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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei Brennstoffzellen und ein Gehäuse mit einer Gehäusewand. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembranen (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als SOFC-Brennstoffzellen bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen. SOFC-Brennstoffzellen finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
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Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
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Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4E- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. Der Brennstoffzellenstapel kann von einem Gehäuse umgeben sein.
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Die einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels sind üblicherweise mit einer Elastomerdichtung gegeneinander abgedichtet. Brennstoffzellenstapel können mehrere hundert Brennstoffzellen und eine entsprechende Anzahl an Dichtungen umfassen.
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Im üblichen Betrieb des Brennstoffzellenstapels können kleine Mengen Wasserstoff über die Dichtungen entweichen. Im Schadensfall in einer oder mehreren Dichtungen können auch größere Mengen Wasserstoff entweichen und durch den entwichenen Wasserstoff kann es zur Bildung eines explosiven Gemischs, insbesondere im Gehäuse, kommen.
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Um eine Anreicherung eines explosiven Gemischs in dem Gehäuse zu verhindern, wird das Gehäuse üblicherweise mit Umgebungsluft belüftet, was auch als Ventilation bezeichnet wird. Gehäuse werden bezüglich der Ventilation des explosiven Gemischs optimiert.
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Beispielsweise für ein stöchiometrisches Wasserstoff-Luft-Gemisch können Explosionsdrücke von bis zu 850 kPa auftreten. Daher ist es nötig, die Bildung eines zündfähigen oder explosiven Gemischs, beispielsweise durch Ventilation, zu verhindern und/oder das Gehäuse des Brennstoffzellenstapels druckfest auszuführen. Dadurch entstehen jeweils zusätzliche Kosten und das Gehäuse mit dem Brennstoffzellenstapel weist ein höheres Gewicht auf.
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DE 100 31 238 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer in eine Brennstoffzellenbox eingebrachte Brennstoffzelleneinheit. Ein Belüftungsmittel mit einer in die Brennstoffzellenbox einmündenden Spülmedienzufuhrleitung und einer aus der Brennstoffzellenbox ausmündenden Spülmedienauslassleitung sind beschrieben. Ferner weisen die Belüftungsmittel einen explosionsgeschützten Lüfter auf.
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DE 100 01 717 C1 ist auf ein Brennstoffzellensystem mit wenigsten einer Brennstoffzelleneinheit gerichtet, die in einer Brennstoffzellenbox untergebracht ist. Ein Luftstrom für die Belüftung, ein Kathodengasstrom, ein Kaltstartgasstrom, ein rückgeführter Kathodenabgasstrom oder ein rückgeführter Anodenabgasstrom werden verstärkt. Das System kann mit einem Belüftungsmittel für ein Gehäuse außerhalb der Brennstoffzellenbox ausgerüstet sein.
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In Pantow, E., Ausbreitung und Zerfall von Detonationsfronten in Wechselwirkung mit technischen Strukturen, Fortschrittberichte VDI, 330, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1997, sind Randbedingungen für die Entstehung einer Explosion dargestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei Brennstoffzellen, ein Gehäuse mit einer Gehäusewand und mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung, wobei der Brennstoffzellenstapel und die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung in dem Gehäuse angeordnet sind und die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung zumindest teilweise einen freien Raum in dem Gehäuse begrenzt. Bevorzugt weist der freie Raum eine erste Querschnittsfläche und eine zweite Querschnittsfläche auf und die zweite Querschnittsfläche ist mehr bevorzugt um einen Faktor von mindestens 4, weiter bevorzugt um einen Faktor von mindestens 5, insbesondere um einen Faktor von mindestens 8, zum Beispiel um einen Faktor von 10, größer als die erste Querschnittsfläche.
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Eine Detonation mit Stoßwelle ist eine extreme Form einer Explosion. Bei einer Detonation liegen die höchsten Drücke in einem Explosionsraum vor und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen erreicht Überschallgeschwindigkeit. Eine Detonation entwickelt sich insbesondere aus einer turbulenten Verbrennung, die auch als Deflagration bezeichnet wird. Zur Überführung einer turbulenten Verbrennung in eine Detonation wird ein bestimmter Raum oder eine Weglänge zur Entwicklung der Detonation benötigt.
