-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel.
-
Stand der Technik
-
In einem Brennstoffzellenstapel, auch als Stack bezeichnet, werden mehrere Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung aneinander gesetzt und damit in Serie geschaltet. Dabei kann eine jeweilige Brennstoffzelle eine Bipolarplatte und eine Katalysatormembranlage aufweisen, insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membranlage (Catalyst Coated Membrane, CCM). Diese trennt bspw. Wasser- und Sauerstoff und transportiert zugleich die Protonen von der Anode zur Kathode. Mit Blick auf Hochleistungsanwendungen, wie bspw. die Luftfahrt oder auch den Nutzfahrzeug-Bereich, kann auch eine Vergrößerung der aktiven Fläche (Active Cell Area, ACA) der einzelnen Brennstoffzelle von Interesse sein. Damit kann sich bspw. die maximal mögliche Stromstärke und infolgedessen auch die Maximal- bzw. Nennleistung einstellen lassen.
-
Darstellung der Erfindung
-
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Brennstoffzelle anzugeben.
-
Dies wird erfindungsgemäß mit der Brennstoffzelle nach Anspruch 1 gelöst, bei welcher die Katalysatormembranlage in mindestens zwei Segmente unterteilt ist, diesen aber eine durchgehende Bipolarplatte zugeordnet ist. Infolgedessen sind die Segmente der Katalysatormembranlage parallel geschaltet und lässt sich eine gewünschte Ausgangsleistung der Zelle durch einen entsprechenden Betrieb der einzelnen Segmente einstellen, es können bspw. alle Segmente gemeinsam betrieben („Volllast“) oder auch ein Teil davon weggeschaltet werden („Teillast“). Aufgrund der Parallelschaltung liegt die gewünschte Ausgangsleistung dann an der Bipolarplatte an, gewissermaßen integral über die einzelnen Segmente.
-
Die individuelle Ansteuerbarkeit der Segmente ist dabei über deren Reaktionsgasversorgung realisiert, es ist nämlich eine (erste) Kanalstruktur der Brennstoffzelle ebenfalls segmentiert, und zwar deckungsgleich mit der Segmentierung der Katalysatormembranlage. Letzteres meint, dass in der Stapelrichtung die Segmente der Kanalstruktur mit jenen der Katalysatormembranlage fluchten. Die Kanalstruktur bzw. deren Segmente werden im Betrieb von einem Reaktionsgas durchströmt, bspw. Wasser- oder Sauerstoff, wobei die Segmentierung eine individuelle Versorgung und damit „Ansteuerung“ der einzelnen Segmente der Katalysatormembranlage erlaubt. Die Kanalstruktur bietet dafür bspw. je Segment einen gesonderten Einlass für das Reaktionsgas, bevorzugt jeweils einen gesonderten Ein- und auch Auslass. Wie nachstehend im Detail diskutiert, wird die (erste) Kanalstruktur bevorzugt von der (ersten) Bipolarplatte gebildet.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine Brennstoffzelle beschrieben, die für einen bestimmten Betrieb geeignet ist, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu verstehen, sowie umgekehrt mit der Schilderung einer bestimmten Betriebsweise auch eine dafür geeignete Brennstoffzelle offenbart sein soll.
-
Die Segmente können mit unterschiedlicher Leistung betrieben oder segmentweise auch vollständig weggeschaltet werden. Diese Einstellmöglichkeit kann bspw. insofern von Vorteil sein, als der Betrieb in einem bestimmten Lastbereich besonders effizient sein kann bzw. bei besonders kleiner Leistung (z. B. < 5-10 % der Nennleistung) sogar eine Schädigung der Brennstoffzelle eintreten kann. Durch die Segmentierung kann eines oder können auch mehrere der Segmente dann vollständig ausgeschaltet werden, wohingegen das bzw. die verbleibenden Segmente mit einer Leistung oberhalb des kritischen Bereichs weiterbetrieben werden können.
