DE112005001966B4

DE112005001966B4 - Brennstoffzellenstapel-Konstruktion

Info

Publication number: DE112005001966B4
Application number: DE112005001966.7T
Authority: DE
Inventors: Pinkhas A. Rapaport; Jeffrey A. Rock; Andrew D. Bosco; John P. Salvador; Leslie A. Paine; Hubert A. Gasteiger
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: DE112005001966T5; CN101147289A; WO2006022981A2; JP2008510271A; US20050019648A1; JP5107038B2; WO2006022981A3; CN101147289B; US7494735B2

Abstract

Brennstoffzellenstapel des Typs mit einer Mehrzahl von sequentiell angeordneten Brennstoffzellensegmenten (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602), wobei jedes der Mehrzahl von Brennstoffzellensegmenten (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) umfasst: (a) ein erstes Ende mit einem ersten Anodendurchlass und einem ersten Kathodendurchlass, die darin ausgebildet sind; (b) ein zweites Ende mit einem zweiten Anodendurchlass und einem zweiten Kathodendurchlass, die darin ausgebildet sind; (c) mindestens eine Brennstoffzelle (28, 52) mit: einer Mehrzahl von Anodendurchgängen (36), die in einer unidirektionalen, schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung angeordnet sind, um eine Fluidverbindung zwischen den ersten und zweiten Anodendurchlässen bereitzustellen; einer Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50), die in einer unidirektionalen, schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung angeordnet sind, um eine Fluidverbindung zwischen den ersten und zweiten Kathodendurchlässen bereitzustellen; und einer Membranelektrodenanordnung, die zwischen der Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) und der Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) eingefügt ist; (d) eine durch das Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) selektiv konfigurierte Strömungsanordnung aus der Gruppe, bestehend aus: einer gegenstromigen Strömungsanordnung, wobei der erste Kathodendurchlass und der zweite Anodendurchlass Einlassdurchlässe (20, 116, 128, 208, 240 bzw. 126, ...

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Continuation-In-Part-Anmeldung der US-Patentanmeldung US 2004/0043279 A1, die am 29. August 2002 eingereicht wurde. Der Offenbarungsgehalt der obigen Anmeldung ist hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft zwei Brennstoffzellenstapel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen wurden bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet. Bei Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) vom Typ mit ”reinem Wasserstoff wird den Anodenseiten der Brennstoffzelle ein Wasserstoffreaktand (d. h. ein Reaktand mit einer Wasserstoffkonzentration von ungefähr 80 Vol.-% oder mehr) geliefert, und den Kathodenseiten wird Sauerstoff als das Oxidationsmittel geliefert. Jede Zelle in dem Stapel umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die ihr Spannungsinkrement bereitstellt. MEAs umfassen eine dünne, protonendurchlässige, nicht elektrisch leitende Festpolymerelektrolytmembran, die an einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator aufweist und an der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise verwendet, um in Abhängigkeit von dem Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Mehrzahl von Zellen (Stapel) zu bezeichnen. Eine Mehrzahl von einzelnen Zellen ist üblicherweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel auszubilden.
In der Praxis werden die Reaktanden den Brennstoffzellen über einzelne Einlassverteiler und Sammelleitungen geliefert. In der Einlasssammelleitung wird der Reaktand, z. B. die Anodenströmung, in eine Anzahl von Strömungspfaden aufgeteilt, die einzelne Zellen speisen. Die Austragsströmung verlässt die Zellen, vermischt sich in einer Auslasssammelleitung und tritt durch einen Auslassverteiler aus dem Stapel aus. Es wird auch jedem Segment ein Kühlmittel geliefert, um durch die Reduktion von Reaktanden erzeugte Wärme abzuführen. Bei mindestens einer bekannten Konstruktion werden die Anodenseiten aller Zellen parallel gespeist, d. h. sie weisen die gleiche Einlasswasserstoffkonzentration auf.
