DE102022212769A1

DE102022212769A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102022212769A1
Application number: DE102022212769.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Mertin; Lars Olems; Florian Hoffmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2024-05-29

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, in den Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Brennstoff, ein Gehäuse (42), welches den Brennstoffzellenstapel (40) umschließt, einen zwischen dem Brennstoffzellenstapel (40) und dem Gehäuse (42) ausgebildeten Zwischenraum (41), ein Drosselorgan (54) zur Steuerung des durch den Zwischenraum (41) leitbaren Volumenstromes an Spülgas mit einem Drosselkanal (55) mit einer Einlassöffnung (57) zur Einleitung des Spülgases in den Drosselkanal (55) und einer Auslassöffnung (58) zur Ausleitung des Spülgases aus dem Drosselkanal (55), wobei der Drosselkanal (55) des Drosselorganes (54) in Richtung von der Einlassöffnung (57) zu der Auslassöffnung (58) einen zunehmenden Durchmesser (59) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz, in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt oder in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Brennstoffzelleneinheiten sind aus einem Brennstoffzellenstapel mit gestapelten Brennstoffzellen und einem Gehäuse ausgebildet. Zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffzellenstapel ist ein Zwischenraum vorhanden. Bei Undichtigkeiten in dem Brennstoffzellenstapel kann Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, in den Zwischenraum gelangen und bei einer ausreichenden Konzentration von Sauerstoff in dem Zwischenraum entsteht ein explosives Knallgasgemisch. Dieses Knallgasgemisch kann sich entzünden, so dass bei einer Explosion eine Druckwelle entsteht, welche erheblichen Schall verursacht und gegebenenfalls Schäden an der Brennstoffzelleneinheit bedingt. Aus diesem Grund ist es bereits bekannt, mit einem Spülgasversorgungssystem Luft als ein Spülgas aus der Umgebung durch den Zwischenraum zu leiten, so dass kein explosives Knallgasgemisch entstehen kann. Zur Steuerung des Volumenstromes des Spülgases, welches durch den Zwischenraum geleitet wird, ist an der Brennstoffzelleneinheit ein Drosselorgan mit einer kleinen Strömungsquerschnittsfläche vorhanden. In dem Zwischenraum kann es zur Bildung von Wasser kommen. Die Brennstoffzelleneinheit wird mit einer Betriebstemperatur von ungefähr 60 °C betrieben. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit kühlt diese und damit auch der Zwischenraum auf die Umgebungstemperatur ab und damit erhöht sich auch die relative Luftfeuchtigkeit. Diese Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit kann zur Bildung von Kondenswasser führen. Das sich in dem Zwischenraum bildende Wasser kann sich aufgrund von Adhäsionskräften in dem Drosselkanal des Drosselorganes anlagern und bei Temperaturen unter 0 °C zu einem Eispfropfen gefrieren und den Drosselkanal verschließen. Nach dem anschließenden Start der Brennstoffzelleneinheit dauert es eine sehr lange Zeit bis dieser Eispfropfen vollständig geschmolzen ist und damit der Drosselkanal wieder zum Durchleiten von Spülgas freigegeben ist. Während dieser Zeit des verschlossenen Drosselorganes kann die Konzentration von Brennstoff im Zwischenraum stark ansteigen und sich dadurch ein explosives Knallgasgemisch anreichern. Damit können Explosionen nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit bei Temperaturen unter 0 °C in der Umgebung Schäden an der Brennstoffzelleneinheit verursachen.
DE 10 2007 042 784 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren, zu einem Stapel zusammengesetzten Brennstoffzellen mit einem gemeinsamen Kathodeneingang und Kathodenausgang sowie Anodeneingang und Anodenausgang und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten, wobei eine Wasserstoff enthaltende Abluft aus zumindest einem Gehäuse, in welchem ein oder mehrere der Komponenten und/oder die Brennstoffzellen angeordnet sind, abgeführt und in eine Kathodenzuleitung des Kathodeneingangs geführt wird.
Die EP 2 580 800 B1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzelle und mit einer Fördereinrichtung zur Luftzufuhr für einen Kathodenbereich der Brennstoffzelle, wobei aus der Zuluft zur Brennstoffzelle nach der Fördereinrichtung ein Teilluftstrom abgezweigt ist, welcher als Lagerluft- und/oder Kühlluft zumindest einen Teil der Fördereinrichtung durchströmt, wobei der Teilluftstrom in Strömungsrichtung vor oder nach der Fördereinrichtung als Spülluft das Gehäuse der wenigstens einen Brennstoffzelle durchströmt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie, umfasst gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden. Weiter umfasst die Brennstoffzelleneinheit in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Brennstoff, ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt, einen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse ausgebildeten Zwischenraum, ein Drosselorgan zur Steuerung des durch den Zwischenraum leitbaren Volumenstromes an Spülgas mit einem Drosselkanal mit einer Einlassöffnung zur Einleitung des Spülgases in den Drosselkanal und einer Auslassöffnung zur Ausleitung des Spülgases aus dem Drosselkanal, wobei der Drosselkanal des Drosselorganes in Richtung von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung einen zunehmenden Durchmesser aufweist. Der Durchmesser des Drosselkanales und/oder eines Zusatzkanales ist vorzugsweise in sämtlichen Richtungen senkrecht zu einer Längsachse des Drosselkanales und/oder Zusatzkanales bestimmt, so dass vorzugsweise die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Eigenschaft des Durchmessers für sämtliche Durchmesser in diesen sämtlichen Richtungen senkrecht zu einer Längsachse des Drosselkanales und/oder Zusatzkanales vorhanden ist vorzugsweise bei einer Ausrichtung je einer Richtung parallel zu einer Ebene parallel zu der Längsachse des Drosselkanales und/oder Zusatzkanales für den zunehmenden Durchmesser in dieser je einen Richtung parallel zu der Ebene parallel zu der Längsachse des Drosselkanales und/oder Zusatzkanales.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Drosselkanal des Drosselorganes in Richtung von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung einen stetig, insbesondere konstant stetig, zunehmenden Durchmesser auf und vorzugsweise in einem Schnitt in Längsrichtung.
