DE102022205131A1

DE102022205131A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102022205131A1
Application number: DE102022205131.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Falkenau; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2023-11-23
Also published as: WO2023227562A2; WO2023227562A3

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, in den Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Brennstoff, einen in die Kanäle (12) für Brennstoff mündenden Brennstoffverteilerkanal (47) zur Leitung des Brennstoffes in die Kanäle (12) für Brennstoff, einen in die Kanäle (12) für Brennstoff mündenden Brennstoffsammlerkanal (48) zur Leitung des Brennstoffes von den Kanälen (12) für Brennstoff in den Brennstoffsammlerkanal (48), eine Einlassöffnung (45) für Brennstoff zur Leitung von Brennstoff in den Brennstoffverteilerkanal (47), eine Auslassöffnung (46) für Brennstoff zur Leitung von Brennstoff aus dem Brennstoffsammlerkanal (48), ein Rezirkulationssystem (41) mit einer Rezirkulationsleitung (68) zur Rezirkulation des aus der Auslassöffnung (46) für Brennstoff ausgeleiteten Brennstoffes wieder zurück in die Einlassöffnung (45) für Brennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Brennstoff gebildet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens eine Brennstoffzusatzleitung (49) umfasst zur Leitung von Brennstoff und/oder Wasser aus dem Brennstoffsammlerkanal (48) und/oder Brennstoffverteilerkanal (47) zu dem Rezirkulationssystem (41).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels 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 der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu dem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack gestapelt. In den Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Brennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert. Der durch die Kanäle geleitete Brennstoff wird nicht vollständig verbraucht nach dem Durchleiten, sodass nach dem Ausleiten des Brennstoffes aus den Kanälen für Brennstoff dieser wieder mit einer Rezirkulationsleitung eines Rezirkulationssystems den Kanälen für Brennstoff zugeführt wird. Der, entsprechend der angeforderten Leistung der Brennstoffzelleneinheit verbrauchte Brennstoff, wird mit einem Injektor der Rezirkulationsleitung zugeführt. Je größer die Leistung der Brennstoffzelleneinheit ist, desto größer ist der Verbrauch an Brennstoff und dieser verbrauchte Brennstoff wird entsprechend mit dem Injektor zugeführt. Der Brennstoff, im Allgemeinen Wasserstoff, wird in einem Druckgasspeicher unter einem hohen Druck gespeichert. In dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Brennstoff tritt ein hoher Feuchtigkeitsgehalt auf, sodass mit einem Wasserabscheider des Rezirkulationssystems vor Wiedereinführung des Brennstoffes in den Brennstoffzellenstapel eine mechanische Abscheidung von Wasser ausgeführt wird.
In dem Brennstoffzellenstapel ist ein Brennstoffverteilerkanal zur Zuführung von Brennstoff in die Kanäle für Brennstoff ausgebildet. Die Kanäle für Brennstoff münden in einen in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Brennstoffsammlerkanal. Der Brennstoff wird durch eine Einlassöffnung in den Brennstoffverteilerkanal eingeleitet und durch eine Auslassöffnung aus dem Brennstoffsammlerkanal ausgeleitet. Diese Einlassöffnung und Auslassöffnung ist in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet. Insbesondere in dem Brennstoffsammlerkanal sammelt sich Wasser an, welches abgeleitet werden muss. Ansammlungen von Wasser in dem Brennstoffsammlerkanal führen zur Nichtdurchleitung von Brennstoff an einzelnen Kanälen und damit zu Schäden an einzelnen Brennstoffzellen. Bei einer horizontalen Ausrichtung des Kraftfahrzeuges mit der Brennstoffzelleneinheit ist der Brennstoffsammlerkanal horizontal ausgerichtet. Bei einer Fahrt des Kraftfahrzeuges mit einem Gefälle oder Steigung weist somit der Brennstoffsammlerkanal entweder ein Gefälle zu der Auslassöffnung oder ein Gefälle weg von der Auslassöffnung auf. Soweit das Gefälle des Brennstoffsammlerkanales weg von der Auslassöffnung ausgerichtet ist, sammelt sich somit Wasser in dem Brennstoffsammlerkanal an, sodass einzelne Kanäle für Brennstoff nicht mit Brennstoff durchströmt werden und somit einzelne Brennstoffzellen geschädigt werden. Dies ist nachteilig und kann somit zu irreparablen Schäden der Brennstoffzelleneinheit führen. Dies gilt analog auch für einen Oxidationsmittelsammlerkanal für Oxidationsmittel, insbesondere Luft.