Ein Nachteil einer parallelen Speisung einer einzelnen Gruppe von Zellen ist, dass der Brennstoffzellenstapel bei niedriger Stöchiometrie nicht dazu in der Lage ist, stabil zu arbeiten; d. h., in der Nähe der Massenströmung von Reaktanden, die benötigt wird, um eine gegebene Leistungsabgabe zu erfüllen. Es ist daher schwierig, eine effiziente Wasserstoff- oder Sauerstoffverwendung zu erreichen. Als ein Ergebnis ist der Systemwirkungsgrad nicht optimiert.
Es sind Stapelkonstruktionen bekannt, die die obige Situation teilweise korrigieren, wie beispielsweise die Stapelkonstruktion der US 5,478,662 A , das für Strasser erteilt wurde. Bei Stapeln, die beispielsweise die Strasser-Konstruktion aufweisen, sind einzelne Gruppen paralleler Zellen angeordnet, wobei die Strömung in jeder Zelle jeder Gruppe parallel verläuft und die gesamte Strömung von jeder Gruppe zwischen Gruppen seriell strömt. Die Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen variiert bei diesen Stapelkonstruktionen normalerweise, wobei die Anfangs- oder stromaufwärtigen Segmente von Zellen die größte Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen enthalten, und wobei jedes nachfolgende Segment eine reduzierte Anzahl von Brennstoffzellen bereitstellt. Bei diesem Ausgestaltungstyp weist das letzte Segment des Satzes von Segmenten normalerweise die kleinste Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen auf.
Die obigen seriellen/parallelen Stapelkonstruktionen liefern normalerweise ein serpentinenartiges Strömungsmuster durch den Stapel. Ein serpentinenartiger Strömungspfad führt sowohl zu anodenseitigen als auch kathodenseitigen Reaktandenströmungen, die entweder horizontal durch den Stapel verlaufen, oder die bei einem oder mehreren einzelnen Segmenten die Schwerkraft überwinden müssen. Ein Wasseraufbau in den unteren Abschnitten des Stapels verhindert einen Reaktandenkontakt mit den Katalysatormaterialien der Brennstoffzellen, wodurch der Stapelwirkungsgrad verringert wird.
Die US 2004/0043279 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von sequentiell angeordneten Brennstoffzellensegmenten, wobei jedes der Brennstoffzellensegmente an eine seiner Seiten einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass aufweist. An einer anderen Seite des Segments sind ein Kathodenauslass und ein Anodenauslass angeordnet. Die Brennstoffzellensegmente umfassen jeweils eine Brennstoffzelle mit Anodendurchgängen und Katodendurchgängen, zwischen denen eine Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Die Anodendurchgänge und Katodendurchgänge sind in einer unidirektionalen, schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung angeordnet, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodeneinlass und dem Anodenauslass bzw. zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass bereitzustellen. Durch die Anordnung der Einlässe bzw. Auslässe auf jeweils einer Seite ergibt sich eine parallele Strömungsanordnung in den Brennstoffzellensegmenten.
Die US 2004/0091761 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit zumindest zwei Brennstoffzellen-Anordnungen, wobei eine gegenstromige Strömungsanordnung realisiert ist, da an einer Seite jeder der Brennstoffzellen-Anordnungen ein Kathodeneinlass und ein Anodenauslass angeordnet ist, während an der anderen Seite ein Anodeneinlass und ein Kathodenauslass vorgesehen ist. Die Reaktanden treten somit aus entgegengesetzten Richtungen in die Brennstoffzellen-Anordnungen ein. Zwischen den Brennstoffzellen-Anordnungen sind Verbindungskanäle mit Ventilen vorgesehen, die eine selektive Zufuhr von Reaktanden ermöglicht.