In einer ergänzenden Variante liegt die Steigung, insbesondere die durchschnittliche Steigung, des Drosselkanales, insbesondere zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung, in einem Längsschnitt mit einer Schnittebene, welche parallel zu einer Längsachse des Drosselkanales ist und in der Längsachse des Drosselkanales ausgerichtet ist, bezüglich der Längsachse des Drosselkanales zwischen 0 % und 50 %, insbesondere zwischen 3 % und 30 % und dies ist die Steigung zu der Längsachse des Drosselkanales und diese Vorgehensweise kann vorzugsweise auch bei einem Zusatzkanal des Drosselorganes angewendet werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Drosselkanal in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet mit der Einlassöffnung als der Deckfläche des Kegelstumpfes und mit der Auslassöffnung als der Grundfläche des Kegelstumpfes.
In einer zusätzlichen Variante beträgt der Winkel φ zwischen einer Geraden an der Mantelfläche des Kegelstumpfes und der Kegelachse des Kegelstumpfes an dem Drosselkanal zwischen 0° und 45°, insbesondere zwischen 3° und 30°.
Vorzugsweise weist das Drosselorgan in Strömungsrichtung des Spülgases nach der Auslassöffnung einen Zusatzkanal auf und der Zusatzkanal eine zu der Auslassöffnung gegenüberliegende Endöffnung aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Zusatzkanal des Drosselorganes in Richtung von der Auslassöffnung zu der Endöffnung einen, insbesondere stetig, zunehmenden Durchmesser auf.
In einer ergänzenden Variante ist die Steigung des Zusatzkanales größer als die Steigung des Drosselkanales. Die Steigung eines Kanales, insbesondere des Drosselkanales und/oder des Zusatzkanales, ist die Steigung bezüglich einer Längsachse des entsprechenden Kanales.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist das Drosselorgan in Strömungsrichtung des Spülgases vor der Einlassöffnung einen Übergangsströmungsraum auf und der maximale Durchmesser des Übergangsströmungsraumes ist größer als der Durchmesser der Einlassöffnung des Drosselkanales.
Zweckmäßig ist in einem Längsschnitt mit einer Schnittebene, welche parallel zu einer Längsachse des Drosselkanales ist und in der Längsachse des Drosselkanales ausgerichtet ist, der Winkel β zwischen einer Tangente an einem Endbereich oder Ende des Drosselkanales an der Einlassöffnung des Drosselkanales und einem Endbereich oder Ende des Übergangsströmungsraumes an der Einlassöffnung des Drosselkanales kleiner oder gleich 90° und die Tangenten sind parallel zu und in der Schnittebene. Der kleine Winkel β zwischen diesen Tangenten bedingt, dass die Verdickungen aus Wasser oder Eis, insbesondere eine untere Verdickung an der Einlassöffnung des Drosselkanales, klein ist und damit nach dem Start und während des Erwärmens der Brennstoffzelleneinheit der Eispfropfen in sehr kurzer Zeit aus dem Drosselkanal entfernt wird. Vorzugsweise umfasst der Endbereich des Drosselkanales an der Einlassöffnung weniger als 10 %, 5 % oder 2 % der axialen Gesamtausdehnung des Drosselkanales. Vorzugsweise umfasst der Endbereich des Übergangsströmungsraumes an der Einlassöffnung weniger als 10 %, 5 % oder 2 % des Durchmessers, insbesondre maximalen Durchmessers, des Übergangsströmungsraumes. Die axiale Ausdehnung ist vorzugsweise in Richtung der Längsachse bestimmt. Der Durchmesser ist vorzugsweise senkrecht zu der Längsachse bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Übergangsströmungsraum wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als ein Hinterschnitt bezüglich des Drosselkanales ausgebildet, so dass eine Schnittebene senkrecht der Längsachse des Drosselkanales den Drosselkanal und den Übergangsströmungsraum schneidet und in diesem Schnitt der Drosselkanal und der Übergangsströmungsraum mit einem fluiddichten ringförmigen Trennelement voneinander abgetrennt sind.
In einer ergänzenden Variante ist der Drosselkanal im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Im Wesentlichen vertikale Ausrichtung des Drosselkanales bedeutet vorzugsweise, dass der Drosselkanal und/oder eine Längsachse des Drosselkanales mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer vertikalen Achse oder Ebene ausgerichtet ist. Die vertikale Ausrichtung des Drosselorganes ist notwendig, damit auch der Drosselkanal im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist und das Ansammeln und die Adhäsion in dem Drosselorgan von Wasser möglichst klein ist.