-
Bezogen auf die Brennstoffzelle bzw. den Stapel insgesamt lassen sich damit z. B. trotz der Auslegung für eine hohe Nennleistung auch Bereiche geringer Leistung erreichen, die ansonsten nicht zugänglich wären. Bei der Anwendung in einem Flugzeug kann dies bspw. von Interesse sein, wenn das Flugzeug bereits auf der Startbahn steht, aber noch auf die Freigabe wartet. In dem Beispiel mit dem kritischen Bereich unterhalb vom 5-10 % können dann z. B. mit einer in drei Segmente unterteilten Brennstoffzelle etwa auch nur 1,5 % bis 3 % der Nennleistung abgerufen werden. Unabhängig von der Erreichbarkeit kleiner Leistungen kann die Segmentierung und damit individuelle Einstellbarkeit bspw. auch über die Brennstoffzelle variierenden Bedingungen Rechnung tragen, etwa einem Temperaturgradienten (in Abhängigkeit von seiner Temperatur lässt sich für ein j eweiliges Segment eine j eweilig optimale Betriebsbedingung einstellen).
-
Generell ist die Bipolarplatte aus einem elektrisch leitfähigen Material gefasst, bspw. graphitisch oder vorzugsweise metallisch. In bevorzugter Ausgestaltung bildet die erste Bipolarplatte die erste Kanalstruktur, auch als Flowfield bezeichnet, ist sie also an ihrer der Katalysatormembranlage zugewandten Seite entsprechend strukturiert. Im Einzelnen kann die Bipolarplatte dort mit einer Vielzahl von Stegen gefasst sein, die sich jeweils in der Stapelrichtung erheben und z. B. zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen; senkrecht zur Stapelrichtung begrenzen die Stege die Kanäle der Kanalstruktur. Generell liegt die „Stapelrichtung“ senkrecht zur Fläche der Brennstoffzellenfläche, in der Stapelrichtung folgen die Katalysatormembranlage und Bipolarplatte aufeinander (und weitere Lagen, siehe unten); im Brennstoffzellenstapel sind die einzelnen Brennstoffzellen dann in der Stapelrichtung aneinandergesetzt. Senkrecht zur Stapelrichtung liegen die Flächenrichtungen.
-
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Brennstoffzelle eine Dichtung auf, welche die Segmente der Kanalstruktur bzw. Katalysatormembranlage gegeneinander dichtet. Bevorzugt weist die Dichtung mehrere Dichtungselemente auf, die mehrteilig zueinander oder auch integral, also zusammenhängend ausgebildet sein können, wobei ein jeweiliges Segment der Katalysatormembranlage/Kanalstruktur von einem jeweiligen Dichtungselement jeweils vollständig umlaufend eingeschlossen wird. Mit der Dichtung bzw. den Dichtungselementen kann eine besonders gute Separierung der Segmente erreicht werden.
-
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine (erste) Gasdiffusionslage, die in Stapelrichtung zwischen der (ersten) Bipolarplatte und der Katalysatormembranlage angeordnet ist, ebenfalls in mindestens zwei Segmente unterteilt. Bevorzugt ist die Segmentierung der Gasdiffusionslage dabei deckungsgleich mit jener der Katalysatormembranlage und Kanalstruktur. Die Gasdiffusionslage kann einerseits das Reaktionsgas an die Elektrode der Katalysatormembranlage verteilen und andererseits den Strom von dort abführen (und bspw. auch Wasser und Wärme).
-
Bevorzugt ist beidseits der Katalysatormembranlage jeweils eine Gasdiffusionslage vorgesehen. Bevorzugt ist an einer der ersten Bipolarplatte entgegengesetzten Seite der Katalysatormembranlage eine zweite Bipolarplatte angeordnet (in Stapelrichtung entgegengesetzt). Vorzugsweise gibt es zwischen der Katalysatormembranlage und der ersten Bipolarplatte dann die erste Gasdiffusionslage und auf der entgegengesetzten Seite eine zweite Gasdiffusionslage (zwischen Katalysatormembranlage und Bipolarplatte), wobei beide Gasdiffusionslagen der Katalysatormembranlage entsprechend segmentiert sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet die zweite Bipolarplatte an ihrer der Katalysatormembranlage zugewandten Seite eine zweite Kanalstruktur, die im Betrieb von einem Reaktionsgas durchströmt wird (z. B. Sauer- oder Wasserstoff, komplementär zur ersten Kanalstruktur). Die zweite Kanalstruktur ist bevorzugt ebenfalls segmentiert, besonders bevorzugt deckungsgleich mit der Katalysatormembranlage und ersten Kanalstruktur/Bipolarplatte.