Ein weiterer Nachteil bekannter Brennstoffzellenstapel-Konstruktionen ist die nicht vorhandene Möglichkeit, eine Kühlmittellieferung und Kühlmittelzulieferstellen zu steuern. Übliche Wasserstoffreaktanden-Brennstoffzellenstapel stellen keine Steuerung der Stapelfeuchte durch Führen von Kühlmittel an spezifische Stellen des Stapels bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die obigen Nachteile von Brennstoffzellenstapeln werden durch Brennstoffzellenstapel gemäß den Ansprüchen 1 und 11 beseitigt. Die Stapelkonstruktion der vorliegenden Erfindung umfasst einzelne Segmente von Brennstoffzellenelementen, die in gleichen oder verschiedenen Anzahlen von Brennstoffzellenelementen in jedem Segment angeordnet sind. Jedes Segment ist angeordnet, um in jeder Brennstoffzelle in einer schwerkraftunterstützten Richtung eine Strömung bereitzustellen. Diese Anordnung erhöht die Stabilität des Brennstoffzellenstapel-Betriebs durch Ermöglichen, dass das gesamte Volumen von entweder der anodenseitigen oder der kathodenseitigen oder beiden Strömungen durch Segmente des Stapels verteilt wird, in denen nur ein Teil der Gesamtanzahl der Zellen vorhanden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform treten der Kathodenreaktand und das Kühlmittel in den oberen Abschnitt eines ersten Segments ein, das vorzugsweise einen größten Prozentanteil von Stapelbrennstoffzellen aufweist. Die Strömung durch das erste Segment verläuft durch jede Zelle parallel, und der Kathodenreaktand tritt am Boden des Stapelsegments aus und wird gesammelt und durch einen Separatorkanal, der in dem Separatorsegment angeordnet ist, zu dem zweiten Segment des Stapels transferiert. Überschüssiges Wasser, das durch jede der Kathodenbrennstoffzellen erzeugt wird, sammelt sich an und wird am Boden jedes Separatorsegments entladen. Der Wasserstoffreaktand tritt in einen oberen Abschnitt eines Segments am weitesten stromabwärts von der Kathodenreaktandeneintrittsstelle entfernt ein und strömt in einer ”gegenstromigen” Stapelsegmentrichtung relativ zu sowohl der Kathode als auch dem Kühlmittel. Das stromabwärtige Segment/die stromabwärtigen Segmente können im Vergleich zu dem ersten Segment entweder die gleiche oder eine reduzierte Anzahl von Stapelbrennstoffzellen aufweisen. Die Anodenströmung durch das zweite Segment tritt am Boden dieses Stapelsegments aus und wird gesammelt und durch einen Separatorkanal, der in einem Separatorsegment angeordnet ist, zu dem ersten Segment des Stapels transferiert.
Bei der gegenstromigen Strömungsanordnung wird die kathodenseitige Feuchte durch Leiten der Kathodenströmung (bei der das meiste Wasser erzeugt wird) benachbart zu dem Kühlmittel bei seiner kältesten relativen Temperatur durch den Stapel gesteuert. Die wasserstoffseitige Feuchte wird durch Leiten des Wasserstoffreaktanden in den Stapel an der Stelle, an der das Kühlmittel am wärmsten ist, gesteuert. Die Wasserstoffseite absorbiert daher allmählich Wasser über die MEAs, um ein minimales Feuchteniveau aufrechtzuerhalten, das die MEAs schützt.