Insbesondere sind das Drosselorgan an der mit dem Spülgas in Kontakt stehenden Oberfläche, insbesondere der Drosselkanal und/oder der Zusatzkanal und/oder der Übergangsströmungsraum und/oder eine Anschlussfläche an einer Endöffnung des Zusatzkanales und/oder eine Anschlussfläche an einer Einlassöffnung des Drosselkanales, zu wenigstens 50 %, 70 % oder 90 % der Oberfläche, insbesondere vollständig an der gesamten Oberfläche, aus einem hydrophoben Material ausgebildet. Das hydrophobe Material reduziert das Volumen eines Eispfropfens, insbesondere einer unteren Verdickung des Eispfropfens, und dadurch kann nach dem Start und dem Erwärmen der Brennstoffzelleneinheit der Eispfropfen in sehr kurzer Zeit aus dem Drosselorgan entfernt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Drosselorgan in Strömungsrichtung des Spülgases vor der Einlassöffnung des Drosselorganes und/oder vor dem Übergangsströmungsraum einen Einlasskanal auf und der Durchmesser des Einlasskanales größer ist als der Durchmesser der Einlassöffnung des Drosselkanales.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Brennstoff, ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt, einen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse ausgebildeten Zwischenraum, ein Drosselorgan zur Steuerung des durch den Zwischenraum leitbaren Volumenstromes an Spülgas mit einem Drosselkanal mit einer Einlassöffnung zur Einleitung des Spülgases in den Drosselkanal und einer Auslassöffnung zur Ausleitung des Spülgases aus dem Drosselkanal, ein Brennstoffversorgungssystem mit einem Speicher für Brennstoff, insbesondere Druckbehälter für Brennstoff, als ein Prozessfluid, ein Oxidationsmittelversorgungssystem mit einer Gasfördereinrichtung für Oxidationsmittel als ein Prozessfluid, ein Spülgasversorgungssystem mit einem Mittel zum Fördern von Spülgas durch den Zwischenraum zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer zusätzlichen Variante beträgt der Winkel α zwischen einer Geraden an der Mantelfläche des Kegelstumpfes und der Kegelachse des Kegelstumpfes an dem Zusatzkanal zwischen 0° und 45°, insbesondere zwischen 10° und 30°.
In einer ergänzenden Variante beträgt der Durchmesser der Einlassöffnung des Drosselkanales zwischen 1 mm und 10 mm.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung beträgt der Durchmesser der Auslassöffnung des Drosselkanales zwischen 1,5 mm und 20 mm.
In einer weiteren Variante ist der Durchmesser der Auslassöffnung des Drosselkanales um wenigstens 5 %, 10 %, 20 % oder 30 % größer als der Durchmesser der Einlassöffnung des Drosselkanales.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Einlasskanales um wenigstens 10 %, 30%, 50 %, 100 % oder 200 % größer als der Durchmesser der Einlassöffnung des Drosselkanales.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Drosselkanal und/oder Zusatzkanal im Querschnitt kreisförmig und/oder ellipsenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist die Steigung, insbesondere durchschnittliche Steigung, des Zusatzkanales um wenigstens 10 %, 30 %, 50 %, 70 % oder 100 % größer als die Steigung, insbesondere durchschnittliche Steigung, des Drosselkanales.
In einer weiteren Ausführungsform ist das hydrophobe Material und/oder die hydrophobe Beschichtung aus PTFE und/oder Wachs und/oder Paraffin ausgebildet.
Vorzugsweise umfasst das Drosselorgan kein bewegliche Teilkomponente und/oder kein bewegliches Teil.
Insbesondere umfasst das Drosselorgan keinen Aktuator zum Bewegen einer Teilkomponente des Drosselorganes.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Durchmesser des Drosselkanales und/oder des Zusatzkanales und/oder des Einlasskanales unveränderlich.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das Drosselorgan einteilig oder mehrteilig ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Drosselorgan wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Stahl, vorzugsweise Edelstahl und/oder Messing und/oder Kupfer ausgebildet.
In einer weiteren Variante sind der Drosselkanal und/oder der Zusatzkanal und/oder der Einlasskanal koaxial zueinander ausgerichtet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform weist an dem Drosselorgan die Einlassöffnung des Drosselkanales die kleinste Strömungsquerschnittsfläche und/oder den kleinsten Durchmesser auf.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit und/oder das Brennstoffzellensystem einen Zuführungskanal zum Einleiten des Spülgases in den Zwischenraum.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit und/oder das Brennstoffzellensystem einen Ableitungskanal zum Ableiten des Spülgases aus dem Zwischenraum.
In einer zusätzlichen Variante ist der Speicher für Wasserstoff ein Druckgasspeicher oder ein kryogener Speicher.
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,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse und mit einem Spülgasversorgungssystem mit Drosselorgan für Spülgas,
6 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan gemäß 6 mit Eis in dem Drosselorgan,
8 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan gemäß 6 mit Eis in dem Drosselorgan während der Bewegung des Eises aus dem Drosselorgan,
9 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
10 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan in einem dritten Ausführungsbeispiel,
11 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan in einem vierten Ausführungsbeispiel,
12 einen Längsschnitt durch das Drosselorgan in einem fünften Ausführungsbeispiel,
13 einen Längsschnitt durch einen Teil des Drosselorgan in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 mit angelagertem Wasser in dem Drosselorgan mit einer hydrophilen Oberfläche des Drosselorganes,
14 einen Längsschnitt durch einen Teil des Drosselorgan in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 mit angelagertem Wasser in dem Drosselorgan mit einer hydrophoben Oberfläche des Drosselorganes,
15 einen Längsschnitt durch einen Teil des Drosselorgan in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 mit einer hydrophoben Oberfläche des Drosselorganes indem auf die Oberfläche des Drosselorganes eine hydrophobe Beschichtung aufgebracht ist,
16 einen Längsschnitt durch einen Teil des Drosselorgan in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 mit einer hydrophoben Oberfläche des Drosselorganes indem die Oberfläche des Drosselorganes mit einer hydrophoben Teilkomponente ausgebildet ist,
17 einen Längsschnitt durch einen Festkörper mit einer Flüssigkeit auf dem Festkörper und Gas mit dem Festkörper mit hydrophilen Eigenschaften und
18 einen Längsschnitt durch einen Festkörper mit einer Flüssigkeit auf dem Festkörper und Gas mit dem Festkörper mit hydrophoben Eigenschaften.

