DE102020200008A1

DE102020200008A1 - Brennstoffzellenstack mit Einlegeelement

Info

Publication number: DE102020200008A1
Application number: DE102020200008.5A
Authority: DE
Inventors: Lutz Schilling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack (10) mit mehreren übereinander gestapelten Einzelzellen (1). Die Einzelzellen (1) sind über zumindest eine Sammelleitung (5) mit gleichem Querschnitt fluidtechnisch miteinander verbunden. Insbesondere bilden Aussparungen (3, 4) mit gleichem Querschnitt die Sammelleitungen (5), wobei die Aussparungen (3, 4) Teil der Einzelzellen (1) sind. Ein Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) ist in die Sammelleitung (5) einsetzbar, mit dem der Querschnitt der Sammelleitung (5) zumindest abschnittsweise veränderbar ist. Das Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) ist als schwammartige Struktur ausgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstack ist bspw. aus der US 7,459,227 B2 bekannt. Der Brennstoffzellenstack besteht in einer planaren Bauform aus aufeinander gestapelten Brennstoffzellen bzw. Einzelzellen, die Bipolarplatten (BPP) mit Dichtungen und Membran-Elektroden-Anordnungen aufweisen. Dabei sind die Bipolarplatten als Gleichteile ausgebildet, um die Herstellungskosten möglichst gering zu halten. Die Bipolarplatten weisen Versorgungsöffnungen bzw. „Manifolds“ auf, die als Aussparungen mit gleichem Querschnitt ausgestaltet sind. Die Versorgungsöffnungen dienen der Medienversorgung einer jeden Einzelzelle bzw. Bipolarplatte. Durch Übereinanderstapeln der baugleichen Einzelzellen bilden die übereinander gestapelten Aussparungen Sammelleitungen. Dabei weisen die Sammelleitungen über die gesamte Stackhöhe einen konstanten, also gleichen Querschnitt auf.
Aus der DE 10 2014 220 682 A1 ist bekannt in die Sammelleitung ein Einlegelement einzusetzen, so dass die Volumenströme der Medien, die durch die Sammelleitungen zu den Bipolarplatten bzw. Einzelzellen fließen, für jede Einzelzelle unabhängig von deren Lage in dem Brennstoffzellenstack im Wesentlichen gleich sind.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Wassermanagement der Einzelzellen und des gesamten Brennstoffzellenstacks aufbauend auf der DE 10 2014 220 682 A1 zu verbessern.
Dazu umfasst der Brennstoffzellenstack mehrere übereinander gestapelte Einzelzellen. Die Einzelzellen sind über zumindest eine Sammelleitung mit gleichem Querschnitt fluidtechnisch miteinander verbunden. Insbesondere bilden Aussparungen mit gleichem Querschnitt die Sammelleitungen, wobei die Aussparungen Teil der Einzelzellen sind. Ein Einlegeelement ist in die Sammelleitung einsetzbar, mit dem der Querschnitt der Sammelleitung zumindest abschnittsweise veränderbar ist. Das Einlegeelement ist als schwammartige Struktur ausgeführt.
Das Einlegeelement, das in die Sammelleitung einsetzbar ist, hat den Vorteil, dass die Gleichbauweise, das heißt die kostengünstige Gleichteilstrategie der Einzelzellen, welche bevorzugt aus Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen bestehen, nicht aufgegeben werden muss, um den Medienstrom gleichmäßig in jede Einzelzelle des Brennstoffzellenstacks zu steuern. Somit kann der Querschnitt der Aussparungen, die bevorzugt sowohl in den Bipolarplatten als auch in den Membran-Elektroden-Anordnungen pro Sammelleitung den gleichen Querschnitt aufweisen, konstant gehalten werden. Das Einlegeelement ist in vorteilhafter Weise so ausgestaltet, dass es beim Einlegen in die Sammelleitung den Querschnitt der Sammelleitung zumindest abschnittsweise und insbesondere plattenweise verkleinert. In vorteilhafter Weise ist dazu das Einlegeelement keilförmig oder stufenkeilförmig ausgestaltet. Durch Einlegen des Einlegeelements werden dabei die Querschnitte der Aussparungen der Einzelzellen über die Länge des Brennstoffzellenstacks so verengt, dass sich für jede Einzelzelle identische Druckdifferenzen der Medienströme insbesondere in den Abzweigen von der Sammelleitung zu den einzelnen Einzelzellen ergeben.