Jedes Segment ist angeordnet, um durch jede Zelle derart eine abwärtsgerichtete oder schwerkraftunterstützte Strömung bereitzustellen, dass sich überschüssiges Wasser an den unteren Stapelteilen ansammelt, an denen es abläuft. Jedes Segment stellt Brennstoffzellen bereit, die ungefähr parallel zueinander angeordnet sind und für eine schwerkraftunterstützte Strömung durch jede Zelle des Segments angeordnet sind.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist zwischen jedem Stapelsegment ein Separatorsegment angeordnet, wobei die gesamte Strömung, die aus dem vorangehenden Segment austritt, durch das Separatorsegment geleitet wird. Die Separatorsegmente sind zwischen einem Paar von Bipolarplatten ohne eine MEA angeordnet. Der Zweck der Separatorsegmente ist, die gesamte Strömung von dem Auslass eines Segments in den Einlass des nächsten nachfolgenden Segments umzulenken, ohne mit der Brennstoffquelle zu reagieren und daher kein zusätzliches Wasser zu erzeugen. Jedes Separatorsegment ist ein Bauelement, das an einzelne Segmente von Brennstoffzellenelementen angrenzt. Zwischen jedem Segment von Brennstoffzellen ist ein separates Separatorsegment bereitgestellt, um die Strömung zwischen den einzelnen Strömungsgruppen, d. h. der Anode, der Kathode und dem Kühlmittel, separat umzulenken. Die Strömung, die aus jedem Strömungssegment austritt, wird an einem unteren Teil dieses Stapelsegments gesammelt und im Wesentlichen aufwärtsgerichtet zu einem oberen Einlass des nächsten nachfolgenden Segments umgelenkt. Dies stellt eine Strömung durch die einzelnen Brennstoffzellensegmente in einer schwerkraftunterstützten Richtung, d. h. vertikal abwärtsgerichtet, bereit. Die Strömung in jedem Segment von Zellen verläuft durch jede der Brennstoffzellen des Segments parallel.
Das Separatorsegment und die schwerkraftunterstützte Ausrichtung von Brennstoffzellenmerkmalen der vorliegenden Erfindung basieren auf ähnlichen Merkmalen, die in der US 2004/0043279 A1 mit dem Titel ”Cascaded Fuel Cell Stack” offenbart sind, und hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen sind.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ersetzen einzelne Sätze von externer Verrohrung und externen Ventilen jedes Separatorsegment. Die Strömung wird vorzugsweise seriell zwischen Segmenten durch eine Ansammlung an dem unteren Segmentabschnitt und durch führen dieser zu dem nächsten Segment an einen oberen Abschnitt geführt, ähnlich wie bei den oben erläuterten Separatorsegmenten. Durch verwenden eines externen Ventil- und Verrohrungssystems anstelle der Separatorsegmente stellt jedoch ein Einstellen der Ventile die zusätzlichen Optionen zum Führen einer Mischung einer seriellen/parallelen Strömung zwischen Segmenten oder zum Führen der herkömmlichen gesamten parallelen Strömung zu jedem Segment bereit.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine parallele Strömung von Kühlmittel durch die einzelnen Segmente bereitgestellt. Die Kühlmittelströmung wird vor dem Eintritt in den Stapel derart aufgeteilt, dass ein erster Teil der Kühlmittelströmung an der allgemeinen Stelle in den Stapel eintritt, an der der Kathodenreaktand in den Stapel eintritt, und der erste Teil der Kühlmittelströmung folgt im Wesentlichen der Strömung des Kathodenstroms. Ein zweiter Teil der Kühlmittelströmung tritt an der allgemeinen Stelle in den Stapel ein, an der der Anodenreaktand in den Stapel eintritt, und der zweite Teil des Kühlmittels folgt im Wesentlichen der Strömung des Anodenstroms. Durch Bereitstellen einer parallelen Kühlmittelströmung wird jedes Reaktandengas an der Stapeleintrittsstelle durch das Kühlmittel bei der niedrigsten Kühlmitteltemperatur gekühlt.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der hierin nachfolgend gelieferten detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sei angemerkt, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutern, nur Erläuterungszwecken dienen sollen und nicht beabsichtigen, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Kreuzströmung von Reaktanden, einem ersten Segment, an dem ein Kathodenreaktand und ein Kühlmittel in den Stapel eintreten, und einem zweiten Segment, an dem ein Wasserstoffreaktand in den Stapel eintritt, bereitstellt;