Die DE 10 2017 215 501 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenversorgung zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel und Abführung eines Anodenabgases aus demselben, wobei die Anodenversorgung ein Rezirkulationssystem zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, vorzugsweise in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Brennstoff, vorzugsweise einen in die Kanäle für Brennstoff mündenden Brennstoffverteilerkanal zur Leitung des Brennstoffes in die Kanäle für Brennstoff, vorzugsweise einen in die Kanäle für Brennstoff mündenden Brennstoffsammlerkanal zur Leitung des Brennstoffes von den Kanälen für Brennstoff in den Brennstoffsammlerkanal, vorzugsweise eine Einlassöffnung für Brennstoff zur Leitung von Brennstoff in den Brennstoffverteilerkanal, vorzugsweise eine Auslassöffnung für Brennstoff zur Leitung von Brennstoff aus dem Brennstoffsammlerkanal, und/oder einen in die Kanäle für Oxidationsmittel mündenden Oxidationsmittelverteilerkanal zur Leitung des Oxidationsmittels in die Kanäle für Oxidationsmittel, und/oder einen in die Kanäle für Oxidationsmittel mündenden Oxidationsmittelsammlerkanal zur Leitung des Oxidationsmittels von den Kanälen für Oxidationsmittel in den Oxidationsmittelsammlerkanal, vorzugsweise ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus der Auslassöffnung für Brennstoff ausgeleiteten Brennstoffes wieder zurück in die Einlassöffnung für Brennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Brennstoff gebildet ist, und/oder ein Befeuchtermodul zur Übertragung von Wasser von dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel eingeleiteten Oxidationsmittel, wobei die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Brennstoffzusatzleitung umfasst zur Leitung von Brennstoff und/oder Wasser aus dem Brennstoffsammlerkanal und/oder Brennstoffverteilerkanal zu dem Rezirkulationssystem und/oder die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Oxidationsmittelzusatzleitung umfasst zur Leitung von Oxidationsmittel und/oder Wasser aus dem Oxidationsmittelsammlerkanal und/oder Oxidationsmittelverteilerkanal zu dem Befeuchtermodul. In vorteilhafter Weise kann somit Wasser und/oder Brennstoff durch die Brennstoffzusatzleitung aus dem Brennstoffsammlerkanal ausgeleitet werden und dem Rezirkulationssystem zugeführt werden. Vorzugsweise ist Brennstoff und/oder Wasser simultan durch die getrennte Abfuhrleitung für Brennstoff und Brennstoffzusatzleitung von dem Brennstoffsammlerkanal zu dem Rezirkulationssystem leitbar.
In einer weiteren Ausführungsform mündet die Auslassöffnung für Brennstoff in einen ersten Endbereich des Brennstoffsammlerkanales.
In einer ergänzenden Variante mündet die Einlassöffnung für Brennstoff in einen ersten Endbereich des Brennstoffverteilerkanales.
Zweckmäßig mündet die Brennstoffzusatzleitung an einer Brennstoffzusatzöffnung in den Brennstoffsammlerkanal.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung mündet die Brennstoffzusatzleitung an einer Brennstoffzusatzöffnung in den Brennstoffverteilerkanal.
In einer weiteren Variante mündet die Brennstoffzusatzöffnung für Brennstoff in einen zweiten Endbereich des Brennstoffsammlerkanales.
Vorzugsweise mündet die Brennstoffzusatzöffnung für Brennstoff in einen zweiten Endbereich des Brennstoffverteilerkanales.
In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Endbereich und der zweite Endbereich zwei gegenüberliegende Endbereiche an dem Brennstoffsammlerkanal und/oder Brennstoffverteilerkanal.
In einer ergänzenden Variante beträgt die Länge des ersten und/oder zweiten Endbereiches weniger als 30%, 20% oder 10% der Länge des gesamten Brennstoffsammlerkanales und/oder Brennstoffverteilerkanales.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzusatzleitung für Brennstoff in einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 0° und 30°, zu dem Brennstoffsammlerkanal ausgerichtet, so dass bei einer horizontalen Ausrichtung des Brennstoffsammlerkanales die Brennstoffzusatzleitung ein Gefälle in Richtung zu dem Rezirkulationssystem aufweist. Auch bei einer Neigung oder einem Gefälle in dem Brennstoffsammlerkanal kleiner als dem spitzen Winkel, ist somit stets Wasser aus dem Brennstoffsammlerkanal mittels eines Gefälles in der Brennstoffzusatzleitung und/oder mittels eines Gefälles in der Abfuhrleitung für Brennstoff dem Rezirkulationssystem, insbesondere dem Wasserabscheider, zuführbar.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Brennstoffzusatzleitung für Brennstoff in einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 0° und 30°, zu dem Brennstoffverteilerkanal ausgerichtet, so dass bei einer horizontalen Ausrichtung des Brennstoffverteilerkanales die Brennstoffzusatzleitung ein Gefälle in Richtung zu dem Rezirkulationssystem aufweist. Auch bei einer Neigung oder einem Gefälle in dem Brennstoffverteilerkanal kleiner als dem spitzen Winkel, ist somit stets Wasser aus dem Brennstoffverteilerkanal mittels eines Gefälles in der Brennstoffzusatzleitung und/oder mittels eines Gefälles in der Zufuhrleitung für Brennstoff dem Rezirkulationssystem, insbesondere dem Wasserabscheider, zuführbar.
Zweckmäßig ist in der wenigstens einen Brennstoffzusatzleitung ein Siphon ausgebildet. Der Siphon fungiert als Flüssigkeitsspeicher. Vorzugsweise fungiert der Siphon als Sperre für Gase, insbesondere Brennstoff und/oder Oxidationsmittel, sodass durch die Brennstoffzusatzleitung und/oder Oxidationsmittelzusatzleitung nur Wasser und keine Gase leitbar sind.
