DE102020212777A1

DE102020212777A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020212777A1
Application number: DE102020212777.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Falkenau; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht, eine in den Brennstoffzellenstapel mündende Brennstoff-Einlassöffnung (46) zur Zuführung von Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel (1), eine in den Brennstoffzellenstapel mündende Brennstoff-Auslassöffnung (47) zur Ableitung von Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel, eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) zur Leitung von Brennstoff von der Brennstoff-Auslassöffnung (47) in die Brennstoff-Einlassöffnung (46), so dass die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) die Brennstoff-Auslassöffnung (47) fluidleitend mit der Brennstoff-Einlassöffnung (46) verbindet, wobei die Brennstoff-Auslassöffnung (47) an einem unteren Endbereich (54) des Brennstoffzellenstapels in den Brennstoffzellenstapel mündet und die Brennstoff-Einlassöffnung (46) an einem oberen Endbereich (53) in den Brennstoffzellenstapel mündet und die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) wenigstens teilweise gemäß der Strömungsrichtung des Brennstoffes aufsteigend ausgebildet ist zur aufsteigenden Leitung des Brennstoffes von der Brennstoff-Auslassöffnung (47) in die Brennstoff-Einlassöffnung (46), so dass die aufsteigende Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) einen Wasserabscheider (49) als Sedimentwasserabscheider zur Abscheidung von Wasser in der aufsteigenden Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels als Prozessfluide in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen fluchtend in einem Stapel als Stack angeordnet. Als weiteres Prozessfluid wird mit einem Kühlfluid, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, während des Betriebes die in der exothermen Redoxreaktion anfallende Abwärme abgleitet für eine Temperierung der Brennstoffzelleneinheit.
In den Brennstoffzelleneinheiten wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, nach dem Durchleiten durch die Brennstoffzellen nicht vollständig aufgebracht, so dass nach dem Ausleiten des Brennstoffes aus einer Brennstoff-Auslassöffnung an einem Brennstoffstapel aus gestapelten Brennstoffzellen immer noch ein Anteil von Wasserstoff enthalten ist. Aus diesem Grund wird mit einer Brennstoff-Rezirkulationsleitung ein Teil des aus der Brennstoff-Auslassöffnung ausströmenden Brennstoffes wieder durch eine Brennstoff-Einlassöffnung dem Brennstoffstapel und damit den Brennstoffzellen zugeführt.
In diese Brennstoff-Rezirkulationsleitung wird aus einem Druckgasspeicher und mit einem Injektor reiner Wasserstoff zugeführt, um den verbrauchten Wasserstoff zu ersetzen, so dass in die Brennstoff-Einlassöffnung ein Brennstoff mit einem im Wesentlichen konstanten Anteil an reinem Wasserstoff eingeleitet wird. Ein in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung eingebautes Ableitungsventil leitet überschüssigen Brennstoff in die Umgebung ab, damit in der Brennstoffzelleneinheit ein im Wesentlichen konstantes zirkulierendes Gesamtvolumen als Brennstoff vorhanden ist. Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit reichert sich aufgrund verschiedener Vorgänge in dem zirkulierenden Brennstoff Wasser als Flüssigkeit oder Dampf an. Um eine für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit negative übermäßig starke Anreicherung des Brennstoffes mit Wasser zu vermeiden, ist unter der Brennstoffzelleneinheit ein Wasserabscheider eingebaut. Die Brennstoffzellen und die Komponenten der Brennstoffzellen spannen fiktive Ebenen auf und bei einer Brennstoffzelleneinheit mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteten fiktiven Ebenen sind die Brennstoff-Einlassöffnung und die Brennstoff-Auslassöffnung an nur einer Seite, d. h. der Unterseite, ausgebildet.
