DE102020108651A1

DE102020108651A1 - Brennstoffzellenstapel mit verzweigtem Einlassverteiler und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020108651A1
Application number: DE102020108651.2A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, denen ein eine Verzweigung (12) aufweisender Einlassverteiler (11) zur Zufuhr zumindest eines der Reaktanten zugeordnet ist, von dem ein erster Leitungsteil (13) strömungsmechanisch an einer ersten Einlassstelle (15) der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist, und von dem ein zweiter Leitungsteil (16) strömungsmechanisch an einer zweiten Einlassstelle (18) der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist. In dem ersten Leitungsteil (13) und/oder in dem zweiten Leitungsteil (16) ist ein Stellglied (14, 17) zum zumindest teilweisen Inaktivstellen des jeweiligen Leitungsteils (13, 16) angeordnet. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel (100) aufweisender Brennstoffzellenvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einem verzweigten Einlassverteiler, von dem ein erster Leitungsteil strömungsmechanisch an einer ersten Einlassstelle der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist, und von dem ein zweiter Leitungsteil strömungsmechanisch an einer zweiten Einlassstelle der gestapelten Brennstoffzelle angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, in der ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, in der Regel aus Luft entnommener Sauerstoff, reagiert. Zur Leistungssteigerung ist es dabei möglich, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, um insbesondere den Leistungsanforderungen zu genügen, die in Kraftfahrzeugen bestehen. Brennstoffzellen enthalten als Kernkomponente einen Elektrolyten und zugeordnete Elektroden. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt. In Falle eines wasserstoffhaltigen Gases wird dieses zunächst reformiert und so Wasserstoff bereit gestellt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen statt. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet.
Die KR101547130 B1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, bei dem die Endplatte ein Brennstoffeinlass hat, der sich verzweigt, um eine geeignete Brennstoffverteilung hervorzurufen.
In der US 2004/0038114 A1 wird eine Elektrolyt-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle beschrieben, die ein Paar aus einem ersten und einem zweiten Separator zur sandwichartigen Elektrolyt-Elektrodenanordnung umfasst.
In der US 2009/0098435 A1 wird ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der bei der anodenseitigen Platte mehrere Wasserstoffeinlässe ausweist, die zweidimensional verteilt auf ihrer Plattenoberfläche angeordnet sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel zur Minderung des Druckverlusts von Medien bereitzustellen. Es ist darüber hinaus die Aufgabe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit dem Merkmal des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Brennstoffzellenstapel sieht also einen eine Verzweigung aufweisenden Einlassverteiler zur Zufuhr zumindest eines der Reaktanten vor, wobei an die Brennstoffzellen ein erster und zweiter Leitungsteil strömungsmechanisch angeschlossen sind. In wenigstens einem der Leitungsteile ist ein Stellglied angeordnet zum zumindest teilweise Inaktivstellen, vorzugsweise zum vollständigen Inaktivstellen des jeweiligen Leitungsteils. Auf diese Weise lässt sich Wasser gezielt austragen, aufgrund der Verstellbarkeit des Stellglieds.
Vorzugsweise ist in jedem der Leitungsteile ein Stellglied zum Inaktivstellen des jeweiligen Leitungsteils ausgebildet. Damit kann der Druckverlust insgesamt reduziert und ein robusteres Betriebsverhalten erreicht werden.
Insbesondere erfolgt die Zufuhr der Reaktanten über einen ersten Leitungsteil und eine erste Einlassstelle, sowie über einen zweiten Leitungsteil und eine zweite Einlassstelle, die an gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffstapels angeordnet sind, wodurch eine Gleichverteilung der Zufuhr der Reaktanten garantiert wird.
Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstapel mit jeweils einem Stellglied pro Leitungsteil ausgebildet, um den Durchmesser der Zuführung zu reduzieren, da die aktive Fläche der Platte vergrößert werden kann. Zudem kann jeder Leitungsteil auch separat inaktiv gestellt werden, um eine nur einseitige Durchströmung zu realisieren und den Flüssigwasseranteil an Randzellen von der einen bzw. anderen Seite wechselnd zu durchströmen.
In diesem Zusammenhang hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Stellglieder als Klappen und/oder Ventile ausgebildet sind, wodurch eine gezielte Anpassung und schnelle Änderung der Verteilung der Reaktanten erfolgen kann.
Vorzugsweise ist ferner ein Auslasssammler vorhanden und strömungsmechanisch mit jedem der Leitungsteile des Einlassverteilers verbunden. Das System oder die gestapelte Brennstoffzelle weisen eine erste Auslassstelle und eine zweite Auslassstelle auf, so dass der verzweigte Auslasssammler mit einem ersten Leitungsteil an der ersten Auslassstelle strömungsmechanisch angeschlossen ist, und so, der verzweigte Auslasssammler an die zweite Auslassstelle mit einem zweiten Leitungsteil strömungsmechanisch angeschlossen ist. Dadurch ist die Vorrichtung noch kompakter gebildet und eine größere aktive Fläche bei gleichem Bauraum wird ermöglicht.