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Durch technische Strukturen im Explosionsraum, insbesondere durch die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung in dem Gehäuse, kann eine Stoßwelle von einer Flammenfront entkoppelt werden, was zu einer Umwandlung der Detonation zurück in die turbulente Verbrennung führt. Durch die Rückführung in die turbulente Verbrennung werden der maximale Explosionsdruck sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit stark reduziert.
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Ist es bereits zu einer Detonation gekommen, so kann durch eine plötzliche Erweiterung der Querschnittsfläche, bevorzugt in einem Verhältnis von 1 zu mindestens 4 eine Entkopplung von Flammenfront und Stoßwelle erfolgen. Die Erweiterung der Querschnittsfläche stellt eine schlagartige Erweiterung der Geometrie da, in der sich die Detonation bewegt. Entsprechend dient die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung zur Unterdrückung einer Explosion in dem Gehäuse, das den Brennstoffzellenstapel umgibt, wobei die Detonation wieder in eine turbulente Verbrennung überführt werden kann.
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Bevorzugt ist die Vergrößerung von der ersten Querschnittsfläche zur zweiten Querschnittsfläche stufenförmig ausgeführt, insbesondere mit genau einer Stufe. Die Vergrößerung des Querschnitts erfolgt also insbesondere abrupt. Insbesondere ist zwischen der ersten Querschnittsfläche und der zweiten Querschnittsfläche kein Trichter und/oder Diffusor angeordnet. Bevorzugt weist eine den freien Raum begrenzende Wand einen Knick mit einem Winkel von 90°, insbesondere zwischen der ersten Querschnittsfläche und der zweiten Querschnittsfläche, auf. Beispielsweise mündet ein dünnes Rohr in einem Zylinderbehälter oder in einem großen Rohr. Alternativ kann eine Blende in einem Rohr eingesetzt werden.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung als ein zumindest teilweise umlaufender Bund um den Brennstoffzellenstapel ausgeführt. Weiter bevorzugt ist der freie Raum durch den zumindest teilweise umlaufenden Bund, die Gehäusewand und den Brennstoffzellenstapel begrenzt. Der zumindest teilweise umlaufende Bund kann auch als Rahmen oder Kragen um den Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden.
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Die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung, insbesondere der zumindest teilweise umlaufende Bund, erstreckt sich bevorzugt in einen Leerraum, der auch als Totvolumen bezeichnet werden kann, zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Gehäusewand.
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Der Brennstoffzellenstapel weist bevorzugt zwei Endflächen sowie eine Mantelfläche auf. An den Endflächen des Brennstoffzellenstapels ist bevorzugt jeweils eine Endplatte angeordnet. Die Mantelfläche ist bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels und im Wesentlichen senkrecht zu den mindestens zwei Brennstoffzellen ausgerichtet.
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Die Endplatten dienen üblicherweise dem Verpressen der mindestens zwei Brennstoffzellen miteinander sowie der Stabilität des Brennstoffzellenstapels. Die Endplatten dienen auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms aus dem Brennstoffzellenstapel.
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Der zumindest teilweise umlaufende Bund ist bevorzugt an der Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Weiter bevorzugt erstreckt sich der zumindest teilweise umlaufende Bund in einem Winkel in einem Bereich von 45° bis 90°, mehr bevorzugt von 80° bis 90° von der Mantelfläche. Der zumindest teilweise umlaufende Bund erstreckt sich bevorzugt von der Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels in Richtung der Gehäusewand.
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Bevorzugt umgibt der zumindest teilweise umlaufende Bund einen Umfang der Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels zu mindestens 80%, mehr bevorzugt zu mindestens 90% und insbesondere zu mindestens 95%, bezogen auf die Länge des Gesamtumfangs der Mantelfläche, an der Stelle, an der der zumindest teilweise umlaufende Bund angeordnet ist. Weiter bevorzugt ist der zumindest teilweise umlaufende Bund ein vollständig umlaufender Bund, der den Brennstoffzellenstapel vollständig, insbesondere entlang der Mantelfläche, umschließt.
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Weiter bevorzugt ist die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung als eine Platte ausgeführt, wobei die Platte zwischen zwei der mindestens zwei Brennstoffzellen angeordnet ist. Die Platte ist bevorzugt im Wesentlichen parallel zu den Brennstoffzellen angeordnet. Weiter bevorzugt weist die Platte mindestens einen Randbereich auf, der den zumindest teilweise umlaufenden Bund bilden kann.