2 ist ein geschnittener Aufriss durch Abschnitt 2 von 1, der eine Kathodenströmung durch einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Segmenten zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Kathoden-, eine Kühlmittel- und eine Anodenströmung durch einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Segmenten zeigt, der eine externe Verrohrungsanordnung aufweist, die das Separatorsegment von 1 ersetzt;
4 ist ein 3 ähnliches Blockdiagramm eines Stapels mit zwei Segmenten der vorliegenden Erfindung mit einer parallelen Kühlmittelströmung, die eine gegenstromige Strömung von Anode zu Kathode durch die Stapelelemente unterstützt;
5 ist ein 3 ähnliches Blockdiagramm eines Brennstoffzellenstapels mit zwei Segmenten mit einer Verrohrungs- und Ventilanordnung anstelle eines Separatorsegments, das eine Anordnung von Ventilen und einer Verrohrung, um entweder eine serielle oder eine parallele Kathodenströmung zwischen Stapelsegmenten bereitzustellen, zeigt;
6 ist der Brennstoffzellenstapel von 5 und zeigt eine Anordnung von Ventilen und einer Verrohrung, um entweder eine serielle oder eine parallele Anodenströmung zwischen Stapelsegmenten bereitzustellen;
7 ist der Brennstoffzellenstapel von 5 und zeigt eine Verrohrung, die eine parallele Kühlmittelströmung zwischen Stapelsegmenten bereitstellt; und
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels mit 3 Segmenten gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Stapelrückkopplungssystem identifiziert, das einem Paar von Anodenströmungssteuerventilen Signale liefert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und beabsichtigt auf keine Weise, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken.
Bezug nehmend auf 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein kaskadierter Brennstoffzellenstapel 10 umfasst ein erstes Segment 12, das durch ein Separatorsegment 16 von einem zweiten Segment 14 getrennt ist. Die Reaktandenströmung in den Strömungskanälen des Separatorsegments 16 verläuft in einer ”Kreuzströmungs-”Ausgestaltung, wie nachstehend weiter erläutert wird. Eine äußere Seite 18 des ersten Segments 12 umfasst einen Kathodeneinlass 20 und einen Anodenauslass 22. Der Kathodeneinlass 20 steht mit einer Kathodeneinlasskammer 24 in Fluidverbindung. Die Kathodeneinlasskammer ist mit einer Mehrzahl von kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgängen 26 einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 28 verbunden. Die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 26 sind jeweils mit einer Kathodenaustrittskammer 30 verbunden, die an einem Kathodenauslass 32 endet.
Eine Anodeneinlasskammer 34 steht mit einer Mehrzahl von anodenseitigen Brennstoffzellendurchgängen 36 der Brennstoffzellen 28 in Fluidverbindung. Die anodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 36 sind jeweils mit einer Anodenaustrittskammer 38 verbunden, die eine Anodenströmung an dem Anodenauslass 22 entlädt.
Das Separatorsegment 16 verbindet das erste Segment 12 mechanisch und fluidmäßig mit dem zweiten Segment 14. Das Separatorsegment 16 umfasst einen Kathodendurchgang 40, der den Kathodenauslass 32 mit einer Kathodeneinlasskammer 42 des zweiten Segments 14 verbindet. Das Separatorsegment 16 umfasst auch einen Anodendurchgang 44, der die Anodeneinlasskammer 34 mit einer Anodenaustrittskammer 46 des zweiten Segments 14 verbindet. Der Übersichtlichkeit halber ist in dem Separatorsegment 16 kein Kühlmitteldurchgang gezeigt.
