DE102021130728A1 - Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3), die zwischen einer ersten Endplatte (14) und einer zweiten Endplatte (15) angeordnet sind, von denen der zweiten Endplatte (15) der Führung von Medien dienende Header, nämlich ein Kathodenfrischgas-Header (16), ein Anodenfrischgas-Header (17) und ein Kühlmittelzulauf-Header (18) sowie ein Kathodenabgas-Header (19), ein Anodenabgas-Header (20) und ein Kühlmittelablauf-Header (21) zugeordnet sind. Ein Konditioniermodul (22) für die Konditionierung des Kathodenfrischgases und der Wasserabscheidung aus dem Anodenabgas ist an der zweiten Endplatte (15) angeschlossen, wozu das Konditioniermodul (22) eine zweite Modulendplatte (23) mit zu den Headern (16), (17), (18), (19), (20), (21) der zweiten Endplatte korrespondierenden Headern (16), (17), (18), (19), (20), (21) und ergänzend mit einem Kathodeneintritt-Header (24) und einem Kathodenaustritt-Header (25) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte angeordnet sind, von denen der zweiten Endplatte der Führung von Medien dienende Header, nämlich ein Kathoden-Frischgasheader, ein Anodenfrischgas-Header und ein Kühlmittelzulauf-Header sowie ein Kathodenabgas-Header, ein Anodenabgas-Header und ein Kühlmittelablauf-Header zugeordnet sind, wobei ein Konditioniermodul für die Konditionierung des Kathodenfrischgases und der Wasserabscheidung aus dem Anodenabgas an der zweiten Endplatte angeschlossen ist, wozu das Konditioniermodul eine zweite Modulendplatte mit zu den Headern der zweiten Endplatte korrespondierenden Headern und ergänzend mit einem Kathodeneintritt-Header und einem Kathodenaustritt-Header aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode, ist. Zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Leistung ist es bekannt, einen Brennstoffzellenstapel durch eine Vielzahl im Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen zu bilden, die durch eine Zusammenfassung der Membran-Elektroden-Einheit mit Bipolarplatten gebildet werden.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. 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. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
  • Andererseits ist zu beachten, dass aufgrund der Verwendung von einer Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel ein hoher Bedarf an Sauerstoff besteht, so dass bei Brennstoffzellenvorrichtungen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird in einem Ladeluftkühler temperiert und sodann in einem Befeuchter befeuchtet, der im Allgemeinen eingesetzt wird, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Die durch den Verdichter bereit gestellte trockene Luft wird dazu an einer wasserdampfdurchlässigen Befeuchtermembran des Befeuchters vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.
  • Für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzellen ist neben der relativen Feuchte der den Protonentransport bewirkenden Membranen auch deren Temperatur bedeutsam, so dass Brennstoffzellen unter zu niedrigen oder unter zu hohen Temperaturen Leistungseinbußen aufzeigen. Aus diesem Grund ist es bekannt, den Brennstoffzellenstapel in einen Kühlmittelkreislauf einzubinden, womit die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Abwärme abtransportiert und an andere Konstituenten der Brennstoffzellenvorrichtung oder an die Umgebung abgegeben wird. Zusätzlich zu den Reaktanten wird also aufgrund der bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugten Wärme auch ein Kühlmedium durch die Bipolarplatten durchgeführt, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien durch die Bipolarplatten geführt werden.
  • In der DE 10 2006 017 943 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart mit einer Anodenverteilungsplatte und einer Kathodenverteilungsplatte, denen Strömungsfelder für die Reaktanten und Kühlmittelkanäle zugeordnet sind. Es ist auch ein viertes Strömungsfeld vorgesehen, um eine integrierte Befeuchtung und Kühlung der Brennstoffzellen zu ermöglichen. Die DE 10 2011 117 101 A1 schlägt bei einer Brennstoffzellenanordnung die Integration eines Befeuchtungsmoduls in diese Brennstoffzellenanordnung vor, um den Feuchtigkeitshaushalt zu regulieren und das Betriebsverhalten zu verbessern.
  • Des Weiteren fällt im Brennstoffzellenstapel sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig Flüssigwasser an, das aus dem Brennstoffzellenstapel mittels eines Wasserabscheiders entfernt werden muss. Die WO 03/030291 A2 beschreibt die Integration eines Wasserabscheiders in einer der Endplatten des Brennstoffzellenstapels, damit auskondensiertes Befeuchtungswasser die Brennstoffzelle nicht beflutet.