Damit legt der Brennstoff von der Brennstoff-Einlassöffnung zu der Brennstoff-Auslassöffnung eine geringe, im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Wegstrecke zurück, so dass Wasserabscheider nur eine sehr geringe Effektivität aufweisen zum Abscheiden von Wasser aus dem Brennstoff. Ferner wird der Brennstoff an der Unterseite in die Brennstoff-Einlassöffnung eingeleitet und strömt in einem in den Brennstoffzellenstapel integrierten und kanalförmigen Zufuhrkanal für Brennstoff nach oben. Nach dem Durchleiten des Brennstoffes durch Kanäle in den Brennstoffzellen strömt der Brennstoff in eine in den Brennstoffzellenstapel integrierten und kanalförmigen Abfuhrkanal für Brennstoff nach unten und anschließend durch die Brennstoff-Auslassöffnung heraus. Dabei nimmt der Volumenstrom des Brennstoffes in den integrierten und kanalförmigen Zufuhrkanal und Abfuhrkanal nach oben ab, so dass an den oberen Brennstoffzellen nur noch eine kleiner Druckdifferenz zwischen dem integrierten und kanalförmigen Zufuhrkanal und Abfuhrkanal vorhanden ist. Damit wird durch die oberen Brennstoffzellen in nachteiliger Weise nur ein geringer Volumenstrom an Brennstoff durch die Kanäle der Brennstoffzellen geleitet. Die oberen Brennstoffzellen weisen damit eine geringe elektrische Leistung auf und aufgrund des geringe Volumenstromes kann auch aus den Gasräumen bzw. Kanälen für Brennstoff in den oberen Brennstoffzellen sich ansammelndes Wasser, insbesondere in den Gasdiffusionsschichten, nicht mitgenommen bzw. mitgerissen werden. In den oberen Brennstoffzellen kommt es somit zu Ansammlungen von Wasser, die die elektrische Leistung reduzieren und bei Frost Schäden verursachen können. Außerdem führt diese Ungleichverteilung zu unterschiedlicher Alterung der einzelnen Brennstoffzellen, was sich nachteilig auf die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems auswirkt. Auch bei einer Brennstoffzelleneinheit mit im Wesentlichen vertikal ausgerichteten fiktiven Ebenen sind die Brennstoff-Einlassöffnung und die Brennstoff-Auslassöffnung an nur einer Seite angeordnet, so dass die obigen Ausführungen auch im Wesentlichen analog gelten.
Die US 8,323,840 B2 zeigt eine Vorrichtung zur Rückführung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelleneinheit und enthält einen Befeuchter und einen Wärmeübertrager. Der Wasserstoff wird mit einem Gebläse rückgeführt. Ein Wasserabscheider dient zur Abscheidung von Wasser von dem aus dem Stack abgeleitete Wasserstoff und dieses Wasser wird von dem Befeuchter genutzt.
Die DE 103 54 907 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einer Wasserstoff-Versorgungseinrichtung. Eine Wasserstoffleitung dient zur Zuführung von Wasserstoff in die Brennstoffzelle. Eine Fluidpumpe, ausgebildet als Saugstrahlpumpe, wird von der Energie der Luft angetrieben, welche durch eine Luftleitung strömt, und dient dazu ein Fluid in die Wasserstoffleitung anzusaugen. Ein Gas/Flüssigkeits-Separator dient zur Abscheidung von Wasser aus einer Wasserstoff-Rezirkulationsleitung.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen als Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffzellen umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht, eine in den Brennstoffzellenstapel mündende Brennstoff-Einlassöffnung zur Zuführung von Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel, eine in den Brennstoffzellenstapel mündende Brennstoff-Auslassöffnung zur Ableitung von Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel, eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung zur Leitung von Brennstoff von der Brennstoff-Auslassöffnung in die Brennstoff-Einlassöffnung, so dass die Brennstoff-Rezirkulationsleitung die Brennstoff-Auslassöffnung fluidleitend mit der Brennstoff-Einlassöffnung verbindet, wobei die Brennstoff-Auslassöffnung an einem unteren Endbereich des Brennstoffzellenstapels in den Brennstoffzellenstapel mündet und die Brennstoff-Einlassöffnung an einem oberen Endbereich in den Brennstoffzellenstapel mündet und die Brennstoff-Rezirkulationsleitung wenigstens teilweise gemäß der Strömungsrichtung des Brennstoffes aufsteigend ausgebildet ist zur aufsteigenden Leitung des Brennstoffes von der Brennstoff-Auslassöffnung in die Brennstoff-Einlassöffnung, so dass die aufsteigende Brennstoff-Rezirkulationsleitung einen Wasserabscheider als Sedimentwasserabscheider zur Abscheidung von Wasser in der aufsteigenden Brennstoff-Rezirkulationsleitung bildet.
