DE102019200447A1

DE102019200447A1 - Brennstoffzellenstapel mit Teilstapeln, Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102019200447A1
Application number: DE102019200447.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Feßler; Francisco Javier Valbueno Encinas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit genau zwei randständig angeordneten Randbrennstoffzellen (3) und mit einer Mehrzahl von zwischen den Randbrennstoffzellen (3) angeordneten Innenbrennstoffzellen (4), wobei die Innenbrennstoffzellen (4) mit zwei Brennstoffzellen (3,4) oder mit einer Kontaktplatte (10) und einer Brennstoffzelle (3,4) kontaktieren und die Randbrennstoffzelle (3) mit genau einer Innenbrennstoffzelle (4) kontaktiert. Ein oberer Teilstapel (5) ist vorhanden, der die eine der Randbrennstoffzellen (3) umfasst. Weiterhin ist ein unterer Teilstapel (6) vorhanden, der die andere der Randbrennstoffzellen (3) umfasst und mindestens ein zwischen dem oberen Teilstapel (5) und dem unteren Teilstapel (6) angeordneter Mittel-Teilstapel (7), der nur Innenbrennstoffzellen (4) aufweist. Jeder der Teilstapel (5,6,7) weist einen separaten Brennstoffanschluss (8) zur Zuführung von Brennstoff in die Anodenräume der Teilstapel (5,6,7) und einen separaten Kathodengasanschluss (9) zur Zuführung von Kathodengas in die Kathodenräume der Teilstapel (5,6,7) auf zur separaten Aktivierung und Deaktivierung der einzelnen Teilstapel (5,6,7). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit genau zwei randständig angeordneten Randbrennstoffzellen und mit einer Mehrzahl von zwischen den Randbrennstoffzellen angeordneten Innenbrennstoffzellen, wobei die Innenbrennstoffzellen jeweils mit zwei Brennstoffzellen oder mit einer Kontaktplatte und einer Brennstoffzelle kontaktieren und die Randbrennstoffzellen jeweils mit genau einer Innenbrennstoffzelle kontaktiert. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellen werden zur Energieversorgung insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Um die erforderlicher Menge an Energie bereitzustellen wird eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel angeordnet. Nachteilig bei Brennstoffzellenstapeln aus dem Stand der Technik ist dabei, dass im Brennstoffzellenstapel unabhängig von der tatsächlich benötigten oder angeforderten Energie stets annähernd die selbe Energie umgewandelt bzw. erzeugt wird.
Darüber hinaus besteht bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Frost, die Gefahr, dass das im Brennstoffzellenstapel erzeugte Produktwasser im deaktivierten Brennstoffzellenstapel gefriert. Wird der Brennstoffzellenstapel nun aktiviert, d.h. neu gestartet, führt dies zu Schädigungen in den Bereichen des Brennstoffzellenstapels, bei dem gefrorenes Produktwasser vorliegt.
Darüber hinaus kann es auch im Leerlauf oder bei sogenannten Luft-Luft-Starts zu Schädigungen an einzelnen Brennstoffzellenstapeln kommen, wenn in unterschiedlichen Bereichen des Brennstoffzellenstapels unterschiedliche Potenziale vorliegen.
Die WO 2015/169979 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln, die jeweils einzeln aktiviert und deaktivert werden können. Jeder der Brennstoffzellenstapel weist eine Mehrzahl von Innenbrennstoffzellen und jeweils zwei Randbrennstoffzellen auf, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung insgesamt mehr als zwei Randbrennstoffzellen aufweist. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen besteht die Gefahr, dass das Produktwasser in jedem der Brennstoffzellenstapel gefriert, so dass auch ein selektives Aktivieren eines einzelnen der Brennstoffzellenstapel mit einer Schädigung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels aufgrund des gefrorenen Produktwassers einhergeht.
Die EP 2 879 220 B1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit genau einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel als Ganzes aktiviert werden kann durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zum Brennstoffzellenstapel. Durch Unterbrechung der Zufuhr von Brennstoff und Kathodengas kann er als Ganzes wieder deaktiviert werden.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei denen oben genannte Nachteile reduziert werden.