  • Der Befeuchter, der Wasserabscheider sowie der nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen, mit dem der Bauraumbedarf verringert werden kann. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereit zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der eingangs genannte Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass eine hochintegrierte Vorrichtung vorliegt, die neben der Ermöglichung der elektrochemischen Reaktion auch die Konditionierung der dazu erforderlichen Reaktanten durchführt unter Gewährleistung des erforderlichen Feuchteniveaus. Der Bauraumbedarf ist gegenüber der Nutzung einer Vielzahl separat vorgehaltener Komponenten für die einzelnen Funktionen deutlich reduziert. Zu beachten ist auch, dass das Kathodenfrischgas in die Brennstoffzellen eingeführt und dort für die elektrochemische Reaktion genutzt und sodann das Kathodenabgas wieder aus dem Brennstoffzellenstapel geleitet wird, so dass dafür zwei Header ausreichend sind. Durch das Konditioniermodul müssen sowohl das Kathodenfrischgas als auch das Kathodenabgas geführt werden, so dass jeweils zwei Header dafür erforderlich und ergänzend der Kathodeneintritt-Header und der Kathodenaustritt-Header bereit gestellt sind.
  • Vorteilhaft ist dabei auch, wenn das Konditioniermodul eine Mehrzahl von Platten aufweist, wenn die Platten zwischen der zweiten Modulendplatte und einer ersten Modulendplatte aufgenommen sind, und wenn die erste Modulendplatte zu der zweiten Modulendplatte korrespondierende Header aufweist. Durch diese Gestaltung ist in einfacher Weise die Zuleitung und die Ableitung der Medien durch den gesamten Brennstoffzellenstapel einschließlich des Konditioniermoduls ermöglicht, da die Stirnseite mit der ersten Modulendplatte in die Medienführung mit einbezogen werden kann.
  • Die Konditionierung des Kathodenfrischgases und die Entfeuchtung des Anodenabgases und des Kathodenabgases wird gefördert, wenn die Platten der Verteilung der Medien dienende Flussfelder aufweisen. Zwischen diesen Flussfeldern sind dann die für einen Befeuchter erforderlichen Befeuchtermembranen angeordnet.
  • Die Integration der Kühlfunktion lässt sich vorteilhaft realisieren, indem ein die Kühlmittelzulauf-Header der zweiten Endplatte, der ersten Modulendplatte und der zweiten Modulendplatte integrierender Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist, und indem dessen Kühlmittelleitung zuerst durch das Konditioniermodul und dann durch die Brennstoffzellen oder zuerst durch die Brennstoffzellen, die dazu einen der ersten Endplatte zugeordneten Kühlmittelzulauf-Header aufweisen, und dann durch das Konditioniermodul geführt ist. Es besteht damit die Wahlmöglichkeit, ob die Zuleitung direkt in die Brennstoffzellen erfolgen soll oder die Kühlfunktion zunächst in dem Konditioniermodul wirksam werden soll.
  • Vorgesehen ist weiterhin, dass die Flussfelder für das Kathodenfrischgas stromab des Kathodenfrischgas-Header parallel zu den Flussfeldern für das Anodenabgas geführt sind. Das flüssige Wasser der Anode trägt bei niedrigen Lastpunkten meistens nur geringfügig zur Befeuchtung des Kathodenfrischgases bei, ist aber bei hohen Lastpunkten aber für einen Großteil der Befeuchtung ausreichend. Bei niedrigen Lastpunkten muss also Wasser aus dem Kathodenabgas für die Befeuchtung verwendet werden; zu beachten ist dabei, dass die Feuchte in dem Kathodenabgas unabhängig von dem Anodenabgas stets ausreichend hoch ist für die Befeuchtung des Kathodenfrischgases. Daher ist darauf zu achten, dass nicht die Befeuchtung durch das Kathodenabgas nicht so weit erfolgt, dass aus dem Anodenabgas kein Wasser mehr aufgenommen werden kann und somit das Wasser in die Brennstoffzellen eintritt und diese schädigt. Dieser Gefahr ist durch die angegebene Verschaltung vorgebeugt, bei der das Kathodenfrischgas zunächst am Anodenabgas entlang geführt wird.
  • Vorteilhaft ist dabei, wenn für das Kathodenfrischgas stromab der Flussfelder für das Anodenabgas ein Umlenkheader für das Kathodenfrischgas vorgesehen ist und die Flussfelder für das Kathodenfrischgas parallel zu den Flussfeldern für das Kathodenabgas geführt sind. Bei dieser Verschaltung kann auch die Feuchte im Kathodenabgas genutzt werden, wenn insbesondere bei niedrigen Lastpunkten die stromauf bereit gestellte Feuchte aus dem Anodenabgas nicht ausreicht.