In einer ergänzenden Variante weist der Brennstoffzellenstapel eine vertikale Gesamtausdehnung auf und der untere Endbereich des Brennstoffzellenstapels sind die untersten 30%, 20% oder 10% der vertikalen Gesamtausdehnung des Brennstoffzellenstapels.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Brennstoffzellenstapel eine vertikale Gesamtausdehnung auf und der obere Endbereich des Brennstoffzellenstapels sind die obersten 30%, 20% oder 10% der vertikalen Gesamtausdehnung des Brennstoffzellenstapels.
In einer ergänzenden Ausführungsform weist ein Abschnitt der, insbesondere vertikal, aufsteigenden Brennstoff-Rezirkulationsleitung eine Höhendifferenz in vertikaler Richtung von wenigstens 50%, 70%, 80% oder 90% der vertikalen Gesamtausdehnung des Brennstoffzellenstapels auf. Aufgrund der großen Höhendifferenz muss der Brennstoff eine große Höhendifferenz nach oben zurücklegen, so dass das Wasser und die Feuchtigkeit effektiv durch Sedimentation abgeschieden werden.
Zweckmäßig ist in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung ein zusätzlicher Wasserabscheider, insbesondere ein Fliehkraftwasserabscheider, eingebaut. Der zusätzliche Wasserabscheider ermöglicht eine ergänzende Abscheidung von Wasser bzw. Feuchtigkeit zu dem aufsteigenden Abschnitt der Rezirkulationsleitung.
In einer weiteren Variante ist der zusätzliche Wasserabscheider unter dem Brennstoffzellenstapel und/oder in der vertikalen Ausrichtung wie der untere Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung eingebaute Brennstofffördereinrichtung zur Umwälzung des Brennstoffes in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung.
In einer ergänzenden Variante ist die Brennstofffördereinrichtung über dem Brennstoffzellenstapel und/oder in der vertikalen Ausrichtung wie der obere Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Die Brennstofffördereinrichtung ist somit vorzugsweise in Strömungsrichtung des Brennstoffes nach dem aufsteigenden Abschnitt der Brennstoff-Rezirkulationsleitung angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung eingebauten Sensor zur Erfassung wenigstens eines Parameters des Brennstoffes.
In eine zusätzlichen Ausführungsform ist der wenigstens eine Sensor über dem Brennstoffzellenstapel und/oder in der vertikalen Ausrichtung wie der obere Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Der wenigstens eine Sensor ist somit vorzugsweise in Strömungsrichtung des Brennstoffes nach dem aufsteigenden Abschnitt der Brennstoff-Rezirkulationsleitung angeordnet.
Vorzugsweise sind die Brennstoff-Einlassöffnung und die Brennstoff-Auslassöffnung an zwei unterschiedlichen gegenüberliegenden Endbereichen des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Damit tritt in den Kanälen für Brennstoff der Brennstoffzellen eine im Wesentlichen konstante Druckdifferenz, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, zwischen der integrierten kanalförmigen Zufuhr- und Abfuhrleitung auf.
In einer weiteren Variante sind die zwei unterschiedlichen gegenüberliegenden Endbereiche in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen und die Ausdehnung der Endbereiche in der Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ist weniger als 10%, 20% oder 30% der Gesamtausdehnung des Brennstoffzellenstapels in der Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist integriert in den Brennstoffzellenstapel eine kanalförmige Zufuhrleitung für Brennstoff zur Leitung des Brennstoffes in Kanäle für Brennstoff in den Brennstoffzellen und eine kanalförmige Abfuhrleitung für Brennstoff zur Leitung des Brennstoffes aus den Kanäle für Brennstoff in den Brennstoffzellen in die Abfuhrleitung für Brennstoff ausgebildet und die Brennstoff-Einlassöffnung mündet in die integrierte kanalförmige Zufuhrleitung für Brennstoff und die Brennstoff-Auslassöffnung mündet in die integrierte kanalförmige Abfuhrleitung für Brennstoff und der Brennstoff ist in der Zufuhr- und Abfuhrleitung für Brennstoff in einer gleichen Strömungsrichtung, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, durch die Zufuhr- und Abfuhrleitung für Brennstoff leitbar. Im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise, dass die Strömungsrichtung des Brennstoffes in der Zufuhr- und Abfuhrleitung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ist.