Das zweite Segment 14 umfasst auch einen blockierten Durchlass 48, der für die Kathodeneinlasskammer 42 eine Grenze bereitstellt. Die Kathodeneinlasskammer 42 steht mit einer Mehrzahl von kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgängen 50 einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 52 des zweiten Segments in Fluidverbindung. Die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 50 stehen jeweils mit einer Kathodenaustrittskammer 54 in Verbindung, die die Kathodenströmung an einem Kathodenauslass 56 entlädt. Die Anodeneinlassströmung in dem zweiten Segment 14 ist der für das erste Segment 12 beschriebenen Kathodeneinlassströmung ähnlich und ist daher der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber sind in dem zweiten Segment 14 auch keine Kühlmitteldurchgänge gezeigt.
Eine beispielhafte Kathodengasströmung tritt an einem oberen Abschnitt des ersten Segments 12, wie durch einen Strömungspfeil A gezeigt, an dem Kathodeneinlass 20 ein. Von dem Kathodeneinlass 20 wird das Kathodengas in die Kathodeneinlasskammer 24 verteilt. Das distale Ende der Kathodeneinlasskammer 24 ist durch das Separatorsegment 16 blockiert, das die gesamte Strömung in der Kathodeneinlasskammer 24 in die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 26 der Brennstoffzellen 28 zwingt. Die gesamte Kathodenströmung durchquert die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 26 abwärtsgerichtet und entlädt sich in die Kathodenaustrittskammer 30. Von der Kathodenaustrittskammer 30 tritt die Strömung aus dem ersten Segment 12 durch Kathodenauslass 32 aus und tritt in den Kathodendurchgang 40 des Separatorsegments 16 ein. Der Kathodendurchgang 40 lenkt die Strömung aufwärtsgerichtet zu der Kathodeneinlasskammer 42 des zweiten Segments 14 um. Ein distales Ende der Kathodeneinlasskammer 42 ist entweder durch den blockierten Durchlass 48 oder ein zusätzliches Separatorsegment (nicht gezeigt) blockiert, der oder das die gesamte Strömung in der Kathodeneinlasskammer 42 in die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 50 der Brennstoffzellen 52 des zweiten Segments zwingt. Die gesamte Strömung von der Kathodeneinlasskammer 42 durchquert die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 50 abwärtsgerichtet und entlädt sich in die Kathodenaustrittskammer 54 und an dem Kathodenauslass 56 aus dem kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10, wie es durch den Strömungspfeil B gezeigt ist. Die Anodenströmung tritt an dem Anodeneinlass 58 in der Richtung des Strömungspfeils C in das zweite Segment 14 ein. Die Anodenströmung in dem zweiten Segment 14 ist der Anodenströmung in dem ersten Segment 12 ähnlich und ist daher der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
Wie am besten in 1 gezeigt, sind für das beispielhafte erste Segment 12 die Kathodeneinlasskammer 24 und die Anodeneinlasskammer 34 vorzugsweise an einer entgegengesetzten Seite des ersten Segments 12 positioniert. Die Kathodengasströmung durch die Brennstoffzellen 28 verläuft wie gezeigt diagonal abwärtsgerichtet. Die Anodengasströmung verläuft auch diagonal abwärtsgerichtet von der Anodeneinlasskammer 34 zu der Anodenaustrittskammer 38, so dass die Anoden- und die Kathodenströmung in Bezug aufeinander in einer ”Kreuzströmungs-”Ausgestaltung verlaufen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform (nicht gezeigt) sind sowohl die Kathodeneinlasskammer 24 als auch die Anodeneinlasskammer 34 in dem ersten Segment 12 in einer benachbarten Anordnung nebeneinander positioniert. Bei dieser Ausführungsform verlaufen sowohl die Anodenströmung als auch die Kathodenströmung in Bezug aufeinander in einer Ausgestaltung einer ”parallelen Strömung”, d. h., von der äußeren Seite 18 aus gesehen von links oben nach rechts unten. Bei beiden Ausführungsformen der Anoden-/Kathodenströmung, d. h. sowohl ”Kreuzströmung” als auch ”parallele Strömung”, verlaufen sowohl die Anodenströmung als auch die Kathodenströmung in jeder Brennstoffzelle in Bezug auf das erste Segment 12 und das zweite Segment 14 immer in der unidirektionalen, im Wesentlichen abwärtsgerichteten, schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung.