  • Eine verbesserte Ausnutzung der Fläche der Modulendplatten wird ermöglicht, indem zumindest einer der Header von einer randseitigen Lage in Richtung der Mitte der Platten versetzt ist. Dabei kann die zweite Endplatte als Umlenkplatte gestaltet sein mit einem Umlenkkanal.
  • Besonders bevorzugt ist weiterhin, wenn die Platten eine den Brennstoffzellen entsprechende Abmessung in der Breite und der Höhe haben und in einer mit der Anzahl der Brennstoffzellen korrespondierenden Anzahl vorliegen. Auf diese Weise kann eine kompakte Einheit bereit gestellt worden mit der einfachen Möglichkeit der Skalierung. Wenn also zur Leistungsanpassung die Anzahl der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel verändert wird, kann entsprechend die Anzahl der Platten in dem Konditioniermodul verändert worden, wobei das Verhältnis diesbezüglich nicht 1:1 sein muss, sondern beispielsweise bei einer Erhöhung der Brennstoffzellenanzahl um 5 nicht zwingend auch 5 weitere Platten ergänzt werden müssen, sondern eine kleinere Anzahl von beispielsweise 3 oder auch eine höhere Anzahl von beispielsweise 6 günstig und ausreichend sein kann.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer einen vorstehend geschilderten Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine perspektivische Darstellung eines mit den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels verbundenen Konditioniermoduls,
    • 2 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 3 eine schematische Darstellung des Header des Brennstoffzellenstapels (links) und des Konditioniermoduls (rechts),
    • 4 eine schematische Darstellung des Kühlmittelverlaufs mit dem Kühlmittelzulauf zuerst in die Brennstoffzellen (links) und zuerst in das Konditioniermodul (rechts),
    • 5 eine symbolische Darstellung der Verschaltung der Brennstoffzellen und des Konditioniermoduls, ausgelegt für den Gegenstrombetrieb, dargestellt ohne die Kühlmittelströmung,
    • 6 eine der 5 entsprechende Darstellung der Verschaltung für den Gleichstrombetrieb,
    • 7 eine perspektivische Darstellung des Konditioniermoduls hinsichtlich dessen Plattenkonzept, mit einer asymmetrischen Aufteilung der Anordnung der Header,
    • 8 eine Vorderansicht des Konditioniermoduls aus 7,
    • 9 eine schematische Darstellung des Konditioniermoduls aus 8, ausgelegt für einen Gegenstrombetrieb in den Brennstoffzellenstapel, und
    • 10 eine der 9 entsprechende Darstellung eines Konditioniermoduls, ausgelegt für einen Gleichstrombetrieb in den Brennstoffzellenstapel.
  • Die in 2 gezeigte, dem Stand der Technik entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 3 aufweist. Jede der Brennstoffzellen 3 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff als Anodengas (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
  • Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronen-aufnahme).
  • Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 4 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstofftank 5 verbunden. In der Anodenzufuhrleitung 4 sind ein Brennstoff-Dosierventil, ein Wärmeübertrager 6, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes, und eine Jetpumpe 7 vorgesehen. Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel 2 keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf 8 geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Anodenabgases zu dem Brennstoffzellenstapel 2 der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann. Im Anodenkreislauf 8 kann dazu die Jetpumpe 7 eingesetzt werden, der mittels der potentiellen Energie des Brennstoffes aus einem Brennstofftank 5 das Anodenabgas rezirkuliert
  • Kathodenseitig ist ein Verdichter 9 vorhanden, mit dem die Luft stark verdichtet wird, um eine ausreichende Menge an Sauerstoff für die Vielzahl der Brennstoffzellen 3 bereitstellen zu können. In der 2 ist dargestellt, dass die Konditionierung des Kathodengases in einem Wärmetauscher 10 und einem Befeuchter 11 erfolgt, dem Feuchte aus dem Produktwasser des Kathodenabgases oder ergänzend aus einem anodenseitigen Wasserabscheider 12 zur Verfügung gestellt werden kann, in dem anfallendes Wasser gesammelt und über ein Ablassventil 13 abgeschieden werden kann. Für diese Konditionierung unter Nutzung der Wasserabscheidung sind große Bauteile erforderlich, die entsprechend viel Bauraum beanspruchen.