Zweckmäßig ist die Brennstoff-Rezirkulationsleitung, insbesondere der aufsteigende Abschnitt der Brennstoff-Rezirkulationsleitung, in den Brennstoffzellenstapel integriert oder außerhalb des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Die Brennstoff-Rezirkulationsleitung ist bei einer Integration in den Brennstoffzellenstapel vorzugsweise analog wie die integrierte kanalförmige Zufuhr- und Abfuhrleitung für Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel integriert.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem eine Steuerungs- und/oder Regeleinheit zur Steuerung und/oder Regelung der Brennstofffördereinrichtung und/oder des zusätzlichen Wasserabscheiders, insbesondere Fliehkraftwasserabscheiders, und/oder des wenigstens einen Sensors und/oder des Ablassventils am zusätzlichen Wasserabscheider und/oder des Ableitungsventils zur Ableitung von Brennstoff in die Umgebung und/oder des Injektors.
In einer ergänzenden Variante ist mit dem wenigstens einen Sensor der Anteil von Wasserstoff in dem Brennstoff und/oder der Volumenstrom und/oder die Temperatur und/oder Druck des durch die Brennstoff-Einlassöffnung eingeleiteten Brennstoffes erfassbar.
Zweckmäßig sind die schichtförmigen Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
Vorzugsweise sind die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt als Brennstoffzellenstapel angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht, vorzugsweise zwei Gasdiffusionssichten, und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Lagerplatte und/oder eine Anschlussplatte.
Zweckmäßig sind die Brennstoff-Rezirkulationsleitung und/oder der wenigstens eine Sensor und/oder die Brennstofffördereinrichtung wenigstens teilweise innerhalb und/oder außerhalb des Innenraumes, begrenzt von dem Gehäuse und/oder der Lagerplatte, angeordnet.
Vorzugsweise ist der zusätzliche Wasserabscheider unter der Anschlussplatte angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4 mit Darstellung eines Gehäuses und einer Lagerplatte,
6 einen weiteren vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4 ohne Darstellung des Gehäuses und der Lagerplatte und mit Darstellung einer Brennstoff-Rezirkulationsleitung und weiterer Komponenten und
7 einen vertikalen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel ohne Darstellung des Gehäuses und der Lagerplatte und mit Darstellung einer Brennstoff-Rezirkulationsleitung und weiterer Komponenten.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2 in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2, multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2, entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom.
Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel als einem Brennstoffzellenstack sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die schichtförmigen und ebenen Brennstoffzellen 2 und schichtförmigen und ebenen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen auf, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. 1 dient lediglich zur Darstellung des grundlegenden Prinzips eines Brennstoffzellensystems 4, so dass eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 und weitere Komponenten der Brennstoffzelleneinheit 1 in 1 nicht dargestellt sind.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen an Abdichtschichten (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegender Membranelektrodenanordnungen 6 (6 bis 8) ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen and den Abdichtschichten der Membranelektrodenanordnungen 6 mit dazwischen liegenden Dichtungen (nicht dargestellt) zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 als in den Brennstoffzellenstack integrierte kanalförmige Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28, 63, 64. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
In den 4 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ein Gehäuse 43 und eine Lagerplatte 41. Das Gehäuse 43 ist an der Lagerplatte 41 mit Fixierungselementen 44 als Schrauben 45 oder Fixierungsbolzen befestigt, so dass das Gehäuse 43 und die Lagerplatte 41 einen Innenraum 38 begrenzen und in dem Innenraum 38 ist der Brennstoffzellenstapel angeordnet. Die Lagerplatte 41 bildet auch eine Anschlussplatte 42 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit den Prozessfluiden Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. Hierzu sind in der unteren Spannplatte 36 und der Anschlussplatte 42 insgesamt 6 Öffnungen (nicht dargestellt) zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide in und aus dem Innenraum 38 ausgebildet.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Brennstoff-Einlassöffnung 46 zum Einleiten von Brennstoff und eine Brennstoff-Auslassöffnung 47 zum Ausleiten von Brennstoff auf. Die Brennstoff-Einlassöffnung 46 mündet in eine in den Brennstoffzellenstapel integrierte Zufuhrleitung 63 für Brennstoff. Die Brennstoff-Auslassöffnung 47 mündet in eine in den Brennstoffzellenstapel integrierte Ausfuhrleitung 64 für Brennstoff. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 63, 64 sind im Wesentlichen, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 ausgerichtet. Der Brennstoff strömt somit aus der Zufuhrleitung 63 im Wesentlichen horizontal durch die Kanäle 12 für Brennstoff in den Brennstoffzellen 2. Die Brennstoff-Auslassöffnung 47 ist mit der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 fluidleitend mit der Brennstoff-Einlassöffnung 46 verbunden, so dass ein Teil des durch die Brennstoff-Auslassöffnung 47 ausgeleiteten und nicht verbrachten Wasserstoffes wieder in einer Rezirkulation durch die Brennstoff-Einlassöffnung 46 den Brennstoffzellen 2 zugeführt wird. Der Brennstoffzellenstapel weist eine vertikale Gesamtausdehnung 52 auf. Ein oberer Endbereich 53 des Brennstoffzellenstapels weist eine Höhe bzw. vertikale Ausdehnung in vertikaler Richtung 56 beginnend an dem oberen Ende des Brennstoffzellenstapels von 20% der vertikalen Gesamtausdehnung 52 auf. Ein unterer Endbereich 54 des Brennstoffzellenstapels weist eine Höhe bzw. vertikale Ausdehnung in vertikaler Richtung 56 beginnend an dem unteren Ende des Brennstoffzellenstapels von 20% der vertikalen Gesamtausdehnung 52 auf. Die Brennstoff-Einlassöffnung 46 ist an dem oberen Endbereich 53, insbesondere an einer Oberseite, der Brennstoffzellenstapels und die Brennstoff-Auslassöffnung 47 ist an dem unteren Endbereich 54, insbesondere der Unterseite, des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. In einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 weist der Brennstoffzellenstapel einen ersten Endbereich 61 und einen zweiten Endbereich 62 auf. Der Brennstoffzellenstapel weist in der Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 eine Gesamtausdehnung 60 auf. Die Ausdehnung in der Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 der ersten und zweiten unterschiedlichen gegenüberliegenden Endbereiche 61, 62 beträgt ungefähr 10% der Gesamtausdehnung 60.
Die Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 an der Brennstoff-Auslassöffnung 47 mündet in einen Wasserabscheider 50 als Fliehkraft- oder Sedimentationsabscheider als zusätzlichen Wasserabscheider 50. An dem Wasserabscheider 50 ist ein Ablassventil 51 zum Ablassen von abgeschiedenem Wasser in die Umgebung ausgebildet. Nach dem Wasserabscheider 50 ist die Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 entsprechend der Strömungsrichtung des Brennstoffes vertikal aufsteigend ausgebildet und bildet damit hier einen aufsteigenden Abschnitt 55 der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48. Nach dem vertikal aufsteigenden Abschnitt 55 der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 ist die Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 im Wesentlichen horizontal zu der Brennstoff-Einlassöffnung 46 geführt. In dem im Wesentlichen horizontalen Bereich der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 über dem Brennstoffzellenstapel sind ein Ableitungsventil 59 zur Ableitung von Brennstoff in die Umgebung und wenigstens ein Sensor 58 zur Erfassung wenigstens eines Parameters, insbesondere der Anteil des Brennstoffes Wasserstoffes und/oder des Druckes und/oder der Temperatur und/oder der Anteil von Wasser, in dem gasförmigen Brennstoff mit weiteren Stoffen, die kein Brennstoff sind, ausgebildet. Ferner ist in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 über dem Brennstoffzellenstapel eine Brennstofffördereinrichtung 57 ausgebildet. Die Brennstofffördereinrichtung 57 fördert den Brennstoff zur Rezirkulation des Brennstoffes durch die Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 und die integrierte Zu- und Abfuhrleitung 63, 64 für Brennstoff. Die Brennstofffördereinrichtung 57 ist beispielsweise als ein Gebläse oder eine Strahlpumpe, angetrieben von dem unter Druck stehenden Brennstoff Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 21, ausgebildet. Ein T-förmige Leitungseinheit bzw. ein T-Stück dient zur Einleitung und Dosierung des Brennstoffes Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 21 mit dem Injektor 19 in die horizontale Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48. In der Brennstoffzelleneinheit 1 wird der Brennstoff Wasserstoff nach dem Durchleiten durch die Brennstoffzellen 2, d. h. die Kanäle 12 für Brennstoff, nur teilweise verbraucht bei der elektrochemischen Reaktion, so dass der Brennstoff nach dem Ausleiten aus der Brennstoff-Auslassöffnung 47 durch die Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 wieder den Brennstoffzellen 2 durch die Brennstoff-Einlassöffnung 46 und der integrierten Zufuhrleitung 63 wieder den Brennstoffzellen 2 zugeführt wird. Der verbrauchte Brennstoff Wasserstoff und das abgeführte Gas in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 wird mittels des Injektors 19 ersetzt. Durch das Ableitungsventils 59 wird im Wesentlichen dahingehend ein Stoffmengenstrom aus dem Gas in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 in die Umgebung geleitet, damit die Stoffmenge des zirkulierenden Gases konstant bleibt.