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: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^- Anode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O Kathode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O Summenreaktionsgleichung von Anode und Kathode:
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 (lonenleiter), Katalysatorträger (lonenerzeuger) und Separator (Gastrennung) für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator für Elektronen 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 als Anodengas 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 für lonendissoziation 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 exothermen 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, wobei der Druck mit dem Verbrauch des Brennstoffes abnimmt. 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 einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff 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 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 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 teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. 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 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Brennstoff aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 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 47 und der unteren Spannplatte 36 diesbezüglich 6 Öffnungen ausgebildet.
Der Brennstoffzellenstapel 40 mit den gestapelten Brennstoffzellen 2 weist im Allgemeinen geringe Undichtigkeiten auf, sodass in einem geringen Umfang Brennstoff in den Zwischenraum 41 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 gelangen kann. Das Gehäuse 42 umfasst auch die Anschlussplatte 47. Brennstoff in dem Zwischenraum 41 könnte zu lokalen Verpuffungen oder Explosionen führen mit Beschädigungen der Brennstoffzelleneinheit 1. Aus diesem Grund ist in der Anschlussplatte 47 ein Zuführungskanal 50 (5) als Öffnung 50 zum Einleiten eines Spülgases in dem Zwischenraum 41 ausgebildet. In dem Gehäuse 42 ist ein Ableitungskanal 52 als Öffnung 52 zum Ableiten des Spülgases aus dem Zwischenraum 41 in die Umgebung ausgebildet. Der Ableitungskanal 52 mündet in eine Ableitungsleitung 53 zum Ableiten des Spülgases aus dem Zwischenraum 41. Die Ableitungsleitung 53 mündet dabei in die Umgebung und kann optional fluidleitend mit der Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel verbunden sein, welche ebenfalls in die Umgebung führt. An dem Zuführungskanal 50 ist eine Zuführungsleitung 51 zum Einleiten des Spülgases in den Zwischenraum 41 angeschlossen. Die Gasfördereinrichtung 22 fördert Oxidationsmittel als Luft in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel durch die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel. An dieser Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel ist eine Abzweigung (nicht dargestellt) als ein T-Stück ausgebildet, welche in die Zuführungsleitung 51 mündet. Ein Spülgasversorgungssystem 78 umfasst somit auch die Gasfördereinrichtung 22, die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel und die Zufuhrleitung 51 zum Einleiten des Spülgases in den Zwischenraum 41. Die Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als das Gebläse 23 ausgebildet, bildet damit zusätzlich auch eine Mittel 79 zum Fördern von Spülgas. Das Spülgas wird permanent während des Betriebes des Brennstoffzelleneinheit 1 durch den Zwischenraum 41 geleitet. Abweichend hiervon kann das Mittel 79 als eine gesonderte Spülgasfördereinrichtung ausgebildet sein (nicht dargestellt).
In dem Zuführungskanal 50 ist teilweise ein Drosselorgan 54 angeordnet und an diesem fluiddicht befestigt. Das Drosselorgan 54 dient zur Steuerung des Volumenstromes der Spülluft als Spülgas, welche durch den Zwischenraum 41 geleitet wird. Der Volumenstrom ist dabei direkt proportional zum Druckunterschied zwischen der Zuführungsleitung 51 des Spülgases und der Ableitungsleitung 53 für Spülgas. Die Ableitungsleitung 53 mündet in die Umgebung mit einem im Wesentlichen konstanten Umgebungsdruck, sodass der Volumenstrom der Spülluft im Wesentlichen direkt proportional zum Druck in der Zuführungsleitung 51 ist. In dem Spülgasversorgungssystem 78 mit dem Zuführungskanal 50 und der Zuführungsleitung 51 zum Einleiten des Spülgases in den Zwischenraum 41 und mit dem Ableitungskanal 52 und mit der Ableitungsleitung 53 zum Ableiten des Spülgases aus dem Zwischenraum 41 weist das Drosselorgan 54 die kleinste Strömungsquerschnittsfläche auf. Damit bestimmt diese kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Drosselorganes 54 im Wesentlichen den durch den Zwischenraum 41 geleiteten Volumenstromes an Spülgas in Abhängigkeit von dem Druck an der Zuführungsleitung 51.