Die schwammartige Struktur des Einlegeelements ist in der Lage Wasser bzw. Kondensat aufzusaugen, so dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein Einfrieren der restlichen Sammelleitung oder gar einzelner Kanäle in den Einzelzellen vermieden wird. Die Einzelzellen haben für die Medienverteilung oft feinste Strukturen - beispielsweise in der Größenordnung von 100 µm-, bei welchen im ungünstigen Falle schon sehr kleine Wassermengen zur Blockade durch Eisbildung führen können. Dadurch ist die Aufnahme der Restfeuchte bzw. des Kondensats durch die schwammartige Struktur sehr vorteilhaft.
Bevorzugt weist die schwammartige Struktur im trockenen Zustand insgesamt einen Porenanteil von mindestens 50 Volumenprozent auf. Dadurch kann das Restwasser bzw. das Kondensat sehr gut in das Einlegeelement eindringen, die maximal mögliche Wasseraufnahme des Einlegeelements ist somit vergleichsweise hoch.
Vorteilhafterweise ist die Sammelleitung als eine Auslasssammelleitung ausgebildet; besonders bevorzugt gilt dies sowohl für die Auslasssammelleitung auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks. In beiden Auslasssammelleitungen besteht die Gefahr von Wasseransammlungen, aufgrund des dort gebildeten bzw. diffundierten Reaktionswassers oder auch aufgrund gezielter Befeuchtung, so dass dort die schwammartige Struktur des Einlegeelements besonders wirkungsvoll ist. Insbesondere durch eine schwammartige Struktur des Einlegeelements auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks kann dadurch sogar das sogenannte „fuel starvation“ verhindert werden.
Zum Einleiten bzw. Umlenken des durch die Sammelleitung geführten Mediums in die jeweilige Bipolarplatte, bzw. in die jeweilige Einzelzelle, weist das Einlegeelement vorzugsweis eine Kontur auf, die die Strömungsrichtung des Medienstroms, d. h. des Fluids beeinflusst, nämlich das durch die Sammelleitung zu den Einzelzellen geleitete Fluid aus der Sammelleitung in die Einzelzellen umlenkt; das Einlegeelement ist somit auch als Umlenkelement ausgebildet. Ein mit einer Kontur ausgestaltetes Einlegeelement kann bspw. ein Stufenkeil sein, dessen einzelnen Stufen beispielsweise konvex oder konkav ausgestaltet sind, wobei durch die Ausgestaltung der einzelnen Stufen der Medienstrom aus der Sammelleitung in die Einzelzellen geleitet, d. h. umgelenkt wird.
In vorteilhafter Weise kann das Einlegeelement auch als Volumenkörper ausgestaltet sein, der zumindest eine elastische Fläche aufweist. Dabei dient die elastische Fläche dazu, den Querschnitt dem Medien-, d. h. dem Volumenstrom, des Fluids anzupassen. Als elastische Fläche eignet sich in bevorzugter Weise die rückseitige Fläche eines als Keil ausgestalteten Einlegeelements, deren freie Querschnittsfläche sich dem Medienfluss variabel anpasst. Auf diese Weise kann die Gleichverteilung des Medien-, bzw. Volumenstroms in die Zellen für ein größeres Betriebsfenster erreicht werden.
In einer weiteren Variante kann das Umlenkelement eine ansteuerbare Klappe sein, wobei mit ansteuerbaren Klappen eine individuelle Beeinflussung der Volumenströme durch Brennstoffzellenpakete bis hin zu einzelnen Einzelzellen, d. h. plattenweise ermöglicht wird.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer aus der DE102014220682 bekannten Bipolarplatte,
2 eine perspektivische Ansicht von aus der DE102014220682 bekannten, übereinander gestapelten Einzelzellen,
2a+b Ausführungsformen für ein aus der DE102014220682 bekanntes Einlegeelement,
3 eine Schnittansicht eines aus der DE102014220682 bekannten Brennstoffzellenstacks aus übereinander gestapelten Einzelzellen mit einem druckbeaufschlagbaren Einlegeelement in der Sammelleitung und
4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Brennstoffzellenstack 10 mehrere Einzelzellen 1 umfasst. Die Einzelzellen 1 wiederum weisen eine Membran-Elektroden-Anordnung 1b auf, welche von zwei Bipolarplatten 1a eingefasst ist. Genaugenommen gehört eine Bipolarplatte 1a zu zwei benachbarten Einzelzellen 1, bzw. eine Einzelzelle 1 umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 1b und zwei Bipolarplattenhälften.