In einer ergänzenden Variante ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, dass während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffsammlerkanal im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Im Wesentlichen horizontal ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass der Brennstoffsammlerkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, dass während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffverteilerkanal im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Im Wesentlichen horizontal ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass der Brennstoffverteilerkanal mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Brennstoffsammlerkanal und/oder der Brennstoffverteilerkanal im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, senkrecht zu den Kanälen für Brennstoff ausgebildet.
In einer weiteren Variante bilden Zufuhrleitung für Brennstoff, die Abfuhrleitung für Brennstoff und die Brennstoffzusatzleitung eine Rezirkulationsleitung.
Vorzugsweis umfassen die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Brennstoffverteilerkanal und/oder Brennstoffsammlerkanal und/oder Oxidationsmittelverteilerkanal und/oder Oxidationsmittelsammlerkanal in den Brennstoffzellenstapel integriert, insbesondere indem in den Bipolarplatten und/oder Membranelektrodenanordnungen Verlängerungen mit fluchtenden Öffnungen ausgebildet sind.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Oxidationsmittel.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Einlassöffnung für Oxidationsmittel zur Leitung von Oxidationsmittel in den Oxidationsmittelverteilerkanal,
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Auslassöffnung für Oxidationsmittel zur Leitung von Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelsammlerkanal,
In einer weiteren Ausführungsform mündet die Auslassöffnung für Oxidationsmittel in einen ersten Endbereich des Oxidationsmittelsammlerkanales.
In einer ergänzenden Variante mündet die Einlassöffnung für Oxidationsmittel in einen ersten Endbereich des Oxidationsmittelverteilerkanales.
Zweckmäßig mündet die Oxidationsmittelzusatzleitung an einer Oxidationsmittelzusatzöffnung in den Oxidationsmittelsammlerkanal.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung mündet die Oxidationsmittelzusatzleitung an einer Oxidationsmittelzusatzöffnung in den Oxidationsmittelverteilerkanal.
In einer weiteren Variante mündet die Oxidationsmittelzusatzöffnung für Oxidationsmittel in einen zweiten Endbereich des Oxidationsmittelsammlerkanales.
Vorzugsweise mündet die Oxidationsmittelzusatzöffnung für Oxidationsmittel in einen zweiten Endbereich des Oxidationsmittelverteilerkanales.
In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Endbereich und der zweite Endbereich zwei gegenüberliegende Endbereiche an dem Oxidationsmittelsammlerkanal und/oder Oxidationsmittelverteilerkanal.
In einer ergänzenden Variante beträgt die Länge des ersten und/oder zweiten Endbereiches weniger als 30%, 20% oder 10% der Länge des gesamten Oxidationsmittelsammlerkanales und/oder Oxidationsmittelverteilerkanales.
Vorzugsweise ist die Oxidationsmittelzusatzleitung für Oxidationsmittel in einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 0° und 30°, zu dem Oxidationsmittelsammlerkanal ausgerichtet, so dass bei einer horizontalen Ausrichtung des Oxidationsmittelsammlerkanales die Oxidationsmittelzusatzleitung ein Gefälle in Richtung zu dem Rezirkulationssystem aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Oxidationsmittelzusatzleitung für Oxidationsmittel in einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 0° und 30°, zu dem Oxidationsmittelverteilerkanal ausgerichtet, so dass bei einer horizontalen Ausrichtung des Oxidationsmittelverteilerkanales die Oxidationsmittelzusatzleitung ein Gefälle in Richtung zu dem Rezirkulationssystem aufweist.
Zweckmäßig ist in der wenigstens einen Oxidationsmittelzusatzleitung ein Siphon ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, dass während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit der Oxidationsmittelsammlerkanal im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, dass während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit der Oxidationsmittelverteilerkanal im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Oxidationsmittelsammlerkanal und/oder der Oxidationsmittelverteilerkanal im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen für Oxidationsmittel ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die Kanäle für Brennstoff und/oder die Kanäle für Oxidationsmittel und/oder der Kühlmittelkanal in die Brennstoffzellen integriert, insbesondere umfasst jede Brennstoffzelle wenigstens einen Kanal für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel.
In einer weiteren Variante sind die Kanäle für Brennstoff und/oder die Kanäle für Oxidationsmittel im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu den von den Brennstoffzellen und/oder Komponenten der Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet.
In einer weiteren Variante sind der Brennstoffverteilerkanal und/oder Brennstoffsammlerkanal und/oder Oxidationsmittelverteilerkanal und/oder Oxidationsmittelsammlerkanal im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, senkrecht zu den von den Brennstoffzellen und/oder Komponenten der Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Brennstoffzusatzleitung eine gesonderte Baueinheit in Ergänzung zu Zufuhrleitung für Brennstoff und/oder Abfuhrleitung für Brennstoff.
Vorzugsweise ist die Oxidationsmittelzusatzleitung eine gesonderte Baueinheit in Ergänzung zu Zufuhrleitung für Oxidationsmittel und/oder Abfuhrleitung für Oxidationsmittel.