Die den Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die die Brennstoffzellenvorrichtung betreffende Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst und die das Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass ein oberer Teilstapel vorhanden ist, der die eine der Randbrennstoffzellen umfasst, und dass ein unterer Teilstapel vorhanden ist, der die andere der Randbrennstoffzellen umfasst. Weiterhin ist mindestens ein zwischen dem oberen Teilstapel und dem unteren Teilstapel angeordneter Mittel-Teilstapel vorhanden, der nur Innenbrennstoffzellen aufweist. Jeder der Teilstapel weist einen separaten Brennstoffanschluss zur Zuführung von Brennstoff in die Anodenräume der Teilstapel und einen separaten Kathodengasanschluss zur Zuführung von Kathodengas in die Kathodenräume der Teilstapel auf zur separaten Aktivierung und Deaktivierung der einzelnen Teilstapel. Die Anordnung der Teilstapel im Brennstoffzellenstapel ist beispielsweise in Richtung der Gravitationskraft betrachtet, der obere Teilstapel, der mit dem oberen Teilstapel kontaktierende Mittel-Teilstapel und der mit dem Mittel-Teilstapel kontaktierende untere Teilstapel.
Insbesondere bei einem Froststart, also bei einer Aktivierung des Brennstoffzellenstapels bei niedrigen Temperaturen um oder unterhalb des Gefrierpunkts, ist die Möglichkeit, Teilstapel separat zu aktivieren von Vorteil. Da die Gefahr von gefrorenem Produktwasser hauptsächlich im unteren Teilstapel besonders groß ist, kann der Mittel-Teilstapel und/oder der obere Teilstapel aktiviert werden, während der untere Teilstapel deaktiviert bleibt bis das gefrorene Produktwasser wieder aufgetaut ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Mittel-Teilstapel bei einer hohen Stromdichte betreibbar ist, um durch die so erzeugte Wärme das Auftauen des Produktwassers im unteren Teilstapel zu fördern. Analog kann auch der obere Teilstapel erst zu einem späteren Zeitpunkt aktiviert werden. Die die Randbrennstoffzellen umfassenden Teilstapel sind dabei den tiefen Temperaturen stärker ausgesetzt als der Mittel-Teilstapel, der durch den oberen und den unteren Teilstapel zum Teil isoliert wird.
Wenn lediglich eine niedrige Leistung vom Brennstoffzellenstapel abgefragt wird, insbesondere wenn der Brennstoffzellenstapel im Leerlauf betrieben wird, ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn einzelne Teilstapel separat deaktivierbar sind, um eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels bzw. dessen Einzelzellen zu verhindern. Dies ist auch bei stark variierenden Leistungsanforderungen wie beispielsweise bei einem Start-Stopp-Betrieb von Vorteil.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zwischen jedem der Teilstapel eine Kontaktplatte angeordnet ist zum elektrischen Trennen und Verbinden der Teilstapel, d.h. zwischen dem unteren Teilstapel und dem Mittel-Teilstapel und zwischen dem Mittel-Teilstapel und dem oberen Teilstapel ist jeweils eine Kontaktplatte angeordnet.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn sich die Anzahl der Innenbrennstoffzellen des oberen Teilstapels von der Anzahl des Innenbrennstoffzellen des unteren Teilstapels unterscheidet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn bei Froststartbedingungen die Anzahl der Innenbrennstoffzellen des unteren Teilstapels größer ist als die des oberen Teilstapels. Dies stellt sicher, dass der untere Teilstapel aufgrund des unter Umständen gefrorene Produktwassers durch Starten des Teilstapels nicht beschädigt wird. In einer alternativen Ausführungsform ist die Anzahl der Innenbrennstoffzellen des oberen Teilstapels größer als die Anzahl der Innenbrennstoffzellen des unteren Teilstapels. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Anzahl der Innenbrennstoffzellen des oberen Teilstapels gleich der Anzahl der Innenbrennstoffzellen des unteren Teilstapels ist.