In 6 ist ein Längsschnitt des Drosselorganes 54 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Drosselorgan 54 ist einteilig ausgebildet beispielsweise aus Stahl, insbesondere Edelstahl, oder Messing. Das Spülgas strömt durch eine Einlassöffnung 70 in das Drosselorgan 54 ein und wird durch eine Endöffnung 61 als Auslass 61 des Drosselorganes 54 in den Zuführungskanal 50 und damit in den Zwischenraum 41 eingeleitet. Die Einlassöffnung 70 ist ein axiales Ende eines Einlasskanales 69. Der Einlasskanal 69 weist den größten Durchmesser an den Kanälen 55, 60, 69 des Drosselorganes 54 auf. Der Einlasskanal 69 weist ein zu der Einlassöffnung 70 gegenüberliegendes axiales Ende auf und an diesem axialen Ende schließt sich ein Übergangsströmungsraum 62 an. Der Übergangsströmungsraum 62 verjüngt sich konisch zu einer Einlassöffnung 57 eines Drosselkanales 55. Der Übergangsströmungsraum 62 weist einen maximalen Durchmesser 63 auf an dem Ende zu dem Einlasskanal 69 und der maximale Durchmesser 63 des Übergangsströmungsraumes 62 entspricht dem Durchmesser 63 des Einlasskanales 69. Die Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 ist ein axiales Ende des Drosselkanales 55. Gegenüberliegend zu diesem axialen Ende des Drosselkanales 55 als die Einlassöffnung 57 ist eine Auslassöffnung 58 als ein weiteres axiales Ende des Drosselkanales 55 ausgebildet. Der Drosselkanal 55 weist einen Durchmesser 59 auf. Dabei weist der Drosselkanal 55 an der Einlassöffnung 57 den kleinsten Durchmesser 59 auf und an der Auslassöffnung 58 den größten Durchmesser 59 auf. Der Durchmesser 59 des Drosselkanales 55 weist in Richtung von der Einlassöffnung 57 zu der Auslassöffnung 58 einen stetig zunehmenden Durchmesser 59 auf. Der Drosselkanal 54 weist eine zentrische Längsachse 56 auf und die übrigen Kanäle 60, 69 des Drosselorganes 54 weisen eine identische zentrische Längsachse 56 auf, sodass der Drosselkanal 55, der Einlasskanal 69 und ein Zusatzkanal 60 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Der Durchmesser 59 des Drosselkanales 55 nimmt in Richtung von der Einlassöffnung 57 zu der Auslassöffnung 58 konstant stetig zu. Die zentrische Längsachse 56 ist parallel und in der Zeichenebene von 6 angeordnet. In einem Schnitt senkrecht zu der Zeichenebene von 6 ist der Drosselkanal 55 stets kreisförmig ausgebildet. Der Drosselkanal 55 ist damit in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet mit der Einlassöffnung 57 als der Deckfläche des fiktiven Kegelstumpfes und der Auslassöffnung 58 als der Grundfläche des fiktiven Kegelstumpfes. In Strömungsrichtung des Spülgases nach der Auslassöffnung 58 des Drosselkanales 55 schließt sich der Zusatzkanal 60 an. Ein oberes axiales Ende des Zusatzkanales 60 bildet die Endöffnung 61 als den Auslass 61 des Drosselorganes 54. Das Drosselorgan 54 weist an dem Drosselkanal 55 den kleinsten Durchmesser 59 auf. Bei einer Betrachtung nur des Durchmessers des Drosselkanales 55 weist der Drosselkanal 55 an der Einlassöffnung 57 den kleinsten und minimalsten Durchmesser 59 auf. Der durch das Drosselorgan 54 geleitete Volumenstrom des Spülgases wird somit im Wesentlichen von diesem minimalsten Durchmesser 59 an der Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 bestimmt. Der Durchmesser 59 der Einlassöffnung 57 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm in Abhängigkeit von dem erforderlichen Volumenstrom für das Spülgas in Abhängigkeit von der Größe der Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 40. In dem Schnitt gemäß 6 liegt an einem Endbereich oder Ende des Drosselkanales 54 in der Nähe der Einlassöffnung 57 eine Tangente 64 an. Ferner liegt an einem Endbereich oder Ende des Übergangsströmungsraumes 62 in der Nähe der Einlassöffnung 57 eine Tangente 65 an. Der Winkel β zwischen den Tangenten 63, 64 ist größer als 90° und begünstigt daher die Bildung eine unteren Verdickung 81 aus Wasser 71 (7).
Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 weist diese beispielsweise eine Betriebstemperatur von 60 °C auf und in dem Zwischenraum 41 kann sich Feuchtigkeit oder Wasser ansammeln. Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 weist auch der Zwischenraum 41 eine Temperatur im Bereich von ungefähr 50 bis 60 °C auf. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 kühlt der Zwischenraum 41 und die darin befindliche Luft ab, sodass die relative Luftfeuchtigkeit zunimmt und es häufig zur Bildung von Kondenswasser kommt. Das Wasser 71 oder das Kondenswasser 71 kann sich dabei an dem Drosselorgan 54 in dem Drosselkanal 55 und in dem Zusatzkanal 60 aufgrund von Adhäsionskräften ansammeln und dies wird durch den kleinen Durchmesser 59 des Drosselkanales 55 sowie den kleinen Durchmesser des Zusatzkanales 60 begünstigt. Die Begrenzungsfläche des Übergangsströmungsraumes 62 im Bereich der Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 bildet eine Anschlussfläche 80 und an dieser unteren Anschlussfläche 80 bildet sich eine untere Verdickung 81 von Wasser 71 (7).