In einer weiteren Variante ist die Brennstoffzusatzleitung fluidleitend mit dem Wasserabscheider verbunden, so dass durch die Brennstoffzusatzleitung geleitete Fluide, insbesondere vollständig, dem Wasserabscheider zuführbar sind.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse mit einer Anschlussplatte, und vorzugsweise der Brennstoffzellenstapel von dem Gehäuse umhüllt ist.
Vorzugsweise ist das Rezirkulationssystem als eine Baueinheit ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Rezirkulationssystem einen Wasserabscheider zur Abscheidung von Wasser aus dem Brennstoff.
In einer weiteren Variante sind die Komponenten des Rezirkulationssystems mit einem Verbindungsmittel, insbesondere ein Rahmen und/oder ein Gestell und/oder ein Fachwerk und/oder eine Tragplatte, miteinander zu der Baueinheit verbunden. Vorzugsweise fungiert eine Tragplatte als Verbindungsmittel für die Komponenten des Rezirkulationssystems zusätzlich als Anschlussplatte des Rezirkulationssystems.
Vorzugsweise sind die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Rezirkulationssystem wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement, insbesondere mehrere elektrische Widerstandsheizelemente, zum Erwärmen wenigstens einer Komponente des Rezirkulationssystems und/oder zum Erwärmen des Rezirkulationssystems. Somit kann mit dem wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelement Eis zu Wasser aufgetaut werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst der Wasserabscheider einen Abscheidungsströmungsraum zum Durchleiten des Brennstoffes und zum Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit aus dem Brennstoff.
Zweckmäßig sind die Komponenten des Rezirkulationssystems eine Rezirkulationsleitung und/oder eine Fördereinrichtung für Brennstoff, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, und/oder ein Wasserabscheider und/oder wenigstens ein Ablassventil für Wasser und/oder ein Injektor für Brennstoff und/oder ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte und/oder wenigstens ein Verbindungsmittel.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere das Rezirkulationssystem, einen Injektor zur Zuführung von Brennstoff von einem Druckgasspeicher für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung und/oder eine Druckgasleitung zur Leitung von Brennstoff von dem Druckgasspeicher in den Injektor.
In einer ergänzenden Variante ist das Abscheiden von Wasser aus dem Brennstoff in dem Wasserabscheider als einem mechanischen Wasserabscheider mittels Sedimentation und/oder Drall ausführbar. Bei einer Abscheidung mittels Drall ist beispielsweise in einem Zyklon der Brennstoff in eine Rotationsbewegung versetzbar, sodass aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte Wasser abscheidbar ist.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, 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.
Vorzugsweise ist die Strömungsquerschnittsfläche des Abscheidungsströmungsraumes wenigstens um das 2-, 5-, 7-oder 10-fache größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Rezirkulationsleitung für Brennstoff. Damit weist der Brennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum eine wesentlich kleinere Strömungsgeschwindigkeit auf als in der Rezirkulationsleitung, sodass dadurch auch eine effektive mechanische Wasserabscheidung in dem Abscheidungsströmungsraum ausführbar ist.
In einer weiteren Variante ist in die Rezirkulationsleitung ein Ventil zur Abgabe von Brennstoff in die Umgebung ausgebildet. Bei einem sehr geringen Anteil von Brennstoff in dem Brennstoff, d. h. einer großen Anreicherung von anderen Stoffen und/oder Gasen als Brennstoff in dem Brennstoff, können diese Stoffe und/oder Gase in die Umgebung abgeleitet werden. Der Brennstoff umfasst somit vorzugsweise neben dem Brennstoff als Reinstoff auch andere Stoffe und/oder Gase.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
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 und/oder Komponenten 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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 eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse und ohne Rezirkulationssystem,
5 einen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel mit Rezirkulationssystem in einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 einen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel mit Rezirkulationssystem in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 einen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel mit Rezirkulationssystem in einem dritten Ausführungsbeispiel,
8 einen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel mit Befeuchtermodul in einem vierten Ausführungsbeispiel und
9 eine Seitenansicht der Brennstoffzelleneinheit mit Rezirkulationssystem und ohne optionales Gehäuse des Rezirkulationssystems.

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, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 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 7, 8 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 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). 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 Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
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 Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
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 800 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 mittelbar mittels einer Strahlpumpe 62 (nur in 5 dargestellt) 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.
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 32 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. Die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel mündet in die Umgebung. 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 als gesonderte Leitungen dargestellt.
Ein Brennstoffverteilerkanal 47, ein Brennstoffsammlerkanal 48, ein Oxidationsmittelverteilerkanal 58 und ein Oxidationsmittelsammlerkanal 59 sind konstruktiv als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 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 (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur Ausbildung des Brennstoffverteilerkanales 47, des Brennstoffsammlerkanales 48, des Oxidationsmittelverteilerkanales 58 und des Oxidationsmittelsammlerkanales 59, so dass der Brennstoffverteilerkanal 47, der Brennstoffsammlerkanal 48, der Oxidationsmittelverteilerkanal 58 und der Oxidationsmittelsammlerkanal 59 in den Brennstoffzellenstapel 40 integriert sind. 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 bis 5 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 40 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 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 66 angeordnet (9). Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 66 ist ein Zwischenraum ausgebildet. Das Gehäuse 66 ist außerdem von einer Anschlussplatte 67 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 66 ohne der Anschlussplatte 67 ist mit Fixierungselementen als Schrauben (nicht dargestellt) an der Anschlussplatte 67 befestigt. In der Anschlussplatte 67 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung zum Einleiten von Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 67 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung zum Ausleiten von Brennstoff aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 67 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelemente 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 67 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet.
