DE102021129527B3

DE102021129527B3 - Brennstoffzellenstapel und Kraftfahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102021129527B3
Application number: DE102021129527.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Voigt; Oliver Keitsch; Fabian Lippl; Armin Siebel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2041-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (2), die zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordnet sind, in denen jeweils Öffnungen (12) für die Zuleitung und die Ableitung aller Betriebsmedien ausgebildet sind. Die den Endplatten (3, 4) innen und/oder außen benachbarten Bauteile weisen Verschlusselemente (13) für nicht benötigte Öffnungen (12) auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer einen solchen Brennstoffzellenstapel (1) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen zwei Endplatten angeordnet sind, in denen jeweils Öffnungen für die Zuleitung und die Ableitung aller Betriebsmedien ausgebildet sind, wobei die den Endplatten innen und/oder außen benachbarten Bauteile Verschlusselemente für nicht benötigte Öffnungen aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer einen solchen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, in der ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, in der Regel aus Luft entnommener Sauerstoff, reagiert. Zur Leistungssteigerung ist es dabei möglich, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zu einem zwischen Endplatten aufgenommenen Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, um insbesondere den Leistungsanforderungen zu genügen, die in Kraftfahrzeugen bestehen. Brennstoffzellen enthalten als Kernkomponente einen Elektrolyten und zugeordnete Elektroden. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen statt. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O² _- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet.
Es ist möglich, bei einem Brennstoffzellenstapel alle Betriebsmedien, also sowohl das Kühlmittel als auch die Reaktanten, an ein- und derselben Endplatte des Brennstoffzellenstapels einzuleiten und von dort auch wieder auszuleiten. Dies führt dazu, dass der Bauraum zur Einführung der Betriebsmedien stark begrenzt ist und ein flexibler Einsatz des Brennstoffzellenstapels in unterschiedlichen Positionen und Einbaulagen erschwert ist. Dies verhindert oder erschwert die Verwendung einer gegebenen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels in einer Vielzahl von Anwendungsfällen, so dass Skaleneffekte zur Minimierung von Entwicklungskosten im Vergleich zu verkauften Einheiten nicht vollständig ausgenutzt werden können.
Die DE 10 2004 060 526 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, der auf seinen beiden Endseiten nach der jeweils letzten Brennstoffzelle mit einer Endplatte versehen ist, wobei die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit fluiden Betriebsmitteln durch wenigstens eine der Endplatten erfolgt. Jede der Endplatten weist alle Anschlusselemente zur Zuleitung und Ableitung aller Betriebsmittel auf, wobei nicht benötigte Anschlusselemente durch Blindstopfen verschlossen werden. Vergleichbare Brennstoffzellenstapel sind in DE 10 2019 204 274 A1 und JP 2013 - 120 626 A offenbart.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der flexibler in unterschiedlichen Einbaulagen eingesetzt werden kann. Es ist darüber hinaus die Aufgabe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Brennstoffzellenstapel der eingangs genannte Art bietet den Vorteil, dass allein durch die Gestaltung der den Endplatten benachbarten Bauteile die Flexibilität hinsichtlich der Verwendung deutlich gesteigert werden kann, und zwar ohne dass zusätzliche Teile wie Blindstopfen bereit gehalten, verbaut und bezüglich ihrer Lage dauerhaft gesichert werden müssen. Die gesteigerte Flexibilität wird allein durch die besondere Gestaltung der benachbarten Bauteile erreicht, wobei die Bauteile durch die den Endplatten benachbarte erste Unipolarplatte und die zweite Unipolarplatte gebildet sind, wobei insbesondere die erste Unipolarplatte die Verschlusselemente für die durch die Reaktanten gebildeten Betriebsmedien aufweist, so dass nur das andere Betriebsmedium, nämlich das Kühlfluid durchgeleitet wird. Komplementär weist dann die zweite Unipolarplatte die Verschlusselemente für das durch das Kühlmittel gebildete Betriebsmedium auf, während die Reaktanten die Öffnungen für die Zuleitung und/oder die Ableitung nutzen können.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel lässt sich einfacher in ein Kraftfahrzeug integrieren, so dass auch dessen Bauraum besser ausgenutzt wird.
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 verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem die den Endplatten benachbarten Unipolarplatten die Verschlüsse für nicht benötigte Medienports aufweisen, und
2 eine der 1 entsprechende Darstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem das Gehäuse die Verschlüsse für nicht benötigte Medienports aufweist.