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Bevorzugt weist die Platte, die auch als Zwischenplatte bezeichnet werden kann, eine größere Fläche als jeweils eine der mindestens zwei Brennstoffzellen auf, so dass der mindestens eine Randbereich, insbesondere in Form des zumindest teilweise umlaufenden Bundes, über die Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels hinausragt.
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Bevorzugt ist die Platte aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, um Strom zwischen den Brennstoffzellen zu leiten. Der zumindest teilweise umlaufende Bund ist bevorzugt nicht elektrisch leitfähig, dies kann durch Beschichten, Eloxieren, Lackieren oder Einlegen eines nicht elektrisch leitfähigen Materials erreicht werden.
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Ist die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung als zumindest teilweise umlaufender Bund beziehungsweise als Platte ausgeführt, so ist die erste Querschnittsfläche des freien Raums bevorzugt in einer Schnittebene des zumindest teilweise umlaufenden Bundes beziehungsweise der Platte angeordnet, die im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet ist. Die zweite Querschnittsfläche ist bevorzugt zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Gehäusewand, insbesondere in einer Schnittebene einer dem zumindest teilweise umlaufenden Bund beziehungsweise der Platte benachbarten Brennstoffzelle angeordnet, wobei die Schnittebene der benachbarten Brennstoffzelle im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet ist.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst bevorzugt mehr als 150 Brennstoffzellen, mehr bevorzugt mehr als 250 Brennstoffzellen und insbesondere mehr als 450, zum Beispiel 500 Brennstoffzellen. Der Brennstoffzellenstapel kann bis zu 600 Brennstoffzellen, bevorzugt bis zu 500 Brennstoffzellen umfassen.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst bevorzugt mehr als eine Explosionsschutzvorrichtung, zum Beispiel zwei oder drei oder mehr als drei Explosionsschutzvorrichtungen. Mindestens zwei Explosionsschutzvorrichtungen sind bevorzug in einem Winkel von weniger als 30°, mehr bevorzugt in einem Winkel von weniger als 10°, insbesondere im Wesentlichen parallel zueinander im Gehäuse angeordnet.
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Der Brennstoffzellenstapel weist bevorzugt eine Gesamthöhe auf, die sich über alle im Brennstoffzellenstapel gestapelten Brennstoffzellen erstreckt, wobei die Endplatten bevorzugt unberücksichtigt bleiben. Die Gesamthöhe wird üblicherweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung gemessen.
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Bevorzugt ist zumindest eine der mindestens einen Explosionsschutzvorrichtung in einem Bereich von 25% bis 75%, mehr bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 60%, insbesondere in einem Bereich von 45% bis 55%, zum Beispiel bei 50%, der Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Bei einer Anzahl von beispielsweise 500 Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel würde dies einer Anordnung benachbart zu einer 250igsten Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel entsprechen.
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Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem mehr als eine Explosionsschutzvorrichtung umfasst, zum Beispiel drei Explosionsschutzvorrichtungen, ist es bevorzugt, dass eine der mehr als einen Explosionsschutzvorrichtungen in einem Bereich von 20% bis 30% der Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels, mehr bevorzugt in einem Bereich von 23% bis 27% der Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass eine der mehr als einen Explosionsschutzvorrichtungen in einem Bereich von 70% bis 80%, mehr bevorzugt in einem Bereich von 73% bis 77% der Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
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Bei einer Anzahl von 500 Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel kann zum Beispiel eine erste Explosionsschutzvorrichtung benachbart zu einer 125igsten Brennstoffzelle, eine zweite Explosionsschutzvorrichtung benachbart zu einer 250igsten Brennstoffzelle und eine dritte Explosionsschutzvorrichtung benachbart zu einer 375igsten Brennstoffzelle angeordnet sein.
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Brennstoffzellenstapel neigen insbesondere im liegenden Einbau zum Durchbiegen und sind anfällig für Stöße und Vibration beispielsweise auf unebenen Straßen, wobei die Dichtungen der Brennstoffzellen ungleichmäßig belastet werden, so dass Gasleckagen und Kühlmittelleckagen begünstigt sind.
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Die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung, insbesondere als Platte ausgeführt, bietet zusätzlich eine Stütze zwischen Brennstoffzellenstapel und Gehäuse, so dass ein Durchbiegen und/oder eine Vibration vermindert werden.