Es hat sich als besonders sinnvoll erwiesen, wenn die erste Auslassstelle und die zweite Auslassstelle auf gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffstapels angeordnet sind. Für den verbesserten Austrag der Reaktanten ist es vorteilhaft, wenn den Auslassstellen bzw. dem Auslasssammler keine Stellglieder zugeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, wenn die Leitungsteile des Auslasssammlers stellgliederfrei oder frei von Stellgliedern sind. Der Brennstoffzellenstapel wird optimiert hinsichtlich seiner Eigenschaften und besitzt insbesondere eine höhere Effizienz, da die Brennstoffnutzung und das Wassermanagement verbessert werden können.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel entfaltet seine Wirkung und Vorteile beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, das eine deutlich verbesserte Effizienz aufweist.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel, mit dem verzweigten Einlassverteiler, Stellgliedern und Auslasssammler.

In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 100 gezeigt. Hierbei ist eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Brennstoffzellen vorhanden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Zellen parallel zueinander angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst einen Einlass der Reaktanten über einen verzweigten Einlassverteiler 11 und einen Auslasssammler 21. Der Einlassverteiler 11 teilt sich an einer Verzweigung 12 in einen ersten Leitungsteil 13, der strömungsmechanisch an einer ersten Einlassstelle 15 der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist, und einen zweiten Leitungsteil 16, der strömungsmechanisch an einer zweiten Einlassstelle 18 der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist.
Der Brennstoffzellenstapel in 1 zeigt zudem, dass die erste Einlassstelle 15 und die zweite Einlassstelle 18 an gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffstapels angeordnet sind, und dass im ersten Leitungsteil 13 ein erstes Stellglied 14 und im zweiten Leitungsteil 16 ein zweites Stellglied 17 vorhanden sind. Vorzugsweise sind die Stellglieder 16, 17 als Klappen und/oder Ventile, insbesondere als Druckregelventile gebildet.
Zudem zeigt 1 einen verzweigten Auslasssammler 21, der strömungsmechanisch mit jedem der Leitungsteile 13, 16 des Einlassverteilers 11 verbunden ist. Der Auslasssammler 21 ist dabei mittels eines ersten Leitungsteils 22 mit einer ersten Auslassstelle 23 der Brennstoffzellen und mittels eines zweiten Leitungsteils 24 mit einer zweiten Auslassstelle 25 verbunden. Insbesondere sind die erste Auslassstelle 23 und die zweite Auslassstelle 25 an gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffstapels 100 angeordnet. Die Leitungsteile 22, 23 des Auslasssammlers 21 sind frei von Stellgliedern.
Der Brennstoffzellenstapel 100 kann insbesondere in einer Brennstoffzellenvorrichtung eines Kraftfahrzeugs genutzt werden, was zur Effizienzsteigerung führt
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
11: Einlassverteiler
12: Verzweigung
13: Erster Leitungsteil (Einlassverteiler)
14: Stellglied
15: Erste Einlassstelle
16: Zweiter Leitungsteil (Einlassverteiler)
17: Stellglied
18: Zweite Einlassstelle
21: Auslasssammler
22: Erster Leitungsteil (Auslasssammler)
23: Erste Auslassstelle
24: Zweiter Leitungsteil (Auslasssammler)
25: Zweite Auslassstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 101547130 B1 [0003]
US 2004/0038114 A1 [0004]
US 2009/0098435 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, denen ein eine Verzweigung (12) aufweisender Einlassverteiler (11) zur Zufuhr zumindest eines der Reaktanten zugeordnet ist, von dem ein erster Leitungsteil (13) strömungsmechanisch an einer ersten Einlassstelle (15) der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist, und von dem ein zweiter Leitungsteil (16) strömungsmechanisch an einer zweiten Einlassstelle (18) der gestapelten Brennstoffzellen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Leitungsteil (13) und/oder in dem zweiten Leitungsteil (16) ein Stellglied (14,17) zum zumindest teilweisen Inaktivstellen des jeweiligen Leitungsteils (13, 16), angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einlassstelle (15) und die zweite Einlassstelle (18) an gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffstapels (100) angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Leitungsteile (13, 16) jeweils ein Stellglied (14,17) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14, 17) durch eine Klappe gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14, 17) durch ein Ventil, insbesondere ein Druckregelventil, gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslasssammler (21) vorhanden und strömungsmechanisch mit jedem der Leitungsteile (13, 16) des Einlassverteilers (11) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gestapelten Brennstoffzellen eine erste Auslassstelle (23) und eine zweite Auslassstelle (25) aufweisen, dass der verzweigte Auslasssammler (21) mit einem ersten Leitungsteil (22) an die erste Auslassstelle (23) strömungsmechanisch angeschlossen ist, und dass der verzweigte Auslasssammler (21) an die zweite Auslassstelle (25) mit einem zweiten Leitungsteil (24) strömungsmechanisch angeschlossen ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auslassstelle (23) und die zweite Auslassstelle (25) auf gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffstapels (100) angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsteile (22, 24) des Auslasssammlers (21) frei von Stellgliedern gebildet sind.
Kraftfahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.