Weiterhin ist es möglich, dass eine Mehrzahl von Mittel-Teilstapel zwischen dem oberen Teilstapel und dem unteren Teilstapel vorhanden ist, wobei insbesondere zumindest zwei der Mittel-Teilstapel eine unterschiedliche Anzahl an Innenbrennstoffzellen aufweist. Dies ermöglicht an die abgefragte Leistung angepasste Teilstapel bzw. Mittel-Teilstapel des Brennstoffzellenstapels separat zu aktivieren oder zu deaktivieren. Zwischen den Mittel-Teilstapeln ist dann wiederum jeweils eine Kontaktplatte angeordnet, d.h. zwischen je zwei der Mittel-Teilstapel ist eine Kontaktplatte angeordnet. Die Mittel-Teilstapel können in einer Ausführungsform auch dieselbe Anzahl an Innenbrennstoffzellen aufweisen.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorgesehen, dass die Anzahl an Innenbrennstoffzellen in dem mindestens einem Mittel-Teilstapel höher ist als die Anzahl der Brennstoffzellen in dem oberen Teilstapel und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen in dem unteren Teilstapel. Dies ermöglicht insbesondere bei Frost-Startbedingungen, dass nur ein geringer Teil des Brennstoffzellenstapels, nämlich der untere Teilstapel und/oder der obere Teilstapel deaktiviert ist, und somit der Brennstoffzellenstapel immer noch eine vergleichsweise hohe Energie erzeugen kann.
Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung Kathodengas zuführbar ist und anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung Brennstoff zuführbar ist. Die Kathodenzufuhrleitung ist in eine an die Anzahl von Teilstapeln angepasste Anzahl an Kathodenteilzufuhrleitungen verzweigt gebildet und in mindestens eine der Kathodenteilzufuhrleitungen ist ein Stellglied angeordnet oder in diese eingekoppelt zur separaten Zuführung von Kathodengas in einen der Teilstapel des Brennstoffzellenstapels. Die Anodenzufuhrleitung ist in eine an die Anzahl von Teilstapeln angepasste Anzahl an Anodenteilzufuhrleitungen verzweigt gebildet und in mindestens einer der Anodenteilzufuhrleitungen ist ein Stellglied angeordnet oder in diese eingekoppelt zur separaten Zuführung von Brennstoff in einen Teilstapel des Brennstoffzellenstapels.
Dies ermöglicht es, eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, die an die abgefragte Leistung angepasst werden kann durch Aktivierung oder Deaktivierung von Teilstapeln, um die angeforderte Energie zu erzeugen. Sie ist zudem anpassbar an die äußeren (Witterungs-)Bedingungen, um Schäden an Teilstapeln abzuwenden oder zumindest zu reduzieren.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn jeder der Teilstapel des Brennstoffzellenstapels kathodenaustrittseitig einen Kathodenauslass aufweist und dass die Kathodenauslässe mit einer Kathodenabfuhrleitung und insbesondere mit einem Befeuchter strömungsmechanisch verbunden sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass jeder der Teilstapel des Brennstoffzellenstapels anodenaustrittseitig einen Anodenauslass aufweist, und dass die Anodenauslässe mit einer Anodenabfuhrleitung, insbesondere mit einer Anodenrezirkulationsleitung strömungsmechanisch verbunden sind.
Weiterhin ist ein mit dem Brennstoffzellenstapel verbundener Brennstoffzellenwandler vorhanden zur Steuerung und zum Ausgleich der im Brennstoffzellenstapel und/oder in den Teilstapeln erzeugten Gesamtspannung.
Das Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einem der Teilstapel,
- Aktivieren von mindestens einem weiteren der Teilstapel bei Überschreiten einer angeforderten Leistung durch Zuführung von Kathodengas und Brennstoff zu dem mindestens einen zu aktivierenden Teilstapel und durch elektrisches Verbinden des zu aktivierenden Teilstapels mit dem mindestens einen bereits aktiven Teilstapel, oder
- Deaktivieren von mindestens einem der aktiven Teilstapel durch Trennen der Zufuhr von Kathodengas und Brennstoff und durch elektrisches Trennen des mindestens einen Teilstapels von den übrigen Teilstapeln bei Unterschreiten einer abgefragten Leistung.

Dies ermöglicht es, bei Abfrage einer hohen Leistungen, bei Abfrage einer niedrigen Leistung, oder in einem Start-Stoppbetrieb bei Abfrage stark unterschiedlicher Leistungen in schneller zeitlicher Abfolge, separat Teilstapel zu deaktiveren, d.h. abzuschalten, oder nach Bedarf zuzuschalten, d.h. zu aktivieren. Dadurch werden Schädigungen an den Teilstapeln verhindert und die Alterung der einzelnen Teilstapel hinausgezögert.