In 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatte 1a dargestellt. Die schraffierte Fläche stellt die aktive Fläche 2 der Bipolarplatte 1a da. Auf der aktiven Fläche 2 befinden sich im Zusammenbau der Einzelzellen 1 zu einem Brennstoffzellenstack 10 zu beiden Seiten je eine Membran-Elektroden-Anordnung 1b. Links und rechts der aktiven Fläche 2 sind jeweils zwei nebeneinander liegende Aussparungen 3 ausgebildet, die als Versorgungsöffnungen dienen. Die Bipolarplatte 1a ist als Gleichteil ausgestaltet, um die Kosten der Herstellung möglichst gering zu halten. Die als Aussparungen 3 ausgestalteten Versorgungsöffnungen dienen zur Zufuhr von Brennstoff, Oxidationsmittel sowie optional Kühlmedium, bzw. zu dessen Abfuhr. Üblicherweise wird als Oxidationsmittel der Sauerstoffanteil aus der Umgebungsluft verwendet. Bevorzugt weisen die Bipolarplatten 1a also vier oder sechs Aussparungen 3 auf. Wie in der Figur zu erkennen ist, weisen die als Versorgungsöffnung ausgestalteten Aussparungen 3 einen Querschnitt auf, der aufgrund der Gleichbauweise der Bipolarplatten 1a immer gleich ist.
Bevorzugt weisen die Membran-Elektroden-Anordnungen 1b einen ähnlichen prinzipiellen Aufbau auf wie die Bipolarplatten 1a: mit einer aktiven Fläche 2 im Zentrum und den Aussparungen 3 zur Medienversorgung an den Rändern. Die Ränder der Membran-Elektroden-Anordnungen 1b sind dabei vorteilhafterweise als Randverstärkungen ausgebildet und weisen ein anderes Material auf als die aktive Fläche 2.
In der 2 sind mehrere ähnlich der in 1 dargestellten Bipolarplatten 1a und Membran-Elektroden-Anordnungen 1b zu einem Brennstoffzellenstack 10 mit mehreren Einzelzellen 1 übereinander gestapelt. Im Gegensatz zu den Bipolarplatten 1a bzw. Membran-Elektroden-Anordnungen 1b der Ausführung der 1 weisen die in der 2 zu einem Brennstoffzellenstack 10 übereinander gestapelten Bipolarplatten 1a und Membran-Elektroden-Anordnungen 1b eine zusätzliche Aussparung 4 auf, die bevorzugt der Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums in die Bipolarplatten 1a dient. Die Aussparungen 3 und 4 bilden aufgrund der Gleichbauweise der Bipolarplatten 1a und Membran-Elektroden-Anordnungen 1b jeweils gemeinsame Sammelleitungen 5 aus, durch die Brennstoff, Oxidationsmittel oder Kühlmedium zu den einzelnen Bipolarplatten 1a bzw. Einzelzellen 1 des Brennstoffzellenstacks 10 geleitet werden. Da die Bipolarplatten 1a und Membran-Elektroden-Anordnungen 1b und damit auch die als Aussparungen 3, 4 ausgestalteten Versorgungsöffnungen in Gleichteilbauweise ausgestaltet sind, weisen die Sammelleitungen 5 in der Aufeinanderfolge der Einzelzellen 1 in dem Brennstoffzellenstack 10 stets den gleichen, das heißt einen unveränderten Querschnitt auf. Um den Querschnitt der Sammelleitung 5 bedarfsgerecht zu verändern, bzw. den Querschnitt so zu verengen, dass in jeder Bipolarplatte 1a bzw. Einzelzelle 1 des Brennstoffzellenstacks 10 ein identisches Druckniveau entsteht, ist aus der DE102014220682 ein Einlegelement 6 oder 6.1 bekannt - siehe 2a, 2b -, welches in die Sammelleitungen 5 eingeführt werden kann.