In 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Der Brennstoff als Rezirkulationsbrennstoff wird durch die Kanäle 12 für Brennstoff und damit auch durch den Gasraum 31 für Brennstoff geleitet. Eine Rezirkulationsleitung 68 dient zur Rezirkulation des aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgeleiteten Brennstoffes, d. h. der aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgeleitete Brennstoff wird mit der Rezirkulationsleitung 68 wieder den Kanälen 12 für Brennstoff und damit auch dem Gasraum 31 für Brennstoff zugeführt. Die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff und die Zufuhrleitung 16 für Brennstoff fungieren damit auch als die Rezirkulationsleitung 68. In die Rezirkulationsleitung 68 ist ein Rezirkulationssystem 41 mit einem Wasserabscheider 42 und eine Fördereinrichtung 43 als ein Gebläse 43 zur Förderung des Brennstoffes integriert. Mit der Fördereinrichtung 43 wird der Brennstoff, d. h. eine Mischung aus dem Brennstoff Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf und flüssigen Wasser, in dem Kreislauf umgewälzt. Der Brennstoff wird von der Zufuhrleitung 16 für Brennstoff durch eine Einlassöffnung 45 für Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel 40 eingeleitet. Der Brennstoff wird durch eine Auslassöffnung 46 aus dem Brennstoffzellenstapel 40 in die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff eingeleitet. Die Einlassöffnung 45 mündet in den Brennstoffverteilerkanal 47 und in den Brennstoffverteilerkanal 47 münden die Kanäle 12 für Brennstoff bzw. Brennstoff. Der Brennstoff strömt somit von dem Brennstoffverteilerkanal 47 in dem Brennstoffzellenstapel 40 in die Kanäle 12 für Brennstoff. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 für Brennstoff wird dieser in den Brennstoffsammlerkanal 48 eingeleitet. Der Brennstoffsammlerkanal 48 in dem Brennstoffzellenstapel 40 mündet in die Auslassöffnung 46 für Brennstoff. Der Brennstoffverteilerkanal 47 und der Brennstoffsammlerkanal 48 sind in dem Brennstoffzellenstapel 40 an Verlängerungen der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet in dem in den Bipolarplatten 10 und den Membranelektrodenanordnungen 6 entsprechende fluchtend angeordnete Öffnungen ausgebildet sind und diese fluchtenden Öffnungen bilden den Brennstoffverteilerkanal 47 und den Brennstoffsammlerkanal 48.
Das Rezirkulationssystem 41 ist außerhalb eines von dem Gehäuse 66 begrenzten Innenraumes an der Anschlussplatte 67 befestigt. Der Wasserabscheider 42 (5) ist somit in die Rezirkulationsleitung 68 eingebaut und ist als ein mechanischer Wasserabscheider 42 ausgebildet mit einem nicht dargestellten Abscheidungsströmungsraum. In 1 ist das Rezirkulationssystem 41 nicht dargestellt. Der Abscheidungsströmungsraum weist eine wesentlich größere Strömungsquerschnittsfläche auf als die Rezirkulationsleitung 68, sodass dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes in dem Abscheidungsströmungsraum wesentlich kleiner ist als in der Rezirkulationsleitung 68 und damit kleine Wassertröpfchen in dem Brennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum 68 mittels Sedimentation abgeschieden werden, sodass damit ein mechanischer Wasserabscheider 42 vorliegt.
In dem Abscheidungsströmungsraum ist eine Wasserableitungsöffnung eingebaut, sodass dadurch in dem Abscheidungsströmungsraum abgeschiedenes Wasser durch die Wasserableitungsöffnung in die Umgebung abgeleitet werden kann (nicht dargestellt). An der Wasserableitungsöffnung ist ein Ablassventil (nicht dargestellt) ausgebildet, sodass dadurch das abgeschiedene Wasser zunächst in dem Abscheidungsströmungsraum gesammelt und gezielt in die Umgebung abgegeben werden kann. Hierzu ist optional zusätzlich an dem Wasserabscheider 42 ein nicht dargestellter Sensor zur Erfassung des Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum vorhanden, sodass damit mittels des Ablassventiles automatisch und selbsttätig eine Öffnung des Ventiles bei dem Erreichen eines vorgegebenen Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum aktiviert wird in Abhängigkeit von einem weiteren Parameter, beispielsweise dem Standort eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt). Zum Ersatz des verbrauchten Brennstoffes wird dem Brennstoff von dem Druckgasspeicher 21 Brennstoff zugeführt. Der Druckminderer 20 und Injektor 19 sowie die Mitteldruckleitung 17 sind in 5 nicht dargestellt. Die Zuführung des Brennstoffes aus dem Druckgasspeicher 21 erfolgt vorzugsweise in Strömungsrichtung nach dem Wasserabscheider 42.