  • Bei dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 3, die zwischen einer ersten Endplatte 14 und einer zweiten Endplatte 15 angeordnet sind, von denen der zweiten Endplatte 15 der Führung von Medien dienende Header, nämlich ein Kathodenfrischgas-Header 16, ein Anodenfrischgas-Header 17 und ein Kühlmittelzulauf-Header 18 sowie ein Kathodenabgas-Header 19, ein Anodenabgas-Header 20 und ein Kühlmittelablauf-Header 21 zugeordnet sind, ist daher vorgesehen, dass ein Konditioniermodul 22 für die Konditionierung des Kathodenfrischgases und der Wasserabscheidung aus dem Anodenabgas an der zweiten Endplatte 15 angeschlossen ist, wozu das Konditioniermodul 22 eine zweite Modulendplatte 23 mit zu den Headern der zweiten Endplatte 15 korrespondierenden Headern 16, 17, 18, 19, 20, 21 und ergänzend mit einem Kathodeneintritt-Header 24 und einem Kathodenaustritt-Header 25 aufweist.
  • Zur Einsparung von Bauraum ist daher eine Vielzahl von Funktionen in den Brennstoffzellenstapel 2 integriert, der dazu das Konditioniermodul 22 aufweist.
  • Das Konditioniermodul 22 weist eine Mehrzahl von Platten 26 auf, wobei die Platten 26 zwischen der zweiten Modulendplatte 23 und einer ersten Modulendplatte 27 aufgenommen sind, und wobei die erste Modulendplatte 27 zu der zweiten Modulendplatte 23 korrespondierende Header aufweist. Die Platten 26 weisen der Verteilung der Medien dienende Flussfelder auf. 1 lässt auch erkennen, dass die Platten 26 eine den Brennstoffzellen 3 entsprechende Abmessung in der Breite und der Höhe haben und in einer mit der Anzahl der Brennstoffzellen 3 korrespondierenden Anzahl vorliegen, wodurch in einfacher Weise eine Skalierung ermöglicht ist, da in Abhängigkeit der durch die Anzahl der Brennstoffzellen 3 generierten Leistung die Anzahl der Platten 26 angepasst werden kann.
  • Die 4 verweist auf die bestehenden Alternativen für die Führung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 18. Dazu ist ein die Kühlmittelzulauf-Header 18 der zweiten Endplatte 15, der ersten Modulendplatte 27 und der zweiten Modulendplatte 23 integrierender Kühlmittelkreislauf 28 vorgesehen, wobei dessen Kühlmittelleitung zuerst durch das Konditioniermodul 22 und dann durch die Brennstoffzellen 3 oder alternativ zuerst durch die Brennstoffzellen 3, die dazu einen der ersten Endplatte 14 zugeordneten Kühlmittelzulauf-Header 18 und einen Kühlmittelkreislauf-Header 21 aufweisen, und dann durch das Konditioniermodul 22 geführt ist.
  • In der 5 ist, ohne Darstellung des Kühlmittelkreislaufes 28, gezeigt, dass die Flussfelder für das Kathodenfrischgas stromab des Kathodenfrischgas-Headers 16 parallel zu den Flussfeldern für das Anodenabgas geführt sind und für das Kathodenfrischgas stromab der Flussfelder für das Anodenabgas ein Umlenkheader 29 für das Kathodenfrischgas vorgesehen ist und die Flussfelder für das Kathodenfrischgas parallel zu den Flussfeldern für das Kathodenabgas geführt sind. Diese Verschaltung kann für den in 5 gezeigten Gegenstrom in den Brennstoffzellen 3 genutzt werden und auch für den in 6 gezeigten Gleichstrom.
  • Um eine verbesserte Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes zu erzielen, ist zumindest einer der Header von einer randseitigen Lage in Richtung der Mitte der Platten 26 versetzt, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 7 bis 10 die zweite Modulendplatte 23 als Umlenkplatte 30 gestaltet ist mit einem Umlenkkanal. Die 7 zeigt dabei, dass das Anodenabgas in der Umlenkplatte 30 in Richtung des mittig angeordneten Anodenabgas-Headers 20 geführt ist. Das Kathodenabgas wird auch in der Umlenkplatte 30 zu dem Kathodenabgas-Header 19 geführt. Die 9 zeigt dabei eine Verschaltung für einen Gegenstrom-Betrieb in den Brennstoffzellen 3 und 10 eine Verschaltung für eine GleichstromBetrieb.