Die 2a und 2b zeigen dazu unterschiedliche Ausführungsformen eines bekannten keilförmigen Einlegeelements 6 und 6.1. Das Einlegeelement 6 in 2a ist als keilförmiges Einlegeelement 6 mit einer zu der Sammelleitung 5 ausgerichteten ebenen Oberfläche 7 ausgestaltet. Dadurch, dass sich das Einlegeelement 6 zur unteren Einzelzelle 1 des in 2 dargestellten Brennstoffzellenstacks 10 verjüngt, wird über die Höhe des Brennstoffzellenstacks 10 der Querschnitt der Sammelleitung 5 zur oberen Einzelzelle 1 in den Brennstoffzellenstack 10 verengt. Durch die Verengung des Querschnitts von der unteren Einzelzelle 1 bis zur oberen Einzelzelle 1 des Brennstoffzellenstacks 10 wird durch das Einlegeelement 6 das Volumen der in die einzelnen Einzelzellen 1 bzw. Bipolarplatten 1a geleiteten Medien verringert und dabei der Volumenstrom beschleunigt. Entsprechend bewirkt die Form, Größe und Kontur des Einlegeelements 6, dass jede Einzelzelle 1 in dem Brennstoffzellenstack 10 im Betrieb der Brennstoffzelle ein gleiches Leistungsniveau hat.
2b zeigt eine weitere bekannte Ausführungsvariante eines Einlegeelements 6.1, das als Stufenkeil ausgebildet ist. Die einzelnen Stufen 8 des Einlegeelements 6.1 dienen dabei als Umlenker, die den Medienstrom durch die Sammelleitungen 5 individuell durch mehrere Einzelzellenpakete bis hin zu einzelnen Einzelzellen 1 bzw. Bipolarplatten 1a ermöglicht. In bevorzugter Weise sind dazu die Stufen 8 des Einlegeelements 6.1 konkav ausgestaltet. Die konkave Ausgestaltung der Stufen 8 unterstützt dabei die Annahme des Volumenstroms und dessen platten- bzw. paketweise Umleitung in die einzelnen Einzelzellen 1 bzw. Einzelzellenpakete.
3 zeigt eine Schnittansicht eines aus der DE102014220682 bekannten Brennstoffzellenstacks 10 aus übereinander gestapelten Einzelzellen 1 mit einem druckbeaufschlagbaren Einlegeelement 6 in der Sammelleitung 5 als eine weitere Ausführungsform eines Einlegeelements 6.2, das als druckbeaufschlagbares keilförmiges Druckkissen ausgestaltet ist. Die Einzelzellen 1 sind in dem Brennstoffzellenstack 10 von einer unteren Stackendplatte 13.1 und einer oberen Stackendplatte 13.2 umfasst. Die Bedruckung des Einlegeelements 6.2 erfolgt über eine parallel zu der Sammelleitung 5 geführte Bypass-Leitung 12, die über die obere Stackendplatte 13.2 verläuft und im Bereich der oberen Stackendplatte 13.2 fluidtechnisch mit einer Fluidkammer 14 des Einlegeelements 6.2 verbunden ist. Im unteren Bereich des Brennstoffzellenstacks 10 verläuft die Bypass-Leitung 12 durch die untere Stackendplatte 13.1 bis in den Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5 und ist dadurch fluidtechnisch mit der Sammelleitung 5 verbunden. Die Bypass-Leitung 12 funktioniert als Druckausgleichskanal, wobei die Fluidkammer 14 des Einlegeelements 6.2 entsprechend dem in dem Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5 anliegenden Druck und/oder Volumenstrom druckbeaufschlagt wird. D. h., dass dem Druckniveau oder Volumenstrom entsprechend, welche an dem Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5 anliegen, die Fluidkammer 14 an Volumen zu- oder abnimmt, d. h. aufgeblasen wird oder Druck abgelassen wird. Durch Druckbeaufschlagung, d. h. durch Aufblasen oder durch Druckablassen des mit der Fluidkammer 14 als Druckkissen ausgestalteten Einlegeelements 6.2 wird eine Trennwand 11, die Teil des Einlegeelementes 6.2 ist, in der Sammelleitung 5 verschoben. Durch die Verschiebung der Trennwand 11 stellt sich dabei automatisch, auch bei unterschiedlichen Gas-/Medien-Volumenströmen, d. h. bei unterschiedlich anliegendem Druck oder Volumenstrom im Eingangsbereich 9 der Sammelleitung 5, entlang der Sammelleitung 5 plattenweise ein identisches Druckniveau ein.