Aufgrund der Ausbildung der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 mit dem vertikal aufsteigenden Abschnitt 55 bildet dieser Abschnitt 55 auch einen Wasserabscheider 49 als Sedimentabscheider 49 für Wasser, weil Wasser, insbesondere als Nebel oder in Form von Tröpfchen, nicht aufsteigt und in den Wasserabscheider 50 nach unten rinnt. Damit kann der Prozess der Wasserabscheidung wesentlich verbessert werden und optional auch auf den Wasserabscheider 50 verzichtet werden. Zu der Brennstofffördereinrichtung 57 und dem wenigstens einen Sensor 58 gelangt somit Brennstoff im Wesentlichen ohne Wasser, so dass diese zuverlässig und optimal betrieben werden können. Ferner gelangt in die Brennstoffzellen 2 im Wesentlichen trockener Brennstoff, d. h. mit einem geringen relativen Feuchteanteil kleiner als 100%, so dass eine nachteilige Ansammlung von Wasser in den Kanälen 12 der Brennstoffzellen 2 vermieden werden kann. Die Brennstoff-Einlassöffnung 46 und die Brennstoff-Auslassöffnung 47 sind an den zwei gegenüberliegenden unterschiedlichen Endbereichen 61, 62 ausgebildet, so dass bei sämtlichen Brennstoffzellen 2 aufgrund der Strömungsrichtung des Brennstoffes in der integrierten Zufuhr- und Abfuhrleitung 63, 64 eine im Wesentlichen konstanter Druckdifferenz vorliegt und damit durch sämtliche Brennstoffzellen 2 ein im Wesentlichen identischer Volumenstrom an Brennstoff durchgeleitet wird.
In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 4 bis 6 beschrieben. Die fiktiven vertikalen Ebenen 37 sind vertikal ausgerichtet, so dass die Gesamtausdehnung 60 horizontal ausgerichtet ist und die ersten und zweiten unterschiedlichen gegenüberliegenden Endbereiche 61, 62 seitliche Bereiche sind. Der wenigstens eine Sensor 58, die Brennstofffördereinrichtung 57 und das Ableitungsventil 59 sind in der vertikalen Ausrichtung wie der obere Endbereich 53 des Brennstoffzellenstapels angeordnet und dies ist aus zeichnerischen Gründen in 7 anders abgebildet.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die Sensoren 58, die Brennstofffördereinrichtung 57 und insbesondere die Brennstoffzellen 2 werden aufgrund der effektiven Abscheidung von Wasser in dem Abschnitt 55 als Wasserabscheider 49 der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 48 mit im Wesentlichen trockenen Brennstoff zuverlässig und sicher betrieben. Aufgrund des im Wesentlichen konstanten Volumenstromes des Brennstoffes 2 in sämtlichen Brennstoffzellen 2 können dies optimal betrieben werden, so dass die Brennstoffzelleneinheit 1 ein große Leistung pro Masseneinheit aufweist und sich an den Kanälen 12 wegen der ausreichend großen Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes in sämtlichen Kanälen 12 für Brennstoff im Wesentliche kein Wasser ansammelt, so dass auch bei Frost bei einem Stillstand kein Schäden an der Brennstoffzelleneinheit 1 auftreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8323840 B2 [0006]
DE 10354907 A1 [0007]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffzellen (2) umfassend als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10) und eine Gasdiffusionsschicht (9), - eine in den Brennstoffzellenstapel mündende Brennstoff-Einlassöffnung (46) zur Zuführung von Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel (1), - eine in den Brennstoffzellenstapel mündende Brennstoff-Auslassöffnung (47) zur Ableitung von Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel, - eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) zur Leitung von Brennstoff von der Brennstoff-Auslassöffnung (47) in die Brennstoff-Einlassöffnung (46), so dass die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) die Brennstoff-Auslassöffnung (47) fluidleitend mit der Brennstoff-Einlassöffnung (46) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Auslassöffnung (47) an einem unteren Endbereich (54) des Brennstoffzellenstapels in den Brennstoffzellenstapel mündet und die Brennstoff-Einlassöffnung (46) an einem oberen Endbereich (53) in den Brennstoffzellenstapel mündet und die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) wenigstens teilweise gemäß der Strömungsrichtung des Brennstoffes aufsteigend ausgebildet ist zur aufsteigenden Leitung des Brennstoffes von der Brennstoff-Auslassöffnung (47) in die Brennstoff-Einlassöffnung (46), so dass die aufsteigende Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) einen Wasserabscheider (49) als Sedimentwasserabscheider zur Abscheidung von Wasser in der aufsteigenden Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) bildet.