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Der Brennstoffzellenstapel ist im Betrieb in einer Ausführungsform bevorzugt liegend angeordnet, wobei die mindestens zwei Brennstoffzellen und gegebenenfalls die Endplatten weiter bevorzugt eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung haben und die Stapelrichtung entsprechend im Wesentlichen horizontal verläuft.
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Bevorzugt ist zwischen der mindestens einen Explosionsschutzvorrichtung und der Gehäusewand ein Spalt ausgebildet. Der Spalt weist insbesondere eine rechteckige Querschnittsfläche auf. Bevorzugt ist die erste Querschnittsfläche des freien Raumes in einer Schnittebene des Spaltes angeordnet, wobei die Schnittebene des Spaltes weiter bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet ist. Mehr bevorzugt wird der freie Raum zumindest teilweise durch den Spalt gebildet.
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In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung bevorzugt mindestens eine Bohrung auf, die weiter bevorzugt zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Gehäusewand angeordnet ist. Bevorzugt ist die mindestens eine Bohrung in dem zumindest teilweise umlaufenden Bund angeordnet. Weiter bevorzugt ist die erste Querschnittsfläche des freien Raums in einer Schnittebene der mindestens einen Bohrung angeordnet, wobei die Schnittebene der mindestens einen Bohrung insbesondere bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet ist.
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Die mindestens eine Bohrung weist bevorzugt eine zylindrische Form auf, so dass durch die mindestens eine Bohrung ein zylinderförmiger Leerraum gebildet wird, wobei der zylinderförmige Leerraum bevorzugt Teil des freien Raums ist. Die mindestens eine Bohrung besitzt bevorzugt einen runden Querschnitt. Eine Bohrachse der mindestens einen Bohrung ist bevorzugt in einem Winkel von weniger als 30° zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere parallel zu der Stapelrichtung angeordnet.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung von dem Gehäuse elektrisch isoliert. Die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung, insbesondere der zumindest teilweise umlaufende Bund beziehungsweise die Platte, kann eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Die elektrische Isolierung der mindestens einen Explosionsvorrichtung gegenüber dem Gehäuse kann auch durch den Spalt erzielt werden. Ferner kann das Gehäuse aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt sein.
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Der Spalt kann auch einer Belüftung des Gehäuses zur Vermeidung der Entstehung eines explosiven Gemischs dienen. Ferner kann die mindestens eine Explosionsschutzvorrichtung, insbesondere der zumindest teilweise umlaufende Bund beziehungsweise die Platte, Aussparungen wie die mindestens eine Bohrung zur Belüftung aufweisen.
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Bevorzugt ist in dem Gehäuse zusätzlich eine Flammensperre wie ein Metallsieb angeordnet. Das Metallsieb ist bevorzugt engmaschig. Engmaschig bedeutet insbesondere, dass ein Verhältnis von einem Material des Metallsiebs zu einem offenen Raum 1:1 oder größer ist. So kann das Metallsieb zum Beispiel durch einen Draht gebildet werden, wobei der Draht eine Dicke von 2 mm aufweisen und der Abstand zu einem benachbarten Draht 1 mm betragen kann. Bevorzugt ist die Flammensperre in einem Abstand in einem Bereich von dem einfachen bis 15fachen eines Durchmessers der ersten Querschnittsfläche zu der mindestens einen Explosionsschutzvorrichtung angeordnet. Weiterhin ist die Flammensperre bevorzugt in Bewegungsrichtung der Detonation hinter der mindestens einen Explosionsschutzvorrichtung angeordnet.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug umfassend das Brennstoffzellensystem.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete Explosionsschutzvorrichtung und insbesondere die plötzliche Erweiterung, also die Vergrößerung der Querschnittsfläche des freien Raums, kann im Falle einer Detonation eine Entkopplung von Flammenfront und Stoßwelle erfolgen, sodass die Detonation in eine turbulente Verbrennung überführt beziehungsweise rücküberführt werden kann. Der maximale Explosionsdruck sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit werden stark reduziert.
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Eine Ventilation des Brennstoffzellengehäuses sowie eine druckfeste Ausführung des Gehäuses wird nicht mehr benötigt oder kann reduziert werden, so dass Gewicht und Kosten eingespart werden können.
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Ein sicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems mit erhöhtem Explosionsschutz ist möglich, da die Detonation innerhalb des Gehäuses unterdrückt werden kann.