Die Einlegeelemente 6 sind insbesondere für Brennstoffzellenstacks 10 geeignet, die in stationären, portablen oder automobilen Brennstoffzellensystemen verwendet werden. Für diese Anwendung der Brennstoffzellensysteme ist es insbesondere erforderlich, dass die Brennstoffzellenstacks 10 stets eine optimale Leistungsfähigkeit aufweisen und langlebig sind, das heißt eine erhöhte Betriebsdauer aufweisen.
4 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks 10 mit mehreren Einzelzellen 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die in der 4 dargestellte Sammelleitung 5 ist als Auslasssammelleitung ausgebildet. Das Medium - beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff - wird durch eine nichtdargestellte Einlasssammelleitung den Einzelzellen 1 zugeführt, die Einzelzellen 1 werden in einer Zellenebene-Richtung 21 mit dem Medium durchströmt, woraufhin das Medium bzw. das teilweise verbrauchte Medium in einer Auslassrichtung 25 durch die Sammelleitung 5 strömt. Sowohl in der Auslasssammelleitung auf der Kathodenseite aufgrund von dort gebildetem Reaktionswassers als auch in der Auslasssammelleitung der Anodenseite aufgrund diffundiertem Reaktionswasser kann es zu Wasseransammlungen kommen, welche vorteilhafterweise durch die schwammartige Struktur des in der Sammelleitung 5 angeordneten Einlegeelements 6 aufgenommen werden können. Damit besteht außerhalb des Einlegeelements 6 bezüglich Einfrieren - und damit auch bezüglich Blockadewirkungen und Frostschäden - und bezüglich dem sogenannten „fuel starvation“ keine Gefahr mehr.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7459227 B2 [0002]
DE 102014220682 A1 [0003, 0004]
DE 102014220682 [0013, 0017, 0020]

Claims

Brennstoffzellenstack (10) mit mehreren übereinander gestapelten Einzelzellen (1), wobei die Einzelzellen (1) über zumindest eine Sammelleitung (5) mit gleichem Querschnitt fluidtechnisch miteinander verbunden sind, wobei insbesondere Aussparungen (3, 4) mit gleichem Querschnitt, die Teil der Einzelzellen (1) sind, die Sammelleitungen (5) bilden, wobei ein Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) in die Sammelleitung (5) einsetzbar ist, mit dem der Querschnitt der Sammelleitung (5) zumindest abschnittsweise veränderbar ist. dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) als schwammartige Struktur ausgeführt ist.
Brennstoffzellenstack (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwammartige Struktur im trockenen Zustand insgesamt einen Porenanteil von mindestens 50 Volumenprozent aufweist.
Brennstoffzellenstack (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) den Querschnitt der Sammelleitung (5) zumindest abschnittsweise, insbesondere plattenweise verkleinert.
Brennstoffzellenstack (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleitung (5) eine Auslasssammelleitung ist.
Brennstoffzellenstack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) eine Kontur aufweist, die die Strömungsrichtung eines Fluides beeinflusst, das durch die Sammelleitung (5) zu den Brennstoffzellen geleitet wird, insbesondere das Fluid aus der Sammelleitung (5) in die Einzelzellen (1) umlenkt.
Brennstoffzellenstack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) als Volumenkörper mit zumindest einer elastischen Fläche ausgestaltet ist, wobei die elastische Fläche den Querschnitt (3, 4) der Sammelleitung (5) dem Volumenstrom des Fluids anpasst.
Brennstoffzellenstack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (6, 6.1, 6.2) zumindest ein Umlenkelement aufweist.
Brennstoffzellenstack (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement eine ansteuerbare Klappe ist, die den Volumenstrom in der Sammelleitung (5) zumindest für jede Einzelzelle (1) oder für mehrere Einzelzellen (1) paketweise reguliert.