-
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen Endplatten angeordnet sind und von denen mindestens eine Endplatte mindestens einen Hohlraum besitzt, und wobei diese Endplatte keine Öffnung für einen Medienanschluss für Reaktanten aufweist; mithin also medienanschlussfrei für Reaktanten bzw. öffnungsfrei gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung uns ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
-
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 werden in der Regel mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, der durch eine Spannvorrichtung zwischen Endplatten verspannt wird.
-
Häufig werden zusätzliche (leere) Einzelzellen ohne aktive Membranelektrodenanordnung endständig in einen Brennstoffzellenstapel eingebaut. Daraus ergibt sich eine verbesserte Durchströmung der ersten und letzten Einzelzellen. Weiterhin besteht ein hohes Druckgefälle, wodurch möglicherweise am Brennstoffzellenstapeleintritt vorhandenes Flüssigwasser durch die Versorgungs-kanäle gesaugt wird. So kann ein schief eingebautes Aggregat oder, sollte die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, ein schief abgestelltes Kraftfahrzeug dazu führen, dass die Versorgungskanäle nach dem Abschalten durch Flüssigwasser blockiert werden, was insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu einem erschwerten Froststart führt. Auch führt diese Anordnung zu einem schwereren und größeren Brennstoffzellenstapel, wodurch der Bauraumbedarf erhöht ist. Weiterhin werden mehr Brennstoffzellen eingebaut als tatsächlich benötigt werden, wodurch die Kosten gesteigert werden. Zudem ist die Leistungsdichte des Aggregats reduziert.
-
Die
DE 101 58 771 A1 offenbart einen Endplattengrundkörper mit Kanalstrukturen für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Endplatte, die durch ein Wärmeelement elektrisch gewärmt wird, wird von der
US 2001/0036568 A1 offenbart. Die
JP 2012028078 A offenbart eine Ausbuchtung, die auf der Oberfläche einer Endplatte eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und der Abteilung von Versorgungskanälen dient.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Endplatte, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung bereit zu stellen, die die vorstehend genannten Nachteile mildern oder sogar beseitigen.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Endplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 6, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Der eingangs genannte Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass die Durchströmung, insbesondere der endständigen Randplatten, durch das Einarbeiten mindestens eines Hohlraumes in mindestens eine Endplatte verbessert wird. Dadurch kann auf den Einbau von zusätzlichen leeren Brennstoffzellen verzichtet werden, wodurch die Leistungsdichte erhöht und die Produktions- und Materialkosten gesenkt werden.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Hohlraum einen gleich großen oder größeren Querschnitt aufweist, als zu ihm führende Medienkanäle und diese ab- oder überdeckt, da so eine verbesserte Durchströmung erreicht wird. Weiterhin wird so Raum für eine Flüssigkeitsansammlung erzeugt, wodurch vermieden wird, dass sich in den Medienkanälen Flüssigwasser ansammelt und so zu Blockierungen führt, die folgende Startvorgänge beeinträchtigt würden, was insbesondere bei Froststartbedingungen von Vorteil ist.
-
Bevorzugt ist es, dass der Hohlraum durch Pressung, Biegung, Fräsung und/oder Ätzung eingebracht ist. So kann der Hohlraum durch eine unaufwändige Bearbeitung in die Endplatte eingebracht werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Brennstoffzellenstapel frei von leeren, unvollständigen Brennstoffzellen gebildet ist, die benachbart zu der einen Hohlraum aufweisenden Endplatte angeordnet sind. Diese unvollständigen Brennstoffzellen, die ohne eine aktive Membranelektrodenanordnung ausgelegt sind, werden nicht mehr zur Verbesserung der Durchströmung benötigt, da die Integration des Hohlraums zu einer verbesserten Durchströmung beiträgt. Da die unvollständigen Brennstoffzellen benachbart zu der Endplatte nicht mehr verbaut werden müssen, wird Bauraum frei und die Materialkosten werden gesenkt.
-
Auch ist es vorteilhaft, dass jeweils einem Medienkanal jeweils ein Hohlraum in der Zu- und/oder Ableitung zugeordnet ist. Diese Anordnung resultiert in einem reduzierten Druckverlust, weniger Verwirbelungen und in einer erhöhten Betriebsstabilität. Auch wird durch diese Anordnung eine verbesserte Anpassung auf veränderte Betriebsbedingungen erzielt. Die Medienkanäle werden gebildet durch die mit deckungsgleich übereinandergestapelten Medienports der Mehrzahl an Einzelzellen.
-
Die erfindungsgemäße Endplatte ist dementsprechend ebenfalls mit mindestens einem Hohlraum gebildet, die keine Öffnung für einen Medienanschluss für Reaktanten aufweist und damit zumindest hinsichtlich der Reaktanten durchtrittsfrei gebildet ist. Eine Öffnung oder ein Durchtritt für Kühlmittel könnte dennoch vorhanden sein.