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel eine vertikale Gesamtausdehnung (52) aufweist und der untere Endbereich (54) des Brennstoffzellenstapels die untersten 30%, 20% oder 10% der vertikalen Gesamtausdehnung (52) des Brennstoffzellenstapels sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel eine vertikale Gesamtausdehnung (52) aufweist und der obere Endbereich (53) des Brennstoffzellenstapels die obersten 30%, 20% oder 10% der vertikalen Gesamtausdehnung (52) des Brennstoffzellenstapels sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (55) der, insbesondere vertikal, aufsteigenden Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) eine Höhendifferenz in vertikaler Richtung von wenigstens 50%, 70%, 80% oder 90% der vertikalen Gesamtausdehnung (52) des Brennstoffzellenstapels aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) ein zusätzlicher Wasserabscheider (50), insbesondere ein Fliehkraftwasserabscheider (50), eingebaut ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wasserabscheider (50) unter dem Brennstoffzellenstapel und/oder in der vertikalen Ausrichtung wie der untere Endbereich (54) des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) eine in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) eingebaute Brennstofffördereinrichtung (57) zur Umwälzung des Brennstoffes in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofffördereinrichtung (57) über dem Brennstoffzellenstapel und/oder in der vertikalen Ausrichtung wie der obere Endbereich (53) des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens einen in die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48) eingebauten Sensor (58) zur Erfassung wenigstens eines Parameters des Brennstoffes umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (58) über dem Brennstoffzellenstapel und/oder in der vertikalen Ausrichtung wie der obere Endbereich (53) des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Einlassöffnung (46) und die Brennstoff-Auslassöffnung (47) an zwei unterschiedlichen gegenüberliegenden Endbereichen (61, 62) des Brennstoffzellenstapels ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei unterschiedlichen gegenüberliegenden Endbereiche (61, 62) Endbereiche (61, 62) in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) sind und die Ausdehnung der Endbereiche (61, 62) in der Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) weniger als 10%, 20% oder 30% der Gesamtausdehnung (60) des Brennstoffzellenstapels in der Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass integriert in den Brennstoffzellenstapel eine kanalförmige Zufuhrleitung (63) für Brennstoff zur Leitung des Brennstoffes in Kanäle (12) für Brennstoff in den Brennstoffzellen (2) und eine kanalförmige Abfuhrleitung (64) für Brennstoff zur Leitung des Brennstoffes aus den Kanäle (12) für Brennstoff in den Brennstoffzellen (2) in die Abfuhrleitung (64) für Brennstoff ausgebildet ist und die Brennstoff-Einlassöffnung (46) in die integrierte kanalförmige Zufuhrleitung (63) für Brennstoff mündet und die Brennstoff-Auslassöffnung (47) in die integrierte kanalförmige Abfuhrleitung (64) für Brennstoff mündet und der Brennstoff in der Zufuhr- und Abfuhrleitung (63, 64) für Brennstoff in einer gleichen Strömungsrichtung, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen (37), durch die Zufuhr- und Abfuhrleitung (63, 64) für Brennstoff leitbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48), insbesondere der aufsteigende Abschnitt (55) der Brennstoff-Rezirkulationsleitung (48), in den Brennstoffzellenstapel integriert ist oder außerhalb des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist,
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.