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Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellstapel für ein Brennstoffzellensystem, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels und ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser um.
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Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, Kühlstrecken, die mit Kühlmittel durchströmt werden, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere Brennstoffzellen werden in einem Zellstapel gestapelt, um eine erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Innerhalb eines Zellstapels bzw. „stacks“ befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff, Luft und Kühlmittel versorgen bzw. die abgereicherte feuchte Luft, erwärmte Kühlmittel sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren. Die Versorgungskanäle werden als Verteiler, die Kanäle zum Abtransport als Sammler bezeichnet.
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Nach dem Stand der Technik sind Zellstapel bekannt, bei denen die Verteiler als auch die Sammler auf einer Stirnseite, d.h. einer zu jeweiligen Zellen eines Zellstapels parallelen Fläche, verlaufen. Dabei sind die Verteiler und Sammler spiegelsymmetrisch gestaltet und zeigen entsprechend am Ein- und Austritt den gleichen hydraulischen Querschnitt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Zellstapel, ein Brennstoffzellensystem und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Zellstapels vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellstapel und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere zum Maximieren einer Leistungsdichte eines Brennstoffzellensystems.
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Es wird somit in einem ersten Aspekt ein Zellstapel für ein Brennstoffzellensystem mit einer entlang einer Lauflänge des Zellstapels angeordneten Vielzahl Zellen vorgestellt. Jede Zelle der Vielzahl Zellen umfasst ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle angeordnet sind, und wobei die Verteilerkanäle einer jeweiligen Zelle des Zellstapels einen größeren Querschnitt aufweisen als die Sammlerkanäle der jeweiligen Zelle.
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Unter einer Lauflänge eines Zellstapels ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Strecke zwischen einem Anfang, insbesondere einem in Schwerkraftrichtung oberen Ende des Zellstapels und einem Ende, insbesondere einem in Schwerkraftrichtung unteren Ende des Zellstapels zu verstehen. Selbstverständlich kann sich eine Lauflänge, bspw. bei einem Zellstapel in sogenannter „Buchregal-Anordnung“, also einem orthogonal zur Schwerkraftrichtung ausgerichteten Zellstapel, von einem Anfang, insbesondere einer Seite, an der Wasserstoff in den Zellstapel eintritt, zu einem Ende, insbesondere einer Seite, auf der Wasserstoff aus dem Zellstapel austritt, erstrecken.
Der vorgestellte Zellstapel basiert auf einer speziellen Geometrie von Sammlerkanälen und Verteilerkanälen, die durch jeweilige Zellen des Zellstapels laufen bzw. durch jeweilige Zellen des Zellstapels gebildet werden. Diese Geometrie bedingt, dass die Verteilerkanäle entlang einer Lauflänge des Zellstapels zumindest bereichsweise einen größeren Querschnitt aufweisen als die Sammlerkanäle.
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Der zumindest bereichsweise größere Querschnitt der Verteilerkanäle gegenüber den Sammlerkanälen hat die Wirkung, dass ein Druckverlust und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit über die verschiedenen Zellen des vorgestellten Zellstapels hinweg im Wesentlichen konstant ist. Dies ergibt sich, da gasförmig zugeführte Edukte in einer jeweiligen Zelle reagieren und zumindest teilweise flüssige Produkte erzeugen. Entsprechend werden die Volumenströme der Produkte gegenüber den Volumenströmen der Edukte kleiner. Bei kleiner werdendem Volumenstrom sinkt der Druckverlust, bzw. wird für den gleichen Druckverlust weniger Querschnittsfläche für entsprechende Kanäle notwendig, da das Produkt Wasser vor allem in flüssiger Form eine höhere Dichte als die gasförmigen Edukte hat.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl Verteilerkanäle auf der ersten Seite einer jeweiligen Zelle Wasserstoffverteilerkanäle zur Versorgung des Strömungsfelds der Zelle mit Wasserstoff und die Anzahl Sammlerkanäle auf der ersten Seite der Zelle Luftsammlerkanäle zum Abführen von Abluft aus der Zelle sind, und dass die Anzahl Verteilerkanäle auf der zweiten Seite der Zelle Luftverteilerkanäle zur Versorgung des Strömungsfelds der Zelle und die Anzahl Sammlerkanäle Abgassammlerkanäle zum Abführen von Wasser aus der Zelle sind. Dabei kann das Abgas Wasserstoff, Wasser und Stickstoff sowie ggf. weitere Gase umfassen, die dem Zellstapel durch die Wasserstoffverteiler zugeführt wurden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anzahl Verteilerkanäle und die Anzahl Sammlerkanäle jeweils lediglich einen Kanal umfassen, der als Verteiler bzw. Sammler wirkt. Entsprechend kann der vorgestellte Zellstapel einen Wasserstoffverteilerkanal, einen Wassersammlerkanal, einen Luftverteilerkanal und einen Luftsammlerkanal umfassen. Alternativ kann die Anzahl Verteilerkanäle bzw. die Anzahl Sammlerkanäle mehrere Kanäle umfassen bzw. aus einem Netzwerk an Kanälen bestehen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilerkanäle und die Sammlerkanäle jeweiliger Zellen des Zellstapels in ihrem Querschnitt derart dimensioniert sind, dass ein Druckverlust und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit von durch den Zellstapel strömenden Fluiden entlang der Lauflänge des Zellstapels konstant ist.
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Durch eine zellspezifische Geometrie der Sammlerkanäle und Verteilerkanäle des vorgestellten Zellstapels, insbesondere einen sich zwischen verschiedenen Zellen ändernden Querschnitt, kann ein konstanter Druckverlauf bzw. eine konstante Strömungsgeschwindigkeit in dem Zellstapel erreicht werden, sodass lokale Belastungsspitzen in jeweiligen Zellen minimiert und eine Standzeit des Zellstapels maximiert wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilerkanäle entlang der kompletten Lauflänge des Zellstapels einen größeren Querschnitt aufweisen als die Sammlerkanäle.