Darüber hinaus bildet auch die Begrenzungsfläche an dem axialen Ende des Drosselorganes 54 an der Endöffnung 61 als dem Auslass 61 eine im Wesentlichen ringförmiger Anschlussfläche 80 und an dieser oberen Anschlussfläche 80 bildet sich eine obere Verdickung 81 von Wasser 71 (7). An diesen beiden Anschlussfläche 80 sammelt sich das Wasser 71 gemäß der Darstellung in 7 an. Bei einer Verwendung der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem Kraftfahrzeug können die Temperaturen in der Brennstoffzelleneinheit 1, beispielsweise bei einem Parken des Kraftfahrzeuges im Winter außerhalb einer Garage im Freien, unter 0 °C absinken, sodass die Ansammlung von Wasser 71 gemäß der Darstellung in 7 zu einem Eispfropfen 68 gefriert. Bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit 1 wird verdichtete Luft als Spülgas durch den Einlasskanal 69 geleitet und aufgrund des Eispfropfen 68 kann die Spülluft nicht durch das Drosselorgan 54 in den Zwischenraum 41 einströmen. Die verdichtete Luft als das Spülgas wird durch das Verdichten erwärmt, sodass die untere Verdickung 81 des Eispfropfens 68 schnell schmilzt. Darüber hinaus sind die Anschlussplatte 47 und das Drosselorgan 54 aus gut wärmeleitendem Metall ausgebildet, sodass die Abwärme, welche sich in dem Brennstoffzellenstapel 40 bildet, schnell zu dem Drosselorgan 54 geleitet wird. Dadurch schmilzt in kurzer Zeit an der Grenzfläche zwischen dem Drosselorgan 54 und dem Eispfropfen 68 das Eis und es bildet sich ein Gleitfilm aus Wasser zwischen dem verbleibenden Eispfropfen 68 und dem Drosselorgan 54 aus (8). Aufgrund der Geometrie des Drosselorganes 54 mit dem zunehmenden Durchmesser 59 sowohl an dem Drosselkanal 55 als auch an dem Zusatzkanal 60 in Richtung von der Einlassöffnung 57 zu der Endöffnung 61 als dem Auslass 61 wird der verbleibende Eispfropfen 68 aufgrund des Überdruckes in dem Einlasskanal 69 und nach dem schnellen Abschmelzen oder Abtrennen der unter Verdichtung 81 nach oben ausgeblasen und damit kann wieder Spülluft durch das Drosselorgan 54 in den Zwischenraum 41 eingeleitet werden. Trotz des Verschließens des Drosselorganes 54 mit dem Eispfropfen 68 kann damit nach bereits kurzer Zeit nach dem Starten der Brennstoffzelleneinheit 1 wieder Spülluft durch das Drosselorgan 54 in den Zwischenraum 41 eingeleitet werden.
In 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Drosselorganes 54 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Ein Endbereich des Einlasskanales 69 an der Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 wird als fiktiver Übergangsströmungsraum 62 betrachtet. Der Winkel β zwischen den Tangenten 64, 65 ist kleiner als 90° sodass im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 die Ausbildung der unteren Verdickung 81 erschwert ist. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel bildet sich somit eine kleinere untere Verdickung 81 aus, welche schneller schmilzt beim Erwärmen nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1.
In 10 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Drosselorganes 54 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Der Übergangsströmungsraum 62 verjüngt sich konisch nicht bis zu der Einlassöffnung 57, sodass zwischen der Einlassöffnung 57 und dem konisch sich verjüngenden Bereich die Anschlussfläche 80 senkrecht zu der zentrischen Längsachse 56 ausgebildet ist. Der Winkel β zwischen den Tangenten 64, 65 ist kleiner als 90°, sodass im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 die Ausbildung der unteren Verdickung 61 erschwert ist. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel bildet sich somit eine kleinere untere Verdickung 81 aus, welche schneller schmilzt beim Erwärmen nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1.
In 11 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Drosselorganes 54 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Die Anschlussfläche 80 zwischen der Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 und dem zylindermantelförmigen Bereich des Einlasskanales 69 ist konkav gekrümmt ausgebildet, sodass der Winkel β zwischen den Tangenten 64, 65 kleiner als 90° ist. Die Bildung der unteren Verdickung 81 aus Wasser 71 wird damit auch in diesem vierten Ausführungsbeispiel erschwert.
In 12 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des Drosselorganes 54 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Der Übergangsströmungsraum 62 weist einen Hinterschnitt 66 auf, sodass in einem Schnitt senkrecht zu der Zeichenebene von 12 und senkrecht zu der zentrischen Längsachse 56 sowohl der Hinterschnitt 66 als der Übergangsbereich 62 und der Drosselkanal 55 geschnitten sind und dabei der Drosselkanal 55 von dem Übergangsströmungsraum 62 als den Hinterschnitt 66 durch ein ringförmiges Trennelement 67 voneinander abgetrennt sind in diesem Schnitt. Das Trennelement 67 ist einteilig mit dem übrigen Drosselorganes 54 aus Metall ausgebildet. Diese Ausbildung des Drosselorganes 54 verkleinert den Winkel β zwischen den Tangenten 63, 64 auf ungefähr 30°, d. h. sogar kleiner als ungefähr 45°. Je kleiner der Winkel β zwischen den Tangenten 63, 64 ist, umso mehr wird die Bildung der unteren Verdickung 81 erschwert und je kleiner ist die untere Verdickung 61 aus Wasser 71 bei der Anlagerung und Adhäsion von Wasser 71 an das Drosselorgan 54. Die untere Anschlussfläche 80 ist gekrümmt ausgebildet.
In 13 ist ein Teil des Drosselorganes 54 in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 vergrößert dargestellt mit dem angelagertem Wasser 71. An der oberen Verdickung 81 ist zwischen der Anschlussfläche 80, welche senkrecht zu der zentrischen Längsachse 56 ausgerichtet ist, und einer Tangente an das Wasser 71 an der oberen Verdickung 81 in der Nähe oder an der Anschlussfläche 80 ein Benetzungswinkel θ kleiner als 90° von ungefähr 30° vorhanden. In analoger Weise ist auch an der unteren Verdickung 81 zwischen der Anschlussfläche 80 im Bereich der Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 und einer Tangente an das Wasser in der Nähe oder an der unteren Anschlussfläche 80 ein Benetzungswinkel θ kleiner als 90° von ungefähr 30° vorhanden. Das Drosselorgan 54 ist aus einem hydrophilen Material ausgebildet, sodass sich der Benetzungswinkel θ von kleiner als 90° ausgebildet. Die Einlassöffnung 57 des Drosselkanales 55 weist einen Abstand a senkrecht zu der Längsachse 56 auf. Die Auslassöffnung 58 des Drosselkanales 55 weist einen Abstand b senkrecht zu der Längsachse 56 auf. Die Länge des Drosselkanales 55 beträgt L. Die durchschnittliche Steigung des Drosselkanales 55 zwischen der Einlassöffnung 57 und der Auslassöffnung 58 beträgt somit (b-a)/L. Der Winkel φ zwischen einer Geraden vollständig in der Zeichenebene von 13 an der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Drosselkanales 55 und der Längsachse 56 beträgt ungefähr 15°. Der Winkel α zwischen einer Geraden vollständig in der Zeichenebene von 13 an der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Zusatzkanales 60 und der Längsachse 56 beträgt ungefähr 30°. Der Winkel α ist größer als der Winkel φ, weil die Steigung an dem Zusatzkanal 60 größer ist als an dem Drosselkanal 60.