Um eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Froststartbedingungen, zu reduzieren oder gar zu unterbinden, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte beim Starten der Brennstoffzellenvorrichtung:

a) Aktivieren des mindestens einen Mittel-Teilstapels und/oder des oberen Teilstapels durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem Mittel-Teilstapel und/oder dem oberen Teilstapel,
b) Aktivieren des unteren Teilstapels durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem unteren Teilstapel und durch elektrisches Verbinden des unteren Teilstapels mit dem Mittel-Teilstapel, wenn eine erfasste Temperatur eine hinterlegte und/oder hinterlegbare Minimaltemperatur überschreitet, oder
c) Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Mittel-Teilstapel und/oder dem oberen Teilstapel, wenn eine erfasste Temperatur eine hinterlegte und/oder hinterlegbare Minimaltemperatur unterschreitet.

Dadurch wird eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels oder der Brennstoffzellenvorrichtung bei niedrigen Temperaturen verhindert, indem insbesondere der untere Teilstapel oder der untere und der obere Teilstapel separat deaktiviert oder aktiviert werden. Die Temperatur ist dabei insbesondere die Außentemperatur oder eine im Brennstoffzellenstapel oder in einem der Teilstapel gemessene Stapeltemperatur.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorteilhaft, wenn bei Vorliegen eines Froststarts, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung also lediglich mit dem Mittel-Teilstapel betrieben wird, dieser bei einer hohen Stromdichte betrieben wird, sodass der Mittel-Teilstapel einen nicht unerheblichen Teil seiner Energieerzeugung in Wärme umwandelt, mit dessen Hilfe der obere Teilstapel und/oder der untere Teilstapel geheizt werden kann, sodass das darin gefrorene Wasser erwärmt wird. Wird die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Mittel-Teilstapel und dem oberen Teilstapel bei Froststartbedingungen gestartet bzw. betrieben, so ist es analog bevorzugt, wenn der Mittel-Teilstapel und/oder der obere Teilstapel mit einer hohen Stromdichte betrieben wird.
Vorteilhaft ist es, wenn nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeit und/oder bei Überschreiten einer im unteren Teilstapel gemessenen Temperatur über einen vorgegebenen oder vorgegebenen Sollwert der untere Teilstapel aktiviert wird, durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem unteren Teilstapel und durch elektrisches Verbinden des unteren Teilstapels mit dem benachbarten Mittel-Teilstapel. Dies gilt analog für den oberen Teilstapel, wenn auch der obere Teilstapel deaktiviert war. Dies ermöglicht ein Aktivieren des gesamten Brennstoffzellenstapels, wenn die Leistung entsprechend abgefragt wird und wenn sichergestellt werden kann, dass keine Schädigungen durch kalte Temperaturen an den Teilstapeln hervorgerufen werden.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn eine Schwankung oder eine Variation einer durch die Brennstoffzellenvorrichtung erzeugten Gesamtspannung mittels eines Brennstoffzellenwandlers ausgeglichen wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, und
2 einen Brennstoffzellenstapel mit den Zufuhr- und Abfuhrleitungen.

Brennstoffzellen 3, 4 dienen der Energieerzeugung und können insbesondere zur Energieerzeugung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen angewendet werden. Dabei werden bevorzugt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 3, 4 in einem Brennstoffzellenstapel 1 zusammengefasst.
Jede der Brennstoffzellen 3, 4 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Polymer-Membran. Die Polymer-Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Polymer-Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.