Bezug nehmend auf 2 identifiziert ein Querschnitt des kaskadierten Brennstoffzellenstapels 10 von 1 eine beispielhafte Kathodenreaktandenströmung von dem größeren, stromaufwärtigen ersten Segment 12 zu dem kleineren, stromabwärtigen zweiten Segment 14. Wie hierin definiert enthält ein ”größeres” Segment eines Brennstoffzellenstapels eine größere Anzahl von Brennstoffzellen als ein ”kleineres” Segment. Ein stromaufwärtiges Segment bezieht sich auf ein erstes Segment, das einem zweiten Segment in Bezug auf eine bestimmte Reaktandenströmung vorangeht. Der Übersichtlichkeit halber sind in 2 keine Kühlmittel- und Anoden-(d. h. Wasserstoff-)Reaktandenströmungen gezeigt.
Das erste Segment 12 umfasst die Kathodeneinlasskammer 24 in Fluidverbindung mit den Brennstoffzellen 28. Alle Brennstoffzellen 28 sind ungefähr parallel zueinander angeordnet und entladen sich jeweils in die Kathodenaustrittskammer 30. Die Kathodenaustrittskammer 30 steht mit dem Separatorsegment 16 in Fluidverbindung. Das Separatorsegment 16 verbindet das erste Segment 12 mit dem zweiten Segment 14 sowohl mechanisch als auch fluidmäßig. Der Kathodendurchgang 40 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Kathodenaustrittskammer 30 und der Kathodeneinlasskammer 42 des zweiten Segments 14 bereit. In dem Querschnitt von 2 ist auch ein Abschnitt des Anodendurchgangs 44 benachbart zu dem Kathodendurchgang 40 gezeigt. Wie es am besten in 1 gezeigt ist, weist der Anodendurchgang 44 kontinuierlich eine aufwärtsgerichtete Steigung in dem Separatorsegment 16 auf, um die Anodenaustrittskammer 46 des zweiten Segments 14 fluidmäßig mit der Anodeneinlasskammer 34 des ersten Segments 12 zu verbinden.
Die Kathodeneinlasskammer 24 steht mit den kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgängen 50 der Brennstoffzellen 52 des zweiten Segments in Fluidverbindung. Alle Brennstoffzellen 52 des zweiten Segments sind ungefähr parallel zueinander angeordnet und entladen sich jeweils in die Kathodenaustrittskammer 54. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sammelt die Kathodenaustrittskammer 54 die gesamte Kathodenströmung von dem kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10 und entlädt diese.
Die Segmente aller Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung sind als aufeinander folgende Paare von Segmenten angeordnet. Bei der in 1 und 2 gezeigten vereinfachten beispielhaften Ausführungsform bildet das erste Segment 12 mit dem zweiten Segment 14 ein erstes Segmentpaar. Wenn ein drittes oder mehr Segmente hinzugefügt werden, bildet das zweite Segment 14 mit dem dritten Segment (nicht gezeigt) ein zweites Segmentpaar und so weiter.
Eine Kathodenreaktandenströmung (gezeigt) tritt in den kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10 in der Kathodeneinlassströmungsrichtung A ein. Aus der Kathodeneinlasskammer 24 wird die Kathodenreaktandenströmung in jeden der kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 26 der Brennstoffzellen 28 in einer schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung F des ersten Segments wie gezeigt umgelenkt. Die gesamte Kathodenreaktandeneinlassströmung zu dem kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10 durchquert die Brennstoffzellen 28. Die Entladung von den Brennstoffzellen 28 wird in einer Austrittsrichtung G des ersten Segments in die Kathodenaustrittskammer 30 umgelenkt.