Der durch die Kanäle 12 für Brennstoff durchgeleiteten Brennstoff wird an dem Brennstoffsammlerkanal 48 durch die Auslassöffnung 46 und durch die Abfuhrleitung 15 dem Rezirkulationssystem 41, insbesondere dem Wasserabscheider 42, zugeführt. Zusätzlich wird der Brennstoff aus dem Brennstoffsammlerkanal 48 durch eine Brennstoffzusatzöffnung 50 einer Brennstoffzusatzleitung 49 als Rezirkulationsleitung 68 zugeführt und die Brennstoffzusatzleitung 49 mündet in das Rezirkulationssystem 41, insbesondere in den Wasserabscheider 42. Der Brennstoffsammlerkanal 48 weist eine Länge 55 auf. Der Brennstoffsammlerkanal 48 weist einen ersten Endbereich 51 an der Auslassöffnung 46 für Brennstoff auf und einen zweiten Endbereich 53 an der Brennstoffzusatzöffnung 50. Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug eingebaut und bei einer horizontalen Ausrichtung des Kraftfahrzeuges ist der Brennstoffsammlerkanal 48 horizontal ausgerichtet. Die Brennstoffzusatzleitung 49 ist in einem spitzen Winkel α von 15° zu dem Brennstoffsammlerkanal 48 ausgerichtet, sodass die Brennstoffzusatzleitung 49 ein Gefälle von der Brennstoffzusatzöffnung 50 zu dem Rezirkulationssystem 41 aufweist. Die Brennstoffzusatzleitung 49 weist somit bei dieser horizontalen Ausrichtung des Kraftfahrzeuges stets ein Gefälle auf, sodass durch die Brennstoffzusatzleitung 49 nicht nur Brennstoff von der Brennstoffzusatzöffnung 50 dem Rezirkulationssystem 41 zugeführt werden kann, sondern auch Wasser aus der Brennstoffzusatzöffnung 50 durch die Brennstoffzusatzleitung 49 in das Rezirkulationssystem 41, insbesondere dem Wasserabscheider 42, geleitet werden kann. Dieses, durch die Brennstoffzusatzleitung 49 geleitete Wasser wird in dem Wasserabscheider 42 wie bereits oben beschrieben an die Umgebung abgegeben oder ausgeleitet. Im Betrieb des Kraftfahrzeuges ist dieses beim Befahren von Steigungen oder Gefälle geneigt, jedoch ist im Allgemeinen diese Neigung kleiner als 15° bezüglich einer horizontalen Ebene. Auch bei einer diesbezüglichen Neigung des Kraftfahrzeuges kleiner als 15° und einer daraus resultierenden Neigung des Brennstoffsammlerkanales 48 kann somit Wasser, welches sich in dem Brennstoffsammlerkanal 48 ansammelt stets entweder durch die Auslassöffnung 46 durch die Abfuhrleitung 15 für Brennstoff dem Wasserabscheider 42 zugeführt werden und/oder durch die Brennstoffzusatzöffnung 50 durch die Brennstoffzusatzleitung 49 dem Wasserabscheider 42 zugeführt werden.
In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. In die Brennstoffzusatzleitung 49 ist ein Siphon 56 als ein Flüssigkeitsspeicher 57 eingebaut. Der Siphon 56 wirkt als Sperre für Brennstoff, sodass durch die Brennstoffzusatzleitung 49 aufgrund des integrierten Siphons 56 nur Wasser und nicht Brennstoff dem Rezirkulationssystem 41 zugeführt wird. An dem Siphon 56 als Flüssigkeitsspeicher 57 ist zusätzlich eine nicht dargestelltes elektrisches Widerstandsheizelement angeordnet, sodass bei einem Kaltstart der Brennstoffzelleneinheit 1 unter 0°, sodass das Wasser in dem Siphon 56 gefroren ist, dieses aufgetaut wird für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1.
In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Die Brennstoffzusatzleitung 49 mündet an der Brennstoffzusatzöffnung 50 in den Brennstoffverteilerkanal 47. Der Brennstoffverteilerkanal 47 weist einen ersten Endbereich 52 mit der Einlassöffnung 45 für Brennstoff auf und der Brennstoffverteilerkanal 47 weist einen zweiten Endbereich 54 mit der Brennstoffzusatzöffnung 50 auf. Durch die Brennstoffzusatzleitung 49 wird aufgrund des Siphons 56 nur Wasser abgeleitet und kein Brennstoff. Die Brennstoffzusatzleitung 49 mündet nicht in den Wasserabscheider 42 für den Brennstoff, sondern in eine gesonderte Einrichtung zur Ableitung nur von Wasser in die Umgebung in dem Rezirkulationssystem 41 und aus der Brennstoffzusatzleitung 49 kann kein Brennstoff in die Umgebung abgeleitet werden.