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Ergänzend führen die konstruktiven Strukturen der mindestens einen Explosionsschutzvorrichtung zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels gegenüber Durchbiegen und Vibration, sodass die mechanische Stabilität verbessert wird.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
- 2 einen Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems,
- 3 eine vergrößerte Schnittansicht eines Brennstoffzellensystems,
- 4 eine vergrößerte Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems und
- 5 eine schematische Darstellung eines freien Raums in einem Brennstoffzellensystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 3 mit mehreren Brennstoffzellen 5. Jede Brennstoffzelle 5 weist eine Membran 31, zwei Gasdiffusionslagen 33, eine Anode 35 und eine Kathode 37 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 5 sind durch Bipolarplatten 39, die eine Kühlplatte 41 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 3, dem Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Kühlmittel zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 43 abgeschlossen und weist Stromsammler 45 auf.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Brennstoffzellensystems 1. In einem Gehäuse 7, das eine Gehäusewand 9 aufweist, ist ein Brennstoffzellenstapel 3 umfassend mehrere Brennstoffzellen 5 angeordnet. Weiterhin ist eine Explosionsschutzvorrichtung 11 mit dem Brennstoffzellenstapel 3 in dem Gehäuse 7 angeordnet.
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Die Explosionsschutzvorrichtung 11 ist als eine Platte 21 ausgeführt, die einen Randbereich 23 aufweist. Der Randbereich 23 stellt einen umlaufenden Bund 19 um den Brennstoffzellenstapel 3 dar.
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Der Brennstoffzellenstapel 3 stellt eine Schichtung aus den mehreren Brennstoffzellen 5 und der Explosionsschutzvorrichtung 11 dar und besitzt eine Gesamthöhe 25.
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3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2. Es ist erkennbar, dass zwischen dem umlaufenden Bund 19 und der Gehäusewand 9 ein Spalt 27 ausgebildet ist.
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Begrenzt durch die Explosionsschutzvorrichtung 11, den Brennstoffzellenstapel 3 und die Gehäusewand 9 ist in dem Gehäuse 7 ein freier Raum 13 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 ausgebildet.
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Der freie Raum 13 weist eine erste Querschnittsfläche 15 auf, die von der Explosionsschutzvorrichtung 11 und der Gehäusewand 9 begrenzt ist, sowie eine zweite Querschnittsfläche 17, die von dem Brennstoffzellenstapel 3 und der Gehäusewand 9 begrenzt ist. Die zweite Querschnittsfläche 17 ist um einen Faktor von mindestens 4 größer als die erste Querschnittsfläche 15.
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Durch die plötzliche Expansion zwischen der ersten Querschnittsfläche 15 und der zweiten Querschnittsfläche 17 können im Falle einer sich entwickelnden Detonation Stoßwelle und Flammenfront entkoppelt werden.
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4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 1. Wie in 3 ist die Explosionsschutzvorrichtung 11 als eine Platte 21 zwischen Brennstoffzellen 5 ausgeführt.
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In der Ausführungsform gemäß 4 erstreckt sich die Explosionsschutzvorrichtung 11 bis zur Gehäusewand 9. Die Platte 21 weist einen Randbereich 23 auf, der mit einer Bohrung 29 versehen ist. Eine Bohrachse 28 der Bohrung 29 ist im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung 30 des Brennstoffzellenstapels 3 ausgerichtet.
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Hier weist der freie Raum 13 eine erste Querschnittsfläche 15 auf, die in der Bohrung 29 angeordnet ist und somit lediglich von der Explosionsschutzvorrichtung 11 begrenzt wird.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines freien Raums 13 in einem Brennstoffzellensystem 1. Der freie Raum 13 weist eine plötzliche Erweiterung 16 auf, die sich aus den unterschiedlichen Größen einer erste Querschnittsfläche 15 und einer zweiten Querschnittsfläche 17 des freien Raums 13 ergibt. Die Erweiterung 16 wird insbesondere als plötzlich bezeichnet, da eine den freien Raum 13 begrenzende Wand 12 einen Knick in einem Winkel 14 von 90° aufweist. Eine Bewegungsrichtung 18 der Detonation ist von der ersten Querschnittsfläche 15 zu der zweiten Querschnittsfläche 17 gerichtet.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10031238 A1 [0012]
- DE 10001717 C1 [0013]
