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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von in Stapelrichtung angeordneten Brennstoffzellen, durch die Reaktantenleitungen für die Reaktanten und eine Kühlmittelleitung für ein Kühlmittel geführt sind, wobei mit Abstand zu den randständigen Brennstoffzellen eine Trennplatte zwischen zwei der Brennstoffzellen eingefügt ist, in der für die Reaktanten und das Kühlmittel Durchleitungen ausgebildet sind, und wobei jeder der Durchleitungen ein Absperrmittel zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membranelektrodenanordnung, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseits an der Membran angeordneten Elektrode ist, nämlich einer Anode und Kathode. Zudem können Gasdiffusionslagen beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Für eine Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden.
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Im Betrieb wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H
2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H
2 zu H
+ unter Abgabe von Elektronen e
- stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H
+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. 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 O
2 zu O
2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Es ist dabei auch ein sorgfältiges Temperaturmanagement erforderlich, so dass neben den Reaktanten ein Kühlmittel zur geeigneten Temperierung des Brennstoffzellenstapels, von den Reaktanten getrennt, an die jeweiligen aktiven Bereiche der Brennstoffzellen geführt wird, wobei eine Zu- und eine Abfuhr über sogenannte Medienführungen erfolgt. Neben der Membranelektrodenanordnung verfügt daher eine Brennstoffzelle in der Regel über eine Bipolarplatte, in der für jedes Medium eine Zuleitung, eine Ableitung sowie mindestens ein Medienkanal ausgebildet ist, der im Falle der Reaktanten in der Regel zu einem Flussfeld erweitert ist. Eine derartige Bipolarplatte, auch als Separatorplatte bezeichnet, ist in der
DE 10 2016 125 355 A1 offenbart. Diese Separatorplatte ist auf höhere Spannungen ausgelegt und verfügt daher zusätzlich über ein Isolationselement. Eine modularisierte Bipolarplatte ist in der
DE 10 2008 038 201 A1 gezeigt. Es ist auch eine Brennstoffzellenanordnung mit mehreren unabhängig voneinander betreibbaren Brennstoffzellenstapel offenbart. Ein Verfahren zur Fertigung einer Bipolarplatte ist der
KR 20150057380 A zu entnehmen.
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Die Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen mit einer Kraft im Bereich von mehreren 10.000 N verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten zu vermeiden.
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Zu beachten ist dabei, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verursacht durch eine Wärmeausdehnung der verwendeten Komponenten, durch den für die Zuführung und Verteilung der Reaktanten verwendeten Druck und durch ein Aufquellen der verwendeten Membran bei deren Hydratisierung.
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Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wärmeausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen oder durch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionslagen, das mit zunehmender Nutzungsdauer und damit Lebensalter des Brennstoffzellenstapels zunimmt.
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Nachteilig ist es, dass bei sehr hohen Leistungsanforderungen mit einer entsprechend großen Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel, nämlich mehreren Hundert Brennstoffzellen, insbesondere mehr als 400 Brennstoffzellen, dessen mechanische Stabilität beeinträchtigt wird, die Biegesteifigkeit des Brennstoffzellenstapels abnimmt und die Wahrscheinlichkeit von Undichtigkeiten zunimmt, die sich über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels noch erhöht. Zudem nimmt der Wasserstoffverlust aufgrund von vergrößerten Undichtigkeiten durch die Verwindung des Brennstoffzellenstapels zu, was die Effizienz mindert und die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben zur freigesetzten Wasserstoffkonzentration erschwert.
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Insbesondere bei der Anwendung des Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellenfahrzeug kann bei der Einwirkung hoher Kräfte, beispielsweise bei einer Kollision, es zu einer Auslenkung der aneinander gereihten einzelnen Brennstoffzellen kommen, deren Amplitude mit der Länge des Brennstoffzellenstapels zunimmt. Dies kann zu einem Verlust der Dichtigkeit und sogar zu einer Zerstörung des Brennstoffzellenstapels führen.
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Der zulässige Betriebsbereich einer Brennstoffzelle wird begrenzt durch Sicherheitsmerkmale und Lebensdauer-Aspekte, so dass selbst im Leerlaufbetrieb ein bestimmter Strom erzeugt wird. Diese Mindest-Systemleistung ist abhängig von der Anzahl der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel und kann über den momentan nachgefragten und nutzbaren Bedarf liegen.