In 1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 1 gezeigt. Hierbei ist eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Brennstoffzellen 2 vorhanden. Die Brennstoffzellen sind parallel zueinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten 3, 4 verspannt.
Die Endplatten 3, 4 weisen Öffnungen 12 für Medienanschlüsse 5 auf, um den Brennstoffzellen 2 Betriebsmedien zuzuführen oder Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen 2 auszuleiten, wobei die Betriebsmedien durch die Reaktanten für die elektrochemische Reaktion sowie durch ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit gebildet sind. In den 1 und 2 sind gezeigt die Brennstoffzuleitung 6, die Brennstoffableitung 7, die Kathodengaszuleitung 8, die Kathodengasableitung 9, die Kühlmittelzuleitung 10 und die Kühlmittelableitung 11. Die den Endplatten 3, 4 innen und/oder außen benachbarten Bauteile weisen Verschlusselemente 13 für nicht benötigte Öffnungen 12 auf, wobei in dem Beispiel nach 1 die Bauteile durch die den Endplatten 3, 4 benachbarte erste Unipolarplatte 14 und die zweite Unipolarplatte 15 gebildet sind. Dabei weist die erste Unipolarplatte 14 die Verschlusselemente 13 für die durch die Reaktanten gebildeten Betriebsmedien auf, während die zweite Unipolarplatte 15 die Verschlusselemente 13 für das durch das Kühlmittel gebildete Betriebsmedium aufweist. Gezeigt ist auch eine Bipolarplatte 19 mit den Öffnungen 12 für alle Betriebsmedien.
Es ist ausweislich der 2 auch die Möglichkeit gegeben, dass die Bauteile durch mindestens eine Wandung 16 eines Gehäuses 17 gebildet sind, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Deckel 18 für die Wandung 16 genutzt ist.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 1 kann insbesondere in einer Brennstoffzellenvorrichtung eines Kraftfahrzeugs genutzt werden, bei welchem der verfügbare Bauraum effizienter ausgenutzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Brennstoffzelle (Einheitszelle)
3: erste Endplatte
4: zweite Endplatte
5: Medienanschluss
6: Brennstoffzuleitung (einlassseitiger Medienanschluss)
7: Brennstoffableitung (auslassseitiger Medienanschluss)
8: Kathodengaszuleitung (einlassseitiger Medienanschluss)
9: Kathodengasableitung (auslassseitiger Medienanschluss)
10: Kühlmittelzuleitung (einlassseitiger Medienanschluss)
11: Kühlmittelableitung (auslassseitiger Medienanschluss)
12: Öffnungen
13: Verschlusselement
14: erste Unipolarplatte
15: zweite Unipolarplatte
16: Wandung
17: Gehäuse
18: Deckel
19: Bipolarplatte

Claims

Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (2), die zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordnet sind, in denen jeweils Öffnungen (12) für die Zuleitung und die Ableitung aller Betriebsmedien ausgebildet sind, wobei die den Endplatten (3, 4) innen benachbarten Bauteile Verschlusselemente (13) für nicht benötigte Öffnungen (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile durch die den Endplatten (3, 4) benachbarte erste Unipolarplatte (14) und die zweite Unipolarplatte (15) gebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Unipolarplatte (14) die Verschlusselemente (13) für die durch die Reaktanten gebildeten Betriebsmedien aufweist.
Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Unipolarplatte (15) die Verschlusselemente (13) für das durch das Kühlmittel gebildete Betriebsmedium aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.