-
Auch unabhängig von diesen Details kann eine Ausgestaltung der ersten und zweiten Kanalstruktur dahingehend von Interesse sein, dass deren Kanäle parallel zueinander liegen. Dabei können Ein- und Auslass der Kanalstrukturen auf derselben oder senkrecht zur Stapelrichtung entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle liegen, und die beiden anderen Seiten können bspw. für die Kühlfluidzu- und abfuhr genutzt werden. Bevorzugt verlaufen die zueinander parallelen Kanäle in einer ersten Flächenrichtung und besteht die Segmentierung in Bezug auf eine zweite, dazu senkrechte Flächenrichtung.
-
Generell weist die Brennstoffzelle in bevorzugter Ausgestaltung einen Kühlkanal auf, der im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmt wird. Im Unterschied zur ersten und zweiten Kanalstruktur ist der Kühlkanal dabei in bevorzugter Ausgestaltung nicht segmentiert, sondern erstreckt er sich über die mindestens zwei Segmente hinweg, bevorzugt über sämtliche Segmente der Katalysatormembranlage. Wird der Kanal im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmt, passiert dieses nacheinander die einzelnen Segmente. Mit der Segmentierung kann dies bspw. eine vorteilhafte Wechselwirkung dahingehend ergeben, dass in einem Teillastbetrieb ein stromauf gelegenes Segment, das betrieben wird, genutzt werden kann, um ein zeitweilig nicht betriebenes Segment stromab vorzuheizen, was später ein effizienteres Hinzuschalten ermöglichen kann.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Segmente der Katalysatormembranlage in ihrer Materialzusammensetzung, jedenfalls teilweise. Letzteres meint, dass sich nicht zwingend sämtliche Segmente unterscheiden müssen, es kann bspw. auch mehrere Segmente mit gleicher Materialzusammensetzung geben. Alternativ oder zusätzlich zur variierenden Materialzusammensetzung der Katalysatormembranlage kann auch die erste und/oder zweite Gasdiffusionslage in den unterschiedlichen Segmenten mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung gefasst sein, jedenfalls teilweise.
-
Die über die Segmente variierende Materialzusammensetzung kann bspw. einem Temperaturgradienten Rechnung tragen, der sich z. B. aufgrund der sequenziellen Anströmung mit dem Kühlfluid auch dann einstellen kann, wenn alle Segmente betrieben werden. Durch entsprechende Anpassung der Materialzusammensetzung lässt sich das jeweilige Segment bzw. sein Arbeitspunkt also auf ein jeweiliges Temperaturregime optimieren.
-
Insgesamt ist die Katalysatormembranlage bevorzugt in mindestens drei Segmente untergliedert, weitere mögliche Untergrenzen können bspw. bei mindestens fünf, sieben, neun bzw. zehn Segmenten liegen. Eine Obergrenze kann auch von der Größe, also Fläche der Brennstoffzelle abhängen, exemplarisch können 50, 40, 30 bzw. 20 Segmente genannt werden.
-
Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere jeweils segmentierte Brennstoffzellen aneinandergesetzt sind. Bevorzugt ist die Segmentierung über die Brennstoffzellen hinweg dabei deckungsgleich, sodass gemeinsame Anschlüsse für das Reaktionsgas und vorzugsweise auch zur Kühlung für die einzelnen Brennstoffzellen vorgesehen werden können.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer vorliegend offenbarten Brennstoffzelle bzw. des Stapels, wobei in einem ersten Betriebszustand nur eines oder mehrere der Segmente betrieben werden, aber nicht alle. Damit können insbesondere kleinere Gesamtleistungen zugänglich sein, das Abschalten einzelner Segmente kann aber bspw. auch einer eingetretenen Beschädigung in einem der Segmente Rechnung tragen. Es muss dann nicht (sofort) die gesamte Brennstoffzelle abgeschaltet werden, sondern kann auch nur das fehlerhafte Segment stillgelegt und die Zelle bzw. der Stapel mit verringerter Leistung weiterbetrieben werden.