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Ein große Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel erhöht auch dessen thermische Masse, also dessen Wärmekapazität, was die Dauer der Aufheizphase bei einem Kaltstart erhöht und die Betriebsstabilität verringert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung bereit zu stellen, die die vorstehend genannten Nachteile mildern oder sogar beseitigen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der eingangs genannte Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Trennplatte die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels erhöht und damit verbessert wird, so dass dieser wenig anfällig für Undichtigkeiten ist. Es ist also möglich, sehr viel mehr Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen und so eine erhöhte Leistung bereit zu stellen. Des Weiteren ist die Möglichkeit geschaffen, einen Teil der Brennstoffzellen abzuschalten, also eine Teilmenge der Brennstoffzellen inaktiv zu schalten, um die minimale elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels zu reduzieren. In der Teillast kann durch die gezielte Abschaltung eines Zellenblocks der Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels erhöht werden, wodurch hohe Zellspannungen vermieden werden und die Lebensdauer erhöht wird. Auch wird die Flexibilität erhöht, was verbesserte Betriebsstrategien, eine verbesserte Betriebsstabilität und eine verbesserte Effizienz ermöglicht.
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Die Überführung von Brennstoffzellen in den inaktiven Bereich führt zu einer Verkleinerung der bei einem Froststart gegebenen thermischen Masse, so dass das Aufheizverhalten verbessert wird.
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Zweckmäßigerweise ist die Trennplatte so positioniert, dass die von den Reaktanten und dem Kühlmittel versorgten, aktiven Brennstoffzellen die benötigte minimale Leistungsaufnahme eines Verbrauchers bereitstellen.
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Alternativ kann dieses Kriterium für einen symmetrischen Aufbau mit verbesserter Stabilität vernachlässigt werden, bei dem die Trennplatte mittig zwischen der Gesamtzahl der Brennstoffzellen positioniert ist.
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Auch kann für eine gesteigerte Flexibilität die Trennplatte mehrfach vorgesehen sein, wobei einer Stromschiene für jede der Trennplatten ein Trennmittel zugeordnet ist.
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Die Absperrmittel sind vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, die Absperrklappen, Absperrventile, Kugelventile, Sperrschieber und Sperrblenden umfasst.
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Wenn mindestens eines der Absperrmittel unabhängig von den anderen betätigbar ist, dann ergibt sich eine weiter gesteigerte Flexibilität bei den Betriebsstrategien, da beispielsweise für die inaktiven Brennstoffzellen die Kühlung fortgeführt werden kann oder durch einen sauerstoffverarmten Betrieb einiger Brennstoffzellen eine verbesserte Aufwärmung erzielt wird. Für die verbesserte Flexibilität ist es auch vorteilhaft, wenn mindestens eines der Absperrmittel einen variablen Blockadegrad der zugeordneten Durchleitung ermöglicht.
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Die vorstehend genannten Wirkungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel und für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
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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 verbindbar, 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.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 die schematische Darstellung des zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit einer für die Medien durchlässigen Trennplatte, mit Absperrmitteln (dargestellt als offene Rechtecke),
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung, bei der die Absperrmittel in der Trennplatte verschlossen sind (dargestellt als gefüllte Rechtecke),
- 4 eine der 3 entsprechende Darstellung, bei der die Trennplatte mittig in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und
- 5 eine der 3 entsprechende Darstellung, bei der mehrere Trennplatte in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, dargestellt jeweils mit verschlossenen Absperrmitteln.
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In der 1 ist schematisch der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wie diese insbesondere in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden kann. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von in Stapelrichtung angeordneten Brennstoffzellen 20 auf.
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Jede der Brennstoffzellen 20 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff, insbesondere Wasserstoff aus einem Brennstofftank 5 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. 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.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen 20 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 3 nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt, und einem Ladeluftkühler zur Temperierung.
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Der Brennstoffzellenstapel 20 weist neben den Strömungspfaden für die gasförmigen Reaktanten auch einen Strömungspfad, also eine Kühlmittelleitung 6 für ein Kühlmittel auf, die in einen Kühlmittelkreislauf 7 eingebunden ist. Die Realisierung erfolgt, indem jede Brennstoffzelle 20 neben der Membranelektrodenanordnung über eine Bipolarplatte verfügt, in der für jedes Medium eine Zuleitung 21, eine Ableitung sowie mindestens ein Medienkanal ausgebildet ist, der im Falle der Reaktanten in der Regel zu einem Flussfeld erweitert ist.