In 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst in analoger Weise wie den Brennstoffverteilerkanal 47 und Brennstoffsammlerkanal 48 auch einen analog ausgebildeten Oxidationsmittelverteilerkanal 58 und einen Oxidationsmittelsammlerkanal 59. Der Oxidationsmittelverteilerkanal 58 und der Oxidationsmittelsammlerkanal 59 sind in analoger Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel als fluchtende Öffnungen von Verlängerungen der Bipolarplatten 10 und der Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Die Gasfördereinrichtung 22 als das Gebläse 23 fördert Luft aus der Umgebung durch die Zufuhrleitung 25 in den Oxidationsmittelverteilerkanal 58. Die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel mündet durch die Einlassöffnung 63 in den Oxidationsmittelverteilerkanal 58. Von dem Oxidationsmittelverteilerkanal 58 wird die Luft durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel in den Brennstoffzellen 2 geleitet und anschließend strömt diese in den Oxidationsmittelsammlerkanal 59 ein. Aus dem Oxidationsmittelsammlerkanal 59 wird die Luft durch die Auslassöffnung 64 in die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel geleitet und von der Abführleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser vor dem Ableiten in die Umgebung durch ein Befeuchtermodul 44 geleitet. Die von der Gasfördereinrichtung 22 angesaugte Luft der Umgebung wird vor der Einleitung in den Oxidationsmittelverteilerkanal 58 von der Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel durch das Befeuchtermodul 48 geleitet. Der Oxidationsmittelsammlerkanal 59 weist eine Länge 55 auf. An einem ersten Endbereich 61 des Oxidationsmittelsammlerkanales 59 ist die Auslassöffnung 64 ausgebildet. An einem zweiten Endbereich 62 des Oxidationsmittelsammlerkanales 59 ist eine Oxidationsmittelzusatzöffnung 65 ausgebildet. Der erste Endbereich 61 und der zweite Endbereich 62 des Oxidationsmittelsammlerkanales 59 sind 2 gegenüberliegende Endbereiche des Oxidationsmittelsammlerkanales 59. Die Oxidationsmittelzusatzöffnung 65 mündet in eine Oxidationsmittelzusatzleitung 60. Die Oxidationsmittelzusatzleitung 60 mündet in das Befeuchtermodul 44. Das durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen 2 geleitet der Oxidationsmittel wird somit nach dem Einleiten in den Oxidationsmittelsammlerkanal 59 sowohl durch die Auslassöffnung 64 mittels der Abfuhrleitung 26 dem Befeuchtermodul 44 zugeführt als auch durch die Oxidationsmittelzusatzöffnung 65 mittels der Oxidationsmittelzusatzleitung 60 dem Befeuchtermodul 44. In dem Befeuchtermodul 44 wird die Feuchtigkeit des aus dem Oxidationsmittelsammlerkanal 59 ausgeleiteten Oxidationsmittels auf das Oxidationsmittel übertragen, welches durch die Zufuhrleitung 25 dem Oxidationsmittelverteilerkanal 58 zugeführt wird. Der Oxidationsmittelsammlerkanal 59 ist bei einer horizontalen Ausrichtung des Kraftfahrzeuges horizontal ausgerichtet. Die Oxidationsmittelzusatzleitung 60 ist in einem spitzen Winkel α von 15° zu dem Oxidationsmittelsammlerkanal 59 ausgerichtet. Bei einer Neigung des Kraftfahrzeuges mit der Brennstoffzelleneinheit 1 kleiner als 15° kann somit stets Wasser, welches sich in dem Oxidationsmittelsammlerkanal 59 ansammelt, entweder durch die Auslassöffnung 64 und/oder durch die Oxidationsmittelzusatzöffnung 65 dem Befeuchtermodul 44 zugeführt werden. Die Abfuhrleitung 26 weist ein entsprechendes Gefälle zu dem Befeuchtermodul 44 auf. Durch die Oxidationsmittelzusatzleitung 60 wird somit sowohl Wasser als auch Oxidationsmittel dem Befeuchtermodul 44 zugeführt.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Brennstoffzusatzleitung 49 ist in einem spitzen Winkel α zu dem Brennstoffsammlerkanal 48 ausgerichtet. Bei einer Neigung des Kraftfahrzeuges mit der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem Winkel kleiner als α kann somit Wasser in dem Brennstoffsammlerkanal 48 stets entweder durch die entsprechend geneigte Abfuhrleitung 15 für Brennstoff dem Rezirkulationssystem 41 zugeführt werden und/oder durch die Brennstoffzusatzleitung 49. Dies gilt analog auch für Wasser in dem Oxidationsmittelsammlerkanal 59, welches entweder durch die Abfuhrleitung für Oxidationsmittel und Wasser und/oder durch die Oxidationsmittelzusatzleitung 60 dem Befeuchtermodul 44 zugeführt wird. Zwischen der Einlassöffnung 45 für Brennstoff und der Auslassöffnung 46 für Brennstoff ist ein Druckunterschied vorhanden. Der Druckunterschied nimmt jedoch gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 zwischen dem Brennstoffverteilerkanal 47 und dem Brennstoffsammlerkanal 48 mit größer werdendem Abstand zu der Einlassöffnung 45 und der Auslassöffnung 46 ab, sodass der Volumenstrom an Brennstoff, welcher durch die Kanäle 12 für Brennstoff geleitet wird, mit zunehmendem Abstand zu der Einlassöffnung 45 und der Auslassöffnung 46 abnimmt. Aufgrund der zusätzlichen Ableitung von Brennstoff aus dem Brennstoffsammlerkanal 48 durch die Brennstoffzusatzleitung 49 wird dieser Druckunterschied jedoch vergrößert, sodass der Volumenstrom an den Kanälen 12 für Brennstoff mit einem großen Abstand zu der Einlassöffnung 45 und der Auslassöffnung 46 größer ist als ohne Ausbildung der Brennstoffzusatzleitung 49.