-
Vorteilhaft kann auch eine Verfahrensweise dahingehend sein, dass die ein- und ausgeschalteten Segmente variiert werden, also in einem ersten ersten Betriebszustand andere Segmente ausgeschaltet sind als in einem zweiten ersten Betriebszustand. Dieser intermittierende Betrieb kann im Mittel eine im Wesentlichen gleiche Auslastung der einzelnen Segmente und zudem eine gewisse Regeneration der einzelnen Segmente erlauben.
-
In einem zweiten Betriebszustand werden sämtliche Segmente betrieben. Bezogen auf das Beispiel eingangs kann der erste Betriebszustand bspw. im Falle des am Startfeld wartenden Flugzeugs anliegen, wohingegen der zweite Zustand danach beim Start und ggf. auch darüber hinaus eingestellt sein kann.
-
Wie vorstehend erwähnt, kann im ersten Betriebszustand bevorzugt sein, dass bezogen auf das Kühlfluid stromabgelegene Segmente nicht, stromaufgelegene Segmente hingegen schon betrieben werden. Die stromabgelegenen Segmente können damit vorgeheizt und so auf das spätere Hinzuschalten vorbereitet werden.
-
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend beschriebenen Brennstoffzelle bzw. des Stapels in einer Antriebseinheit eines Flugzeugs oder Nutzfahrzeugs.
-
Figurenliste
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
-
Im Einzelnen zeigt
- 1 eine Brennstoffzelle in einem schematischen Schnitt;
- 2 eine Aufsicht zu der Brennstoffzelle gemäß 1;
- 3 einen Stack mit mehreren aneinandergesetzten Brennstoffzellen.
-
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt eine Brennstoffzelle 1, die eine erste Bipolarplatte 11 und eine zweite Bipolarplatte 12 aufweist. Zwischen den Bipolarplatten 11, 12 ist eine Katalysatormembranlage 2 ausgebildet, also eine katalysatorbeschichtete Membran. Diese ist segmentiert ausgeführt, nämlich im vorliegenden Beispiel in ein erstes Segment 2.1, ein zweites Segment 2.2 und eine drittes Segment 2.3 unterteilt. Zwischen der ersten Bipolarplatte 11 und der Katalysatormembranlage 2 ist eine erste Gasdiffusionslage 5 angeordnet, die ebenfalls deckungsgleich mit der Katalysatormembranlage 2 segmentiert ist, vorliegend in ein erstes, zweites und drittes Segment 5.1, 5.2, 5.3 unterteilt ist. Eine zwischen der Katalysatormembranlage 2 und der zweiten Bipolarplatte 12 angeordnete zweite Gasdiffusionslage 6 ist ebenfalls deckungsgleich in ein erstes, zweites und drittes Segment 6.1, 6.2, 6.3 unterteilt.
-
Die Bipolarplatten 11, 12 weisen an ihrer der jeweiligen Gasdiffusionslage 5, 6 zugewandten Seite jeweils mehrere Stege 11.1, 12.1 auf, diese bilden eine erste Kanalstruktur 21 und eine zweite Kanalstruktur 22. Diese Kanalstrukturen 21, 22 werden im Betrieb von einem jeweiligen Reaktionsgas durchströmt, welches durch die jeweilige Gasdiffusionslage 5, 6 großflächig in die Katalysatormembranlage 2 eindiffundiert. Die Kanalstrukturen 21, 22 sind dabei der Katalysatormembranlage 2 entsprechend segmentiert, gliedern sich nämlich vorliegend jeweils in ein erstes, zweites und drittes Segment 21.1, 22.1; 21.2, 22.2; 21.2, 22.3. Damit lassen sich die Segmente 2.1-2.3 der Katalysatormembranlage individuell mit Reaktionsgas versorgen, kann ihre Leistung also unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch können insbesondere kleinere Ausgangsleistungen zugänglich sein, vgl. die Beschreibungseinleitung im Detail. Zur fluidischen Entkopplung ist eine Dichtung 15 vorgesehen, welche die Segmente 2.1-2.3 gegeneinander dichtet.