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Der Brennstoffzellenstapel 2 verfügt auch über eine Spannvorrichtung 22 für das Zusammendrücken der Brennstoffzellen 20. Den endständigen Brennstoffzellen 20 sind dabei Endplatten 23 zugeordnet, an denen für die Krafteinleitung die Spannvorrichtung 22 angeschlossen ist, wobei an einer der Endplatten 23 oder auch an beiden Endplatten 23 die Zuleitungen 21 und Ableitungen angeordnet sind, an den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen an der linken Endplatte 23.
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In dem Brennstoffzellenstapel 2 ist mit Abstand zu den randständigen Brennstoffzellen 20 mindestens eine Trennplatte 8 zwischen zwei der Brennstoffzellen 20 eingefügt, in der für die Reaktanten und das Kühlmittel Durchleitungen 9 ausgebildet sind, wobei jeder der Durchleitungen 9 ein Absperrmittel 24 zugeordnet ist.
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In den 2 und 4 ist dabei eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Trennplatte 8 in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet ist, also die Trennplatte 8 die Anzahl der Brennstoffzellen 20 in einem Verhältnis von 50:50 teilt. Diese Aufteilung muss aber nicht zwingend eingehalten werden, sondern es ist auch möglich, dass die Trennplatte 8 so positioniert ist, dass die von den Reaktanten und dem Kühlmittel versorgten, aktiven Brennstoffzellen 20 die benötigte minimale Leistungsaufnahme eines Verbrauchers, insbesondere des Kraftfahrzeuges bereitstellen.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die Trennplatte 8 mehrfach vorgesehen ist, also die Möglichkeit besteht, eine unterschiedliche Anzahl von Brennstoffzellen 20 aktiv zu betreiben, so dass mit größerer Variabilität auf die Leistungsanforderungen reagiert werden kann und die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels 2 weiter verbessert ist.
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Die Absperrmittel 24 sind ausgewählt aus einer Gruppe, die Absperrklappen, Absperrventile, Kugelventile, Sperrschieber und Sperrblenden umfasst, wobei die Steuerung so ausgelegt sein kann, dass mindestens eines der Absperrmittel 24 unabhängig von den anderen betätigbar ist. Es kann also beispielsweise bei einer Blockade der Durchleitungen 9 für die Reaktanten die Versorgung der inaktiven Brennstoffzellen 25 mit dem Kühlmittel aufrechterhalten bleiben. Alternativ kann auch für ein schnelleres Aufwärmen nach einem Neustart durch einen sauerstoffverarmten Betrieb das Absperrmittel 24 für das Oxidationsmittel blockiert werden, ohne die Zufuhr des Brennstoffes zu unterbinden. Dafür ist es auch zweckmäßig, wenn mindestens eines der Absperrmittel 24 einen variablen Blockadegrad der zugeordneten Durchleitung ermöglicht, da so Zwischenwerte für die Übertragung der Medien zwischen vollständiger Freigabe und vollständiger Blockade möglich sind.
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Für die Unterteilung des Brennstoffzellenstapels 2 in aktive Brennstoffzellen 20 und inaktive Brennstoffzellen 25 ist einer Stromschiene für jede der Trennplatten 8 ein Trennmittel zugeordnet ist.
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Bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform ist das Absperrmittel 24 für die Kühlleitung 6 genutzt, um oberhalb der Trennplatte 8 und unterhalb der Trennplatte 8 zwei Kühlmittelteilkreisläufe 11 auszubilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Verdichter
- 4
- Befeuchter
- 5
- Brennstofftank
- 6
- Kühlmittelleitung
- 7
- Kühlmittelkreislauf
- 8
- Trennplatte
- 9
- Durchleitung
- 10
- Zulauf der Kühlmittelleitung
- 11
- Kühlmittelkreislauf
- 12
- Kühlmitteldurchleitung
- 13
- Zulaufleitung
- 14
- Ablaufleitung
- 15
- Hauptkühlmittelkühler
- 16
- Thermostatventil
- 17
- Frischluftleitung
- 18
- Kathodenabgasleitung
- 19
- Kühlmittelpumpe
- 20
- Brennstoffzelle
- 21
- Zuleitung
- 22
- Spannvorrichtung
- 23
- Endplatte
- 24
- Absperrmittel
- 25
- Inaktive Brennstoffzellen
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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 102016125355 A1 [0003]
- DE 102008038201 A1 [0003]
- KR 20150057380 A [0003]