Vorliegend, wie in 1 und 2 verdeutlicht, ist der Brennstoffzellenstapel 1 aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 3,4 aufgebaut, wobei der Brennstoffzellenstapel 1 einen oberen Teilstapel 5, einen unteren Teilstapel 6 und einen zwischen dem oberen Teilstapel 5 und dem unteren Teilstapel 6 angeordneten Mittel-Teilstapel 7 aufweist. Die Figuren zeigt die typische Einbausituation des Brennstoffzellenstapels 1, so dass die Begriffe des „oberen Teilstapels 5“ und des „unteren Teilstapels 6“ bezogen auf eine wirkende in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 1 wirkenden Gravitationskraft zu werten sind. Der obere Teilstapel 5 und der untere Teilstapel 6 unterscheiden sich von dem Mittel-Teilstapel 7 darin, dass der obere Teilstapel 5 und der untere Teilstapel 6 jeweils neben einer Mehrzahl von Innenbrennstoffzellen 4 jeweils eine Randbrennstoffzelle 3 aufweisen. Dagegen weißt der Mittel-Teilstapel 7 nur Innenbrennstoffzellen 4 auf. Randbrennstoffzellen 3 unterscheiden sich dabei von Innenbrennstoffzellen 4 dadurch, dass die Innenbrennstoffzellen 4 mit jeweils zwei weiteren Brennstoffzellen 3,4 bzw. mit einer Brennstoffzelle 3,4 und einer Kontaktplatte 10 kontaktieren. Im ersten Fall können also Innenbrennstoffzellen 4 mit Randbrennstoffzellen 3 oder mit Innenbrennstoffzellen 4 kontaktieren. Bevorzugt kontaktieren die Innenbrennstoffzellen 4 des Mittel-Teilstapels 7 jedoch mit Innenbrennstoffzellen 4. Dagegen kontaktieren die Randbrennstoffzellen 3 nur mit genau einer Brennstoffzelle 4, nämlich einer Innenbrennstoffzelle 4.
Die einzelnen Teilstapel 5, 6, 7 weisen separate Brennstoffanschlüsse 8 zur Zuführung von Brennstoff in die Anodenräume der Teilstapel 5, 6, 7 auf und separate Kathodengasanschlüsse 9 zur Zuführung von Kathodengas in die Kathodenräume der Teilstapel 5, 6, 7. Darüber hinaus sind zwischen den einzelnen Teilstapeln 5, 6, 7 jeweils eine Kontaktplatte 10 mit elektrischen Kontakten angeordnet zum elektrischen Trennen und Verbinden der Teilstapel 5, 6, 7. Dies ermöglicht eine separate Aktivierung und Deaktivierung der einzelnen Teilstapel 5, 6, 7.
Der Kathodengasanschluss 9 ist mit der Kathodenzufuhrleitung 11 strömungsmechanisch verbunden, die von einem Befeuchter 18 zum Brennstoffzellenstapel 1 führt. Die Kathodenzufuhrleitung 11 ist dabei in einer an die Anzahl von Teilstapeln 5, 6, 7 angepasster Anzahl an Kathodenteilzufuhrleitungen 13 verzweigt gebildet; vorliegend in drei Kathodenteilzufuhrleitungen 13. In den Kathodenteilzufuhrleitungen 13 sind Stellglieder angeordnet oder in diese eingekoppelt, wobei vorliegend nur in die Kathodenteilzufuhrleitungen 13, die in den oberen Teilstapel 5 und in den unteren Teilstapel 6 führen, jeweils ein Stellglied angeordnet ist. Ein Stellglied in der Kathodenteilzufuhrleitung 13, die in den Mittel-Teilstapel 7 führt, ist ebenfalls möglich.
Weiterhin ist eine Kathodenabfuhrleitung 19 vorhanden, die zum Befeuchter 18 führt, wobei auch die Kathodenabfuhrleitung 19 in einer an die Anzahl von Teilstapeln 5,6,7 angepasste Anzahl an Kathodenteilabfuhrleitungen 24 verzweigt gebildet ist. Auch die Kathodenteilabfuhrleitungen 24 weisen Stellglieder auf.
Anodenseitig wird Brennstoff von einem Brennstoffspeicher 22 mittels einer Anodenzufuhrleitung 12 zum Brennstoffzellenstapel 1 geführt. Die Anodenzufuhrleitung 12 ist analog zur Kathodenzufuhrleitung 11 in einer an die Anzahl von Teilstapeln 5, 6, 7 angepassten Anzahl an Anodenteilzufuhrleitungen 14 verzweigt gebildet; vorliegend in drei Anodenteilzufuhrleitungen 14. In die Anodenteilzufuhrleitungen 14 sind Stellglieder angeordnet oder in diese eingekoppelt, wobei auch vorliegend in die Anodenteilzufuhrleitung 14, die zum Mittel-Teilstapel 7 führt, ein Stellglied angeordnet oder in diese eingekoppelt sein kann.