-
2 zeigt die Brennstoffzelle 1 bzw. einen Teil davon in einer Aufsicht. Die Segmente 2.1-2.3 der Katalysatormembranlage 2 werden, wie eben erwähnt, von der Dichtung 15 gegeneinander gedichtet, wobei ein jeweiliges Dichtungselement 15.1, 15.2, 15.3 das jeweilige Segment 2.1, 2.2, 2.3 jeweils vollständig umlaufend einfasst. Ferner ist in der Aufsicht die erste Bipolarplatte 11 zu erkennen, in der randseitig Ein- und Auslässe 31, 32 für Reaktionsgase 35, 36, sowie Ein- und Auslass 33, 34 für ein Kühlfluid 37 vorgesehen sind. Es ist, wie dargestellt, ein Counterflow- oder auch ein -Betrieb möglich.
-
Vorliegend sind die Reaktionsgase 35, 36 Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft, wobei jedem Segment 2.1-2.3 jeweils eine eigene Reaktionsgasversorgung zugeordnet ist, sodass die jeweilige Kanalstruktur 21, 22 (in 2 nicht dargestellt, vgl. die Zusammenschau mit 1 zur Illustration) jeweils individuell mit den Reaktionsgasen 35, 36 versorgt werden kann. Die Versorgung mit dem Kühlfluid 37 über einen Kühlkanal 38 betrifft hingegen sämtliche Segmente 2.1-2.3, das Kühlfluid passiert diese also nacheinander. Damit kann, wenn bspw. allein das Segment 2.1 betrieben wird, die mit dem Kühlfluid 37 abgeführte Wärme zum Vorheizen der stromabliegenden Segmente 2.2, 2.3 genutzt werden, vgl. die Beschreibungsanleitung im Einzelnen.
-
3 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellenstapels 40 mit mehreren Brennstoffzellen 1. Diese sind in einer Stapelrichtung 41 aneinandergesetzt, wobei der Mehrlagenaufbau 42 aus jeweiliger Katalysatormembranlage 2 und Gasdiffusionslagen 5, 6 hier zusammengefasst und auch die Segmentierung nicht dargestellt ist. Endseitig finden sich eine Monopolarplatte 43 und eine Abdeckplatte 44. Letztere wird von Zugankern 45 durchsetzt und gegen eine Abdeckplatte am entgegengesetzten Ende (nicht dargestellt) verspannt, sodass die einzelnen Brennstoffzellen 1 unter Druck zusammengehalten sind. Zwischen der Abdeckplatte 44 und der Monopolarplatte 43 ist dabei noch eine Stromabnehmerplatte 46 angeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Katalysatormembranlage
- 2.1
- Erstes Segment
- 2.2
- Zweites Segment
- 2.3
- Drittes Segment
- 5
- Erste Gasdiffusionslage
- 5.1
- Erstes Segment
- 5.2
- Zweites Segment
- 5.3
- Drittes Segment
- 6
- Zweite Gasdiffusionslage
- 6.1
- Erstes Segment
- 6.2
- Zweites Segment
- 6.3
- Drittes Segment
- 11
- Erste Bipolarplatte
- 12
- Zweite Bipolarplatte
- 11.1, 12.1
- Stege (der Bipolarplatten)
- 21
- Erste Kanalstruktur
- 22
- Zweite Kanalstruktur
- 21.1, 22.1
- Erstes Segment (der jeweiligen Kanalstruktur)
- 21.2, 22.2
- Zweites Segment (der jeweiligen Kanalstruktur)
- 21.2, 22.3
- Drittes Segment (der jeweiligen Kanalstruktur)
- 15
- Dichtung
- 15.1, 15.2, 15.3
- Jeweiliges Dichtungselement
- 31, 32
- Ein- und Auslässe für Reaktionsgas
- 33, 34
- Ein- und Auslass für Kühlfluid
- 35, 36,
- Reaktionsgase
- 37
- Kühlfluid
- 38
- Kühlkanal
- 40
- Brennstoffzellenstapel
- 41
- Stapelrichtung
- 42
- Mehrlagenaufbau
- 43
- Monopolarplatte
- 44
- Abdeckplatte
- 45
- Zuganker
- 46
- Stromabnehmerplatte