-
Vorzugsweise weist der Hohlraum einen Querschnitt auf, der gleich groß oder größer ist als der Querschnitt der Medienkanäle der zugeordneten Brennstoffzelle.
-
Die vorstehend genannten Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel und für dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
-
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.
-
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 schematische Darstellung der Aufsicht auf eine Endplatte und der Aufsicht auf einer der Endplatte benachbarte Platte, insbesondere Bipolarplatte einer Brennstoffzelle,
- 2 eine schematische Darstellung der Seitenansicht einer Endplatte und der zugeordneten Platte mit den Medienkanälen,
- 3 eine schematische Darstellung der Seitenansicht von Medienkanälen mit einem Hohlraum in der Endplatte, und
- 4 eine graphische Darstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Betriebszustandes mit feuchten Randzellen, deren Zellspannung dadurch zu niedrig ist.
-
Eine Brennstoffzellenvorrichtung weist einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von in Stapelrichtung angeordneten Brennstoffzellen 9 auf.
-
Jede der Brennstoffzellen 9 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff, insbesondere Wasserstoff aus einem Brennstofftank 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.
-
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das durch einen Verdichter bereit gestellte und in einem Befeuchter konditionierte Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
-
Der Brennstoffzellenstapel verfügt auch über eine Spannvorrichtung für das Zusammendrücken der Brennstoffzellen 9. Den endständigen Brennstoffzellen 9 sind dabei Endplatten 1 zugeordnet, an denen für die Krafteinleitung die Spannvorrichtung angeschlossen sein kann, wobei an einer der Endplatten 1 die Medienkanäle 4 für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und ein Kühlmittel angeordnet sind. In diesen Medienkanälen 4 herrscht ein hohes Druckgefälle, wodurch Flüssigwasser vom Brennstoffzellenstapeleintritt in die Medienkanäle 4 gesaugt wird. Daraus resultiert, dass die Randzellen zu feucht sind, wodurch die Zellspannung niedriger ist und es daher zu einer verminderten Leistungsdichte kommt (siehe 4: markierte Bereich ganz links und ganz rechts).
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Endplatte 1, die keine Öffnung für einen Medienanschluss für Reaktanten umfasst und damit Durchtrittsfrei für Reaktanten gestaltet ist. Ein Medienanschluss für ein Kühlmittel kann gleichwohl an dieser Endplatte 1 vorhanden sein. Die Endplatte 1 weist weiterhin Hohlräume 2 auf, und zwar einen für jeden angrenzenden Medienkanal 4 in der benachbarten Brennstoffzelle 9 mit ihrer Bipolarplatte 3. Diese Hohlräume 2 können durch Pressung, Biegung, Fräsung und/oder Ätzung eingebracht werden und weisen einen gleich großen oder größeren Querschnitt auf, als die zu ihm führenden Medienkanäle 4, wodurch die Medienkanäle 4 von den Hohlräumen 2 ab- oder überdeckt werden. Dadurch kann sich Flüssigwasser in den Hohlräumen 2 ansammeln, das daraufhin nicht mehr die Medienkanäle 4 blockiert. Dies resultiert in einer erhöhten Leistungsdichte und verbesserten Startbedingungen, insbesondere bei Froststartbedingungen.
-
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnittes der Endplatte 1 und der benachbarten Brennstoffzelle 9, wobei dem Medienkanal 4 jeweils ein Hohlraum 2 in der Zuleitung 5 und in der Ableitung 6 angeordnet ist. Diese Anordnung resultiert in einer verbesserten Durchströmung und benötigt keine unvollständigen, leeren Brennstoffzellen 9, wodurch Bauraum frei wird und die Produktions- und Materialkosten gesenkt werden.
-
Eine schematische Detail-Schnitt-Darstellung eines Medienkanals 4 mit einem Hohlraum 2 zeigt die 3. Durch den größeren Querschnitt des Hohlraums 2 entsteht bei rechtwinkligen Strömungen ein schlangenkopfförmiger Hohlraum 8 mit einem Überstand 7. Diese Form führt zu weniger Verwirbelung und somit zu einer verbesserten Durchströmung.
-
Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel zeigen ihre Vorteile insbesondere bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug, das wechselnden Einsatzbedingungen ausgesetzt ist und auch für eine Froststart eingerichtet sein muss.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Endplatte
- 2
- Hohlraum
- 3
- Bipolarplatte
- 4
- Medienkanal
- 5
- Zuleitung
- 6
- Ableitung
- 7
- Überstand
- 8
- Schlangenkopfförmiger Hohlraum
- 9
- Brennstoffzelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10158771 A1 [0004]
- US 2001/0036568 A1 [0004]
- JP 2012028078 A [0004]
