtliche Verschaltungsbeispiele miteinander kombinierbar. Das heißt zum Beispiel, dass eine in den 2 bis 6 dargestellte beliebige linke Seite (stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 100, Pfeile) einer Ausführungsform mit einer in den 2 bis 6 dargestellten beliebigen rechten Seite (stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100, Pfeile) einer Ausführungsform kombinierbar ist. Hierbei ist es möglich, eine, zwei oder drei beziehungsweise alle Brennstoffzellen-Versorgungen 20, 30, 40 gleich oder unterschiedlich auszugestalten. Den dargestellten Verschaltungsbeispielen ist gemeinsam, dass ein Pfad 21, 22; 31, 32; 41, 42 jeweils in eine Mehrzahl von Pfaden ab einem Verzweigungsbereich gesplittet ist, wobei die Anzahl dieser jeweiligen Pfade einer Anzahl der Einzelzellpakete 101, 102, ... entspricht.
Im Verschaltungsbeispiel der 2 befinden sich zwei Stellmittel 120/130/140, 120/130/140 in den gesplitteten Pfaden 21/31/41 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 100, wohingegen Stellmittel in den gesplitteten Pfaden 21/31/41 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100 fehlen. Im Verschaltungsbeispiel der 3 befindet sich ein Stellmittel 120/130/140 im Verzweigungsbereich stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 100, wohingegen ein Stellmittel im Verzweigungsbereich stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100 fehlt. Im Verschaltungsbeispiel der 4 befinden sich zwei Stellmittel 122/132/142, 122/132/142 in den gesplitteten Pfaden 21/31/41 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100, wohingegen Stellmittel in den gesplitteten Pfaden 21/31/41 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 100 fehlen. Im Verschaltungsbeispiel der 5 befindet sich ein Stellmittel 122/132/142 im Verzweigungsbereich stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100, wohingegen ein Stellmittel im Verzweigungsbereich stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 100 fehlt.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in der 6 dargestellt, wobei sich, analog zur 3 links, ein Stellmittel 120/130/140 im Verzweigungsbereich stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 100 und sich, analog zur 5 rechts, ein Stellmittel 122/132/142 im Verzweigungsbereich stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100 befindet. In diesem Verschaltungsbeispiel müssen nur zwei zusätzliche Stellmittel 120/130/140, 122/132/142 pro Medium 3, 5, 7 integriert werden. Des Weiteren kann durch eine Integration eines Stellmittels 120/130, 122/132 stromaufwärts und/oder stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 100 die Anode und/oder Kathode des Brennstoffzellenstapels 100 abgedichtet werden, um den Stapel inert abstellen zu können. Dies ist analog auf die Kühlmediumversorgung 40 übertragbar. Das oben zu den Stellmitteln 24, 26, 38 Gesagte kann hier auch auf die Stellmittel 122/132/142, 122/132/142 angewendet sein.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
2: Umgebung
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch, hinströmend
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas, abströmend
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft, hinströmend
6: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft, abströmend
7: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser (Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch), hinströmend
8: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser, abströmend
10: Brennstoffzelle mit Brennstoffzellenstapel 100 des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum einer Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls jeweils einem Träger dafür
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 100
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 100
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: (zweite) Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor 34
34: Motor, Elektromotor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
39: Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger
40: Brennstoffzellen-Versorgung, Kühlmediumversorgung, Kühlkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 100
41: Pfad, Zulaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Zulaufpfad
42: Pfad, Ablaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Ablaufpfad
100: Brennstoffzellen(gesamt)stapel des Brennstoffzellenaggregats 1
101: (erstes) Einzelzellpaket
102: (zweites) Einzelzellpaket
120: Stellmittel in der Anodenversorgung 20 stromaufwärtig des Brennstoffzellenstapels 100, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
122: Stellmittel in der Anodenversorgung 20 stromabwärtig des Brennstoffzellenstapels 100, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
130: Stellmittel in der Kathodenversorgung 30 stromaufwärtig des Brennstoffzellenstapels 100, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
132: Stellmittel in der Kathodenversorgung 30 stromabwärtig des Brennstoffzellenstapels 100, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
140: Stellmittel in der Kühlmediumversorgung 40 stromaufwärtig des Brennstoffzellenstapels 100, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
142: Stellmittel in der Kühlmediumversorgung 40 stromabwärtig des Brennstoffzellenstapels 100, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009052440 A1 [0007]

Claims

Brennstoffzelle (10) für ein Brennstoffzellenaggregat (1) eines Brennstoffzellensystems, mit einem eine Vielzahl von Einzelzellen (11) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (100), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (100) selbst in Einzelzellpakete (101, 102, ...) mit jeweils einer Mehrzahl von Einzelzellen (11) aufgeteilt ist, und die Brennstoffzelle (10) derart eingerichtet ist, dass wenigstens ein erstes Einzelzellpaket (101/102/...) betreibbar ist, während wenigstens ein zweites Einzelzellpaket (101/102/...) abgeschaltet ist.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellpakete (101, 102, ...) des Brennstoffzellenstapels (100) in einem einzigen Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) untergebracht sind; und/oder die Brennstoffzelle (10) derart eingerichtet ist, dass Einzelzellpakete (101, 102, ...) zeitlich nacheinander, gleichzeitig voneinander unabhängig und/oder alle gleichzeitig betreibbar sind.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) derart eingerichtet ist, dass die Einzelzellpakete (101, 102, ...) voneinander elektrisch trennbar und wieder miteinander elektrisch verbindbar sind; oder die Brennstoffzelle (10) derart eingerichtet ist, dass die Einzelzellpakete (101, 102, ...) elektrisch voneinander getrennt sind.
Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu den Einzelzellpaketen (101, 102, ...) hinströmendes Fluid (3, 5, 7) für wenigstens ein Einzelzellpaket (101, 102, ...) individuell einstellbar ist.
Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer fluidmechanischen Verschaltung einer Brennstoffzellen-Versorgung (20, 30, 40) und wenigstens eines Stellmittels (120, 130, 140; 122, 132, 142), die Einzelzellpakete (101, 102, ...) mit dem hinströmenden Fluid (3, 5, 7) versorgbar sind; oder mittels einer fluidmechanischen Verschaltung einer Brennstoffzellen-Versorgung (20, 30, 40), wenigstens eines Stellmittels (120, 130, 140) stromaufwärtig des Brennstoffzellenstapels (100) und wenigstens eines Stellmittels (122, 132, 142) stromabwärtig des Brennstoffzellenstapels (100), die Einzelzellpakete (101, 102, ...) mit dem Fluid (3, 5, 7) versorgbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) für ein Brennstoffzellensystem, mit einem eine Vielzahl von Einzelzellen (11) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (100), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Zeitraum durch eine Stapelteilabschaltung des Brennstoffzellenstapels (100), wenigstens ein Einzelzellpaket (101/102/...) mit einer Mehrzahl von Einzelzellen (11) des Brennstoffzellenstapels (100) betrieben wird, wobei wenigstens ein zweites Einzelzellpaket (102/101/...) abgeschaltet ist, und in einem zweiten Zeitraum durch eine Vollanschaltung des Brennstoffzellenstapels (100) sämtliche Einzelzellpakete (101, 102, ...) betrieben werden oder der gesamte Brennstoffzellenstapel (100) betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) durch die Stapelteilanschaltung des Brennstoffzellenstapels (100) nach einer Phase einer wesentlichen elektrochemischen Inaktivität der Brennstoffzelle (10) gestartet wird, wobei in der Brennstoffzelle (10) wenigstens ein Einzelzellpaket (101, 102, ...) des Brennstoffzellenstapels (100) betrieben wird; oder die Brennstoffzelle (10) durch die Vollanschaltung des Brennstoffzellenstapels (100) nach einer Phase einer wesentlichen elektrochemischen Inaktivität der Brennstoffzelle (10) gestartet wird, wobei in der Brennstoffzelle (10) sämtliche Einzelzellpakete (101, 102, ...) betrieben werden oder der gesamte Brennstoffzellenstapel (100) betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Zeitraum wenigstens ein Einzelzellpaket (101/102/...) individuell betrieben wird, während wenigstens ein anderes Einzelzellpaket (102/101/...) abgestellt ist; in einem ersten Zeitraum eine Mehrzahl von Einzelzellpaketen (101/102/...) individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betrieben werden, während wenigstens ein anderes Einzelzellpaket (102/101/...) abgestellt ist; in einem zweiten Zeitraum alle Einzelzellpakete (101, 102, ...) individuell, teilweise individuell, teilweise kollektiv oder kollektiv betrieben werden; und/oder in einem zweiten Zeitraum der gesamte Brennstoffzellenstapel (100) betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu den Einzelzellpaketen (101, 102, ...) hinströmendes Fluid (3, 5, 7) für wenigstens ein Einzelzellpaket (101, 102, ...) individuell eingestellt wird; und/oder für einen Stillstand der Brennstoffzelle (10) mittels wenigstens einen Stellmittels (120, 130) in einer Anodenversorgung (20) und/oder einer Kathodenversorgung (30) der Brennstoffzellenstapel (100) anodenseitig und/oder kathodenseitig inert abgestellt wird.
Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenaggregat, das Brennstoffzellensystem oder das Fahrzeug eine Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist; und/oder eine Brennstoffzelle (10) des Brennstoffzellenaggregats, des Brennstoffzellensystems oder des Fahrzeugs durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 betreibbar ist oder betrieben wird.