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017215501 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - in den Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Brennstoff, - einen in die Kanäle (12) für Brennstoff mündenden Brennstoffverteilerkanal (47) zur Leitung des Brennstoffes in die Kanäle (12) für Brennstoff, - einen in die Kanäle (12) für Brennstoff mündenden Brennstoffsammlerkanal (48) zur Leitung des Brennstoffes von den Kanälen (12) für Brennstoff in den Brennstoffsammlerkanal (48), - eine Einlassöffnung (45) für Brennstoff zur Leitung von Brennstoff in den Brennstoffverteilerkanal (47), - eine Auslassöffnung (46) für Brennstoff zur Leitung von Brennstoff aus dem Brennstoffsammlerkanal (48), - und/oder einen in die Kanäle (13) für Oxidationsmittel mündenden Oxidationsmittelverteilerkanal (58) zur Leitung des Oxidationsmittels in die Kanäle (13) für Oxidationsmittel, - und/oder einen in die Kanäle (13) für Oxidationsmittel mündenden Oxidationsmittelsammlerkanal (59) zur Leitung des Oxidationsmittels von den Kanälen (13) für Oxidationsmittel in den Oxidationsmittelsammlerkanal (59), - ein Rezirkulationssystem (41) mit einer Rezirkulationsleitung (68) zur Rezirkulation des aus der Auslassöffnung (46) für Brennstoff ausgeleiteten Brennstoffes wieder zurück in die Einlassöffnung (45) für Brennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Brennstoff gebildet ist, - und/oder ein Befeuchtermodul (44) zur Übertragung von Wasser von dem aus dem Brennstoffzellenstapel (40) ausgeleiteten Oxidationsmittel zu dem in den Brennstoffzellenstapel (40) eingeleiteten Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens eine Brennstoffzusatzleitung (49) umfasst zur Leitung von Brennstoff und/oder Wasser aus dem Brennstoffsammlerkanal (48) und/oder Brennstoffverteilerkanal (47) zu dem Rezirkulationssystem (41) und/oder die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens eine Oxidationsmittelzusatzleitung (60) umfasst zur Leitung von Oxidationsmittel und/oder Wasser aus dem Oxidationsmittelsammlerkanal (59) und/oder Oxidationsmittelverteilerkanal (58) zu dem Befeuchtermodul (44).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (46) für Brennstoff in einen ersten Endbereich (51) des Brennstoffsammlerkanales (48) mündet.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (45) für Brennstoff in einen ersten Endbereich (52) des Brennstoffverteilerkanales (47) mündet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzusatzleitung (49) an einer Brennstoffzusatzöffnung (50) in den Brennstoffsammlerkanal (48) mündet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzusatzleitung (49) an einer Brennstoffzusatzöffnung (50) in den Brennstoffverteilerkanal (47) mündet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzusatzöffnung (50) für Brennstoff in einen zweiten Endbereich (53) des Brennstoffsammlerkanales (48) mündet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzusatzöffnung (50) für Brennstoff in einen zweiten Endbereich (54) des Brennstoffverteilerkanales (47) mündet.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Endbereich (51, 52) und der zweite Endbereich (53, 54) zwei gegenüberliegende Endbereiche an dem Brennstoffsammlerkanal (48) und/oder Brennstoffverteilerkanal (47) sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des ersten und/oder zweiten Endbereiches (51, 52, 53, 54) weniger als 30%, 20% oder 10% der Länge (55) des gesamten Brennstoffsammlerkanales (48) und/oder Brennstoffverteilerkanales (47) beträgt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzusatzleitung (49) für Brennstoff in einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 0° und 30°, zu dem Brennstoffsammlerkanal (48) ausgerichtet ist, so dass bei einer horizontalen Ausrichtung des Brennstoffsammlerkanales (48) die Brennstoffzusatzleitung (49) ein Gefälle in Richtung zu dem Rezirkulationssystem (41) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzusatzleitung (49) für Brennstoff in einem spitzen Winkel, insbesondere zwischen 0° und 30°, zu dem Brennstoffverteilerkanal (47) ausgerichtet ist, so dass bei einer horizontalen Ausrichtung des Brennstoffverteilerkanales (47) die Brennstoffzusatzleitung (49) ein Gefälle in Richtung zu dem Rezirkulationssystem (41) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Brennstoffzusatzleitung (49) ein Siphon (56) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) dahingehend ausgebildet ist, dass während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit (1) der Brennstoffsammlerkanal (48) im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) dahingehend ausgebildet ist, dass während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit (1) der Brennstoffverteilerkanal (47) im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffsammlerkanal (48) und/oder der Brennstoffverteilerkanal (47) im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen (12) für Brennstoff ausgebildet ist.