In 14 ist ein Teil des Drosselorganes 54 in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 vergrößert dargestellt analog 13 mit dem angelagertem Wasser 71. Im Nachfolgenden werden zur Beschreibung von 14 im Wesentlichen nur die Unterschiede zu 13 erläutert. Das Drosselorgan 54 ist aus einem hydrophoben Material ausgebildet, sodass sich ein Benetzungswinkel θ gleich 90° oder größer als 90° ausgebildet. Der Benetzungswinkel θ in 14 beträgt ungefähr 110°. Die Verwendung eines hydrophoben Materials und damit die Ausbildung des Benetzungswinkels θ gleich oder größer als 90° bedingt, dass die obere Verdickung 81 und insbesondere die untere Verdickung 81 kleiner sind, insbesondere mit einem kleineren Volumen. Aufgrund des kleineren Volumens und der kleineren Geometrie der unteren Verdickung 81 muss nach dem Gefrieren des Wassers 71 zu dem Eispfropfen 68 nur eine sehr kleine untere Verdickung 81 geschmolzen werden und diese sehr kleine untere Verdickung 81 schmilzt in sehr kurzer Zeit, sodass bereits nach sehr kurzer Zeit von einigen Sekunden der Eispfropfen 68 aufgrund der Ausbildung des Gleitfilmes aus geschmolzen Wasser mittels des Überdruckes in dem Einlasskanal 69 aus dem Drosselorgan 54 heraus bewegt wird.
In 15 ist das Drosselorgan 54 in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 mit einer hydrophoben Beschichtung 72 an der relevanten Oberfläche des Drosselorganes 54 dargestellt. Diese hydrophobe Beschichtung 72 ermöglicht somit die Ausbildung des Wassers 71 und damit auch des gefrorenen Eispfropfens 68 gemäß der Darstellung in 14.
In 16 ist das Drosselorgan 54 in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 mit einer hydrophoben Teilkomponente 73 ausgebildet. Die hydrophobe Teilkomponente 73 aus einem hydrophoben Material ist beispielsweise stoffschlüssig, insbesondere mit einer Klebeverbindung, und/oder formschlüssig, beispielsweise mit einem Sicherungsring 74, mit dem übrigen Drosselorganes 54 verbunden. Das Drosselorgan 54 in dem in 16 dargestellten Ausführungsbeispiel ist somit zweiteilig. Die hydrophobe Teilkomponente 73 fungiert analog zu dem Ausführungsbeispiel in 15 zur Ausbildung einer kleineren unteren Verdickung 81 des Eispfropfens 68, welcher in sehr kurzer Zeit beim Erwärmen schmilzt.
In 17 ist eine Flüssigkeit 76 auf einem Festkörper 75 aus einem hydrophilen Material angeordnet und außerhalb des Festkörper 75 und der Flüssigkeit 76 ist ein Gas 77 vorhanden. Aufgrund der hydrophilen Eigenschaften des Materials des Festkörper 75 ist der Benetzungswinkel θ kleiner als 90°, d. h. ungefähr 30°.
In 18 ist eine Flüssigkeit 76 auf einem Festkörper 75 aus einem hydrophoben Material angeordnet und außerhalb des Festkörper 75 und der Flüssigkeit 76 ist ein Gas 77 vorhanden. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften des Materials des Festkörper 75 ist der Benetzungswinkel θ gleich oder größer als 90°, d. h. ungefähr 110°. Gemäß den Beispielen in 17 und 18 werden auch die hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften des Wassers 71 als der Flüssigkeit 76 an dem Drosselorgan 54 als dem Festkörper 75 bestimmt. Eine hydrophile Eigenschaft des Drosselorganes 54 liegt somit vor, wenn der Benetzungswinkel θ des Wassers 71 kleiner als 90° ist. Eine hydrophobe Eigenschaft des Drosselorganes 54 ist bei einem Benetzungswinkel θ des Wassers größer oder gleich 90° vorhanden
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Das Drosselorgan 54 zur Steuerung des durch den Zwischenraum 41 geleiteten Volumenstromes an Spülgas kann aufgrund seiner Geometrie und vorzugsweise hydrophoben Eigenschaften den Eispfropfen 68 bereits nach einer sehr kurzen zeitlichen Phase des Erwärmens nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 aus dem Drosselorgan 54 wieder entfernen und damit das Einleiten von Spülgas in den Zwischenraum 41 ermöglichen. Nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 wird somit eine gefährliche Erhöhung der Konzentration an Brennstoff in dem Zwischenraum 41 im Wesentlichen ausgeschlossen. Damit können schädigende Explosionen oder Verpuffungen in dem Zwischenraum 41 nach dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 im Wesentlichen ausgeschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007042784 A1 [0004]
EP 2580800 B1 [0005]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), wobei die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - in den Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Brennstoff, - ein Gehäuse (42), welches den Brennstoffzellenstapel (40) umschließt, - einen zwischen dem Brennstoffzellenstapel (40) und dem Gehäuse (42) ausgebildeten Zwischenraum (41), - ein Drosselorgan (54) zur Steuerung des durch den Zwischenraum (41) leitbaren Volumenstromes an Spülgas mit einem Drosselkanal (55) mit einer Einlassöffnung (57) zur Einleitung des Spülgases in den Drosselkanal (55) und einer Auslassöffnung (58) zur Ausleitung des Spülgases aus dem Drosselkanal (55), dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkanal (55) des Drosselorganes (54) in Richtung von der Einlassöffnung (57) zu der Auslassöffnung (58) einen zunehmenden Durchmesser (59) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkanal (55) des Drosselorganes (54) in Richtung von der Einlassöffnung (57) zu der Auslassöffnung (58) einen stetig zunehmenden Durchmesser (59) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung, insbesondere die durchschnittliche Steigung, des Drosselkanales (55), insbesondere zwischen der Einlassöffnung (57) und der Auslassöffnung (58), in einem Längsschnitt mit einer Schnittebene, welche parallel zu einer Längsachse (56) des Drosselkanales (55) ist und in der Längsachse (56) des Drosselkanales (55) ausgerichtet ist, bezüglich der Längsachse (56) des Drosselkanales (55) zwischen 0 % und 50 %, insbesondere zwischen 3 % und 30 %, liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkanal (55) in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet ist mit der Einlassöffnung (57) als der Deckfläche des Kegelstumpfes und mit der Auslassöffnung (58) als der Grundfläche des Kegelstumpfes.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel φ zwischen einer Geraden an der Mantelfläche des Kegelstumpfes und der Kegelachse des Kegelstumpfes an dem Drosselkanal (55) zwischen 0° und 45°, insbesondere zwischen 3° und 30°, beträgt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (54) in Strömungsrichtung des Spülgases nach der Auslassöffnung (58) einen Zusatzkanal (60) aufweist und der Zusatzkanal (60) eine zu der Auslassöffnung (58) gegenüberliegende Endöffnung (61) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkanal (60) des Drosselorganes (54) in Richtung von der Auslassöffnung (58) zu der Endöffnung (61) einen, insbesondere stetig, zunehmenden Durchmesser aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des Zusatzkanales (60) größer ist als die Steigung des Drosselkanales (55).
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (54) in Strömungsrichtung des Spülgases vor der Einlassöffnung (57) einen Übergangsströmungsraum (62) aufweist und der maximale Durchmesser (63) des Übergangsströmungsraumes (62) größer ist als der Durchmesser (59) der Einlassöffnung (57) des Drosselkanales (55).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsschnitt mit einer Schnittebene, welche parallel zu einer Längsachse (56) des Drosselkanales (55) ist und in der Längsachse (56) des Drosselkanales (55) ausgerichtet ist, der Winkel (β) zwischen einer Tangente (64) an einem Endbereich des Drosselkanales (55) an der Einlassöffnung (57) des Drosselkanales (55) und einem Endbereich des Übergangsströmungsraumes (62) an der Einlassöffnung (57) des Drosselkanales (55) kleiner oder gleich 90° ist und die Tangenten (64, 65) parallel zu und in der Schnittebene sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsströmungsraum (62) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als ein Hinterschnitt (66) bezüglich des Drosselkanales (55) ausgebildet ist, so dass eine Schnittebene senkrecht der Längsachse (56) des Drosselkanales (55) den Drosselkanal (55) und den Übergangsströmungsraum (62) schneidet und in diesem Schnitt der Drosselkanal (55) und der Übergangsströmungsraum (62) mit einem fluiddichten ringförmigen Trennelement (67) voneinander abgetrennt sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkanal (55) im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (54) an der mit dem Spülgas in Kontakt stehenden Oberfläche, insbesondere der Drosselkanal (55) und/oder der Zusatzkanal (60) und/oder der Übergangsströmungsraum (62) und/oder eine Anschlussfläche (80) an einer Endöffnung (61) des Zusatzkanales (60) und/oder eine Anschlussfläche (80) an einer Einlassöffnung (57) des Drosselkanales (55), zu wenigstens 50%, 70% oder 90% der Oberfläche, insbesondere vollständig an der gesamten Oberfläche, aus einem hydrophoben Material ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (55) in Strömungsrichtung des Spülgases vor der Einlassöffnung (57) des Drosselorganes (55) und/oder vor dem Übergangsströmungsraum (62) einen Einlasskanal (69) aufweist und der Durchmesser des Einlasskanales (69) größer ist als der Durchmesser (59) der Einlassöffnung (57) des Drosselkanales (55).
Brennstoffzellensystem (4), umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - in den Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Brennstoff, - ein Gehäuse (42), welches den Brennstoffzellenstapel (40) umschließt, - einen zwischen dem Brennstoffzellenstapel (40) und dem Gehäuse (42) ausgebildeten Zwischenraum (41), - ein Drosselorgan (55) zur Steuerung des durch den Zwischenraum (41) leitbaren Volumenstromes an Spülgas mit einem Drosselkanal (55) mit einer Einlassöffnung (57) zur Einleitung des Spülgases in den Drosselkanal (55) und einer Auslassöffnung (58) zur Ausleitung des Spülgases aus dem Drosselkanal (55), - ein Brennstoffversorgungssystem mit einem Speicher für Brennstoff, insbesondere Druckbehälter (21) für Brennstoff, als ein Prozessfluid, - ein Oxidationsmittelversorgungssystem mit einer Gasfördereinrichtung (22) für Oxidationsmittel als ein Prozessfluid, - ein Spülgasversorgungssystem (78) mit einem Mittel (79) zum Fördern von Spülgas durch den Zwischenraum (41) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (40) und dem Gehäuse (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.