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Da die Edukte, die einem Brennstoffzellensystem zugeführt werden, insbesondere Wasserstoff, in der Gasphase vorliegen, müssen diese mit hohem Druck auf den Zellstapel geführt werden, sodass ein entsprechend großer Verteilerquerschnitt benötigt wird. Im inneren einer jeweiligen Zelle wird Wasserstoff verarbeitet und, dadurch bedingt, ein Stoffmengenstrom von der Zelle zugeführtem Wasserstoff bzw. Luft zu aus der Zelle abzuführendem Abgas bzw. abzuführender Abluft umgewandelt, sodass der entsprechende Sammelkanal kleiner ausgeführt sein kann als der zuführende Verteilerkanal. Der kleinere bzw. reduzierte Querschnitt des jeweiligen Sammelkanals hat einen minimierten Druckverlust des Zellstapels gegenüber einem herkömmlichen Zellstapel zur Folge. Bspw. können die Verteilerkanäle und die Sammlerkanäle entlang der Lauflänge des Zellstapels punktsymmetrisch ausgestaltet sein.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Zellen des Zellstapels dazu konfiguriert sind, in einem Gegenstromprinzip durchströmt zu werden.
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Der vorgestellte Zellstapel eignet sich insbesondere für Anordnungen im Gegenstromprinzip, insbesondere einer Konfiguration zur Z-Durchströmung, bei der jeweilige Fluide bspw. von einer ersten Seite unten auf eine gegenüberliegende zweite Seite oben, oder umgekehrt, geleitet werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellstapels.
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Aufgrund des vorgestellten Zellstapels zeigt das vorgestellte Brennstoffzellensystem eine besonders hohe Standzeit bzw. ist das vorgestellte Brennstoffzellensystem besonders robust gegenüber Ausfällen.
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In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Zellstapels für ein Brennstoffzellensystem. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Stapelschritt, bei dem eine Vielzahl Zellen aufeinandergestapelt werden, wobei jede Zelle der Vielzahl Zellen ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle angeordnet sind, wobei die Verteilerkanäle einer jeweiligen Zelle des Zellstapels einen größeren Querschnitt aufweisen als die Sammlerkanäle der jeweiligen Zelle.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jeweilige Zellen des vorgestellten Zellstapels in dem vorgestellten Herstellungsverfahren mit zellspezifischen Werkzeugen bearbeitet werden, die zellspezifische Verteilerkanäle und Sammlerkanäle in die jeweiligen Zellen einbringen, d.h. bspw. stanzen, brennen, schneiden oder auf jede weitere technisch geeignete Art Material aus der jeweiligen Zelle abtragen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellstapels in einer Draufsicht,
- 2 eine schematische Darstellung des Zellstapels gemäß 1 in einer geschnittenen Seitenansicht,
- 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellesystems,
- 4 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
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In 1 ist ein Zellstapel 100 dargestellt. In 1 ist ein Zellstapel 100 dargestellt. Der Zellstapel 100 umfasst eine Anzahl Zellen 101, von denen hier nur eine in Schwerkraftrichtung oberste Zelle 101 erkennbar ist.
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Durch den Zellstapel 100 ziehen sich Wasserstoffverteilerkanäle 103, Abgassammlerkanäle 105, Luftverteilerkanäle 107, Luftsammlerkanäle 109, Kühlmittelverteilerkanäle 111 und Kühlmittelsammlerkanäle 113.
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Wie durch Pfeile 115, 117 und 119 angedeutet, wird der Zellstapel 100 im Z-Gegenstromprinzip durchströmt, sodass durch den Wasserstoffverteilerkanal 103 in die Zelle 101 geleiteter Wasserstoff, nachdem dieser in der Zelle in Wasser überführt wurde, durch die Abgassammlerkanäle 105 abgeführt wird.
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Entsprechend wird durch die Luftverteilerkanäle 107 der Zelle 101 zugeführte Frischluft als Abluft durch die Luftsammlerkanäle 109 abgeführt und durch die Kühlmittelverteilerkanäle 111 der Zelle 101 zugeführtes frisches Kühlmittel als erwärmtes Kühlmittel durch die Kühlmittelsammlerkanäle 113 abgeführt.
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In 2 ist eine Geometrie der sich entlang einer Lauflänge 200 des Zellstapels 100 erstreckenden Kanäle erkennbar.
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Vorliegend sind die Verteilerkanäle sowohl auf der ersten Seite als auch auf der zweiten Seite der Zelle 101 in ihrem Querschnitt größer als die entsprechenden Sammlerkanäle. Insbesondere sind die Querschnitte der jeweiligen Kanäle derart gewählt, dass sich über die Lauflänge 200 des Zellstapels 100 hinweg eine gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit einstellt, die wiederum für gleichbleibende Druckverhältnisse über die Lauflänge 200 des Zellstapels 100 hinweg sorgt.
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In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 300 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem nutzt den Zellstapel 100 zum Erzeugen von elektrischem Strom.
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In 4 ist ein Herstellungsverfahren 400 dargestellt. Das Herstellungsverfahren 400 umfasst einen Stapelschritt 401, bei dem eine Vielzahl Zellen aufeinandergestapelt werden, wobei jede Zelle der Vielzahl Zellen ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle angeordnet sind, wobei die Verteilerkanäle einer jeweiligen Zelle des Zellstapels einen größeren Querschnitt aufweisen als die Sammlerkanäle der jeweiligen Zelle.