  • Die sich ergebenden Vorteile, insbesondere hinsichtlich des Bauraumbedarfs zeien sich besonders bei einem Brennstoffzellenfahrzeua mit einer einen derartigen Brennstoffzellenstapel 2 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung 1.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Brennstoffzellen
    4
    Anodenabgasleitung
    5
    Brennstofftank
    6
    Wärmeübertrager
    7
    Jetpumpe (Saugstrahlpumpe)
    8
    Anodenkreislauf
    9
    Verdichter
    10
    Wärmetauscher
    11
    Befeuchter
    12
    Wasserabscheider
    13
    Ablassventil
    14
    Erste Endplatte
    15
    Zweite Endplatte
    16
    Kathodenfrischgas-Header
    17
    Anodenfrischgas-Header
    18
    Kühlmittelzulauf Header
    19
    Kathodenabgas-Header
    20
    Anodenabgas-Header
    21
    Kühlmittelablauf-Header
    22
    Konditioniermodul
    23
    Zweite Modulendplatte
    24
    Kathodeneintritt-Header
    25
    Kathodenaustritt-Header
    26
    Platte
    27
    Erste Modulendplatte
    28
    Kühlmittelkreislauf
    29
    Umlenkheader
    30
    Umlenkplatte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006017943 A1 [0006]
    • DE 102011117101 A1 [0006]
    • WO 03/030291 A2 [0007]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3), die zwischen einer ersten Endplatte (14) und einer zweiten Endplatte (15) angeordnet sind, von denen der zweiten Endplatte (15) der Führung von Medien dienende Header, nämlich ein Kathodenfrischgas-Header (16), ein Anodenfrischgas-Header (17) und ein Kühlmittelzulauf-Header (18) sowie ein Kathodenabgas-Header (19), ein Anodenabgas-Header (20) und ein Kühlmittelablauf-Header (21) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konditioniermodul (22) für die Konditionierung des Kathodenfrischgases und der Wasserabscheidung aus dem Anodenabgas an der zweiten Endplatte (15) angeschlossen ist, wozu das Konditioniermodul (22) eine zweite Modulendplatte (23) mit zu den Headern (16), (17), (18), (19), (20), (21) der zweiten Endplatte (15) korrespondierenden Headern (16), (17), (18), (19), (20), (21) und ergänzend mit einem Kathodeneintritt-Header (24) und einem Kathodenaustritt-Header (25) aufweist.
  2. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditioniermodul (22) eine Mehrzahl von Platten (26) aufweist, dass die Platten (16) zwischen der zweiten Modulendplatte (23) und einer ersten Modulendplatte (27) aufgenommen sind, und dass die erste Modulendplatte zu der zweiten Modulendplatte (23) korrespondierende Header aufweist.
  3. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (26) der Verteilung der Medien dienende Flussfelder aufweisen.
  4. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Kühlmittelzulauf-Header (18) der zweiten Endplatte (15), der ersten Modulendplatte (27) und der zweiten Modulendplatte (23) integrierender Kühlmittelkreislauf (28) vorgesehen ist, und dass dessen Kühlmittelleitung zuerst durch das Konditioniermodul (22) und dann durch die Brennstoffzellen (3) oder zuerst durch die Brennstoffzellen (3), die dazu den der ersten Endplatte (14) zugeordneten Kühlmittelzulauf-Header (18) und den Kühlmittelablauf-Header (21) aufweisen, und dann durch das Konditioniermodul (22) geführt ist.
  5. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussfelder für das Kathodenfrischgas stromab des Kathodenfrischgas-Header (16) parallel zu den Flussfeldern für das Anodenabgas geführt sind.
  6. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Kathodenfrischgas stromab der Flussfelder für das Anodenabgas ein Umlenkheader (19) für das Kathodenfrischgas vorgesehen ist und die Flussfelder für das Kathodenfrischgas parallel zu den Flussfeldern für das Kathodenabgas geführt sind.
  7. Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Header von einer randseitigen Lage in Richtung der Mitte der Platten (26) versetzt ist.
  8. Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Endplatte (15) als Umlenkplatte (30) gestaltet ist mit einem Umlenkkanal.
  9. Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (26) eine den Brennstoffzellen (3) entsprechende Abmessung in der Breite und der Höhe haben und in einer mit der Anzahl der Brennstoffzellen (3) korrespondierenden Anzahl vorliegen.
  10. Brennstoffzellenfahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (1).
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