Anodenaustrittsseitig ist eine Anodenabfuhrleitung 23 vorhanden, die wiederum in an die Anzahl an Teilstapeln 5,6,7 angepasste Anzahl an Anodenteilabfuhrleitungen 25 verzweigt gebildet ist. In die Anodenteilabfuhrleitungen 25 sind wiederum Stellglieder angeordnet bzw. in diese eingekoppelt. Die Anodenteilabfuhrleitungen 25 bzw. die Anodenabfuhrleitung 23 ist mit einer Anodenrezirkulationsleitung 21 strömungsmechanisch verbunden. In die Anodenabfuhrleitung 23 kann weiterhin ein nicht gezeigter Abscheider angeordnet sein zum Abscheiden von in den Anodenräumen gebildetem Wasser. Dieses kann auch über eine nicht näher dargestellte Flüssigkeitsleitung dem Befeuchter 18 zugeführt werden.
Bei dem vorliegenden Brennstoffzellenstapel 1 ist die Anzahl der Innenbrennstoffzellen 4 des Mittel-Teilstapels 7 größer als die Anzahl der Innenbrennstoffzellen 4 des unteren Teilstapels 6 und des oberen Teilstapels 5. Der obere Teilstapel 5 und der untere Teilstapel 6 weisen dabei dieselbe Anzahl an Brennstoffzellen 3,4 auf, das heißt dieselbe Anzahl an Innenbrennstoffzellen 4 und die jeweils eine Randbrennstoffzelle 3. In einer alternativen Ausführungsform können die Anzahl der Innenbrennstoffzellen 4 des unteren Teilstapels 6 und des oberen Teilstapels 5 unterschiedlich sein. Weiterhin kann auch eine Mehrzahl von Mittel-Teilstapeln 7 vorgesehen sein, die wiederum separat aktivierbar oder deaktivierbar sind.
Das Kathodengas wird durch einen Verdichter 15 angesaugt, durch diesen verdichtet und über eine Trockenzufuhrleitung 17 in den Befeuchter 18 geleitet. Zusätzlich ist noch eine mit einem Bypassventil ausgestattete Bypassleitung 16 vorhanden, die die Trockenzufuhrleitung 17 mit einer Befeuchterabfuhrleitung 20 verbindet.
Das Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 2 läuft folgendermaßen ab. Zunächst wird die Brennstoffzellenvorrichtung 2 gestartet. Liegt die Außentemperatur oder die Stapeltemperatur unterhalb eines Werts, der niedriger ist als eine hinterlegte oder hinterlegbare Minimaltemperatur, findet ein Start unter Froststartbedingungen statt. Hierbei wird lediglich der Mittel-Teilstapel 7 und/oder der obere Teilstapel 5 der Brennstoffzellenvorrichtung 2 aktiviert und betrieben durch Zuführung von Kathodengas mittels der Kathodenteilzufuhrleitung 13 bzw. der Kathodenzufuhrleitung 11 und durch Zuführung von Brennstoff mittels der Anodenzufuhrleitung 12 bzw. der Anodenteilzufuhrleitung 14 zu dem Mittel-Teilstapel 7 und/oder dem oberen Teilstapel 5. Wenn nun der Mittel-Teilstapel 7 und/oder der obere Teilstapel 5 bei einer hohen Stromdichte betrieben werden, so wird ein nicht unerheblicher Teil der erzeugten Energie in den so betriebenen Teilstapeln 5, 7 zu Wärme umgewandelt, die zum Erwärmen des unteren Teilstapels 6, also zum Auftauen des Produktwassers genutzt werden kann.
Überschreitet die Außentemperatur oder die Stapeltemperatur dagegen die hinterlegte oder hinterlegbare Minimaltemperatur, so können bei Bedarf auch der untere Teilstapel 6 durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem unteren Teilstapel 6 und durch elektrisches Verbinden des unteren Teilstapels 6 mit dem Mittel-Teilstapel 7 aktiviert werden. Alternativ, wenn der obere Teilstapel 5 beim Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 2 nicht aktiviert wurde, kann dieser selbstverständlich bei Bedarf ebenfalls aktiviert werden.
Da bei niedrigen Temperaturen insbesondere im unteren Teilstapel 6 die Gefahr besteht, dass das bei der Reaktion der Brennstoffzellen erzeugte Produktwasser gefroren ist, würde eine Aktivierung des unteren Teilstapels 6 unter diesen Umständen zu Schädigungen an den Brennstoffzellen 3,4 des unteren Teilstapels 6 führen. Um dies zu verhindern, bleibt der untere Teilstapel 6 zunächst beim Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 2 deaktiviert.
Nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeit und/oder bei Überschreiten einer im unteren Teilstapel 6 gemessenen Temperatur, insbesondere der Stapeltemperatur, über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwert, so dass sicher gestellt werden kann, dass das Produktwasser im unteren Teilstapel 6 verflüssigt ist. Dann wird der untere Teilstapel 6 aktiviert durch Zuführung von Kathodengas und Brennstoff zu dem unteren Teilstapel 6 und durch elektrisches Verbinden des unteren Teilstapels 6 mit dem benachbarten Teilstapel 7 über die Kontaktplatte 10, insbesondere dann, wenn die abgefragte Leistung entsprechend hoch ist, so dass die Aktivierung eines weiteren Teilstapels 5,6,7 tatsächlich notwendig ist.
Das Aktivieren der Teilstapel 5,6,7 erfolgt also sowohl durch Zuführen von Brennstoff und Kathodengas in den entsprechenden Teilstapel 5,6,7 als auch durch elektrisches Verbinden des jeweiligen Teilstapels 5,6,7 mit einem bereits aktiven Teilstapel 5,6,7 mittels der Kontaktplatte 10. Das Deaktivieren des Teilstapels 5,6,7 erfolgt analog durch Trennen der elektrischen Verbindung zwischen den entsprechenden Teilstapeln 5,6,7 mittels der Kontaktplatte 10 und durch Unterbrechen der Zufuhr von Kathodengas und Brennstoff in den jeweiligen Teilstapel 5,6,7.
Schwankungen und Variationen der Gesamtspannung in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 können wiederum durch einen Brennstoffzellenwandler ausgeglichen werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Brennstoffzellenvorrichtung
3: Randbrennstoffzelle
4: Innenbrennstoffzelle
5: oberer Teilstapel
6: unterer Teilstapel
7: Mittel-Teilstapel
8: Brennstoffanschluss
9: Kathodengasanschluss
10: Kontaktplatte
11: Kathodenzufuhrleitung
12: Anodenzufuhrleitung
13: Kathodenteilzufuhrleitung
14: Anodenteilzufuhrleitung
15: Verdichter
16: Bypassleitung
17: Trockenzufuhrleitung
18: Befeuchter
19: Kathodenabfuhrleitung
20: Befeuchterabfuhrleitung
21: Anodenrezirkulationsleitung
22: Brennstoffspeicher
23: Anodenabfuhrleitung
24: Kathodenteilabfuhrleitung
25: Anodenteilabfuhrleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/169979 A1 [0005]
EP 2879220 B1 [0006]

Claims

Brennstoffzellenstapel (1) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit genau zwei randständig angeordneten Randbrennstoffzellen (3) und mit einer Mehrzahl von zwischen den Randbrennstoffzellen (3) angeordneten Innenbrennstoffzellen (4), wobei die Innenbrennstoffzellen (4) mit zwei Brennstoffzellen (3,4) oder mit einer Kontaktplatte (10) und einer Brennstoffzelle (3,4) kontaktieren und die Randbrennstoffzelle (3) mit genau einer Innenbrennstoffzelle (4) kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Teilstapel (5) vorhanden ist, der die eine der Randbrennstoffzellen (3) umfasst, und dass ein unterer Teilstapel (6) vorhanden ist, der die andere der Randbrennstoffzellen (3) umfasst, dass mindestens ein zwischen dem oberen Teilstapel (5) und dem unteren Teilstapel (6) angeordneter Mittel-Teilstapel (7) vorhanden ist, der nur Innenbrennstoffzellen (4) aufweist, und dass jeder der Teilstapel (5,6,7) einen separaten Brennstoffanschluss (8) zur Zuführung von Brennstoff in Anodenräume der Teilstapel (5,6,7) und einen separaten Kathodengasanschluss (9) zur Zuführung von Kathodengas in Kathodenräume der Teilstapel (5,6,7) aufweist zur separaten Aktivierung und Deaktivierung der einzelnen Teilstapel (5,6,7).
Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Teilstapeln (5,6,7) eine Kontaktplatte (10) angeordnet ist zum elektrischen Trennen und Verbinden der Teilstapel (5,6,7).
Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anzahl der Innenbrennstoffzellen (4) des oberen Teilstapels (5) von der Anzahl der Innenbrennstoffzellen (4) des unteren Teilstapels (6) unterscheidet.
Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Mittel-Teilstapeln (7) zwischen dem oberen Teilstapel (5) und dem unteren Teilstapel (6) vorhanden ist.
Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Innenbrennstoffzellen (4) in dem mindestens einen Mittel-Teilstapel (7) höher ist als die Anzahl der Brennstoffzellen (3,4) in dem oberen Teilstapel (5) und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen (3,4) in dem unteren Teilstapel (6).
Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit einem Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dem kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung (11) Kathodengas zuführbar ist und dem anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung (12) Brennstoff zuführbar ist, wobei die Kathodenzufuhrleitung (11) in eine an die Anzahl von Teilstapeln (5,6,7) angepasste Anzahl an Kathodenteilzufuhrleitungen (13) verzweigt gebildet ist und in mindestens einem der Kathodenteilzufuhrleitungen (13) ein Stellglied angeordnet oder in diese eingekoppelt ist zur separaten Zuführung von Kathodengas in einen der Teilstapel (5,6,7) des Brennstoffzellenstapels (1), und wobei die Anodenzufuhrleitung (12) in eine an die Anzahl von Teilstapeln (5,6,7) angepasste Anzahl an Anodenteilzufuhrleitungen (14) verzweigt gebildet ist und in mindestens einem der Anodenteilzufuhrleitungen (14) ein Stellglied angeordnet oder in diese eingekoppelt ist zur separaten Zuführung von Brennstoff in einen der Teilstapel (5,6,7) des Brennstoffzellenstapels (1).
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (2) nach Anspruch 6, umfassend die folgenden Schritte: - Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit mindestens einem der Teilstapel (5,6,7), - Aktivieren von mindestens einem weiteren der Teilstapel (5,6,7) bei Überschreiten einer angeforderten Leistung durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem mindestens einen zu aktivierenden Teilstapel (5,6,7) und elektrisches Verbinden des zu aktivierenden Teilstapel (5,6,7) mit dem mindestens einen bereits aktiven Teilstapel (5,6,7), oder - Deaktivieren von mindestens einem der aktiven Teilstapel (5,6,7) durch Trennen der Zufuhr von Kathodengas und Brennstoff und durch elektrisches Trennen des mindestens einen Teilstapels (5,6,7) von den übrigen Teilstapeln (5,6,7) bei unterschreiten einer abgefragten Leistung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten der Brennstoffzellenvorrichtung (2) die folgenden Schritte umfasst: a) Aktivieren des mindestens einen Mittel-Teilstapels (7) und/oder des oberen Teilstapels (5) durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem Mittel-Teilstapel (7) und/oder dem oberen Teilstapel (5), b) Aktivieren des unteren Teilstapels (6) durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem unteren Teilstapel (6) und durch elektrisches Verbinden des unteren Teilstapels (6) mit dem Mittel-Teilstapel (7), wenn eine erfasste Temperatur eine hinterlegte oder hinterlegbare Minimaltemperatur überschreitet, oder c) Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung (2) mit dem Mittel-Teilstapel (7) und/oder dem oberen Teilstapel (5), wenn eine erfasste Temperatur eine hinterlegte oder hinterlegbare Minimaltemperatur unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeit und/oder bei Überschreiten einer im unteren Teilstapel (6) gemessenen Temperatur über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwert der untere Teilstapel (6) aktiviert wird durch Zuführen von Kathodengas und Brennstoff zu dem unteren Teilstapel (6) und durch elektrisches Verbinden des unteren Teilstapels (6) mit dem benachbarten Mittel-Teilstapel (7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwankung oder Variation einer durch die Brennstoffzellenvorrichtung (2) erzeugten Gesamtspannung mittels eines Brennstoffzellenwandlers ausgeglichen wird.