Die gesamte Kathodenreaktandenströmung, die aus dem ersten Segment 12 austritt, tritt in den Kathodendurchgang 40 des Separatorsegments 16 ein und wird in einer im Wesentlichen aufwärtsgerichteten Strömungsrichtung H umgelenkt. Von dem Kathodendurchgang 40 wird die gesamte Kathodenreaktandenströmung wieder in einer Einlassströmungsrichtung J des zweiten Segments in die Kathodeneinlasskammer 42 des zweiten Segments 14 umgelenkt. Von der Kathodeneinlasskammer 42 wird die Kathodenreaktandenströmung von der Einlassströmungsrichtung J des zweiten Segments in eine schwerkraftunterstützte Strömungsrichtung K des zweiten Segments umgelenkt. Die gesamte Kathodenreaktandenströmung in dem zweiten Segment 14 strömt in den kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgängen 50 der Brennstoffzellen 52 des zweiten Segments. Die kathodenseitigen Brennstoffzellendurchgänge 50 entladen sich jeweils und bilden eine kombinierte Strömung in die Kathodenaustrittskammer 54. Die kombinierte Strömung in der Kathodenaustrittskammer 54 tritt aus dem kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10 in einer Stapelauslassströmungsrichtung L aus.
Der kaskadierte Brennstoffzellenstapel 10 stellt dadurch einen Vorteil bereit, dass jede Reaktandengasströmung durch alle Brennstoffzellen angeordnet ist, um in einer abwärtsgerichteten oder schwerkraftunterstützten Richtung zu strömen, die durch die beispielhafte schwerkraftunterstützte Strömungsrichtung F des ersten Segments bzw. die schwerkraftunterstützte Strömungsrichtung K des zweiten Segments gezeigt ist. Durch Bereitstellen einer Strömung durch aktive Brennstoffzellen lediglich in der schwerkraftunterstützten Richtung wird durch den Reaktionsprozess in den beispielhaften Brennstoffzellen 28 und 52 erzeugtes Wasser sowohl durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kathodenreaktandengases durch die Brennstoffzellen als auch durch die Schwerkraft in die Kathodenaustrittskammern 30 bzw. 54 des ersten bzw. zweiten Segments gezwungen. Durch Anordnen des Separatorsegments 16 zwischen dem ersten Segment 12 und dem zweiten Segment 14, wie gezeigt, erreicht das Separatorsegment 16 eine durchschnittliche Betriebstemperatur des Stapels durch sowohl einen leitenden Wärmetransfer als auch einen konvektiven Wärmetransfer von den Stapelsegmenten und dem Kühlmittel.
Bei der Verwendung ist der beispielhafte kaskadierte Brennstoffzellenstapel 10 mit zwei Segmenten von 2 ausgestaltet, um einen oberen Stapelabschnitt 60 bereitzustellen, wobei der Kathodeneinlass 20 zu diesem benachbart angeordnet ist. Es ist auch ein unterer Stapelabschnitt 62 identifiziert, wobei der Kathodenauslass 56 zu diesem benachbart angeordnet ist. Die Kathodenreaktandengasströmung, die geführt ist, um in dem oberen Stapelabschnitt 60 in den Kathodeneinlass 20 einzutreten, wird durch jedes Separatorsegment (z. B. das Separatorsegment 16) aufwärtsgerichtet umgelenkt und strömt in der schwerkraftunterstützten, abwärtsgerichteten Strömungsrichtung durch jede Brennstoffzelle des kaskadierten Brennstoffzellenstapels 10, um an dem unteren Stapelabschnitt 62 aus dem Kathodenauslass 56 auszutreten. Eine Anodenströmung durch den kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10 verläuft ähnlich.
Durch Führen von durch den Reaktionsprozess einer Brennstoffzelle erzeugtem Wasser zu dem unteren Stapelabschnitt wird das Wasser vorteilhafterweise entladen. Bei der Ausführungsform von 2 der vorliegenden Erfindung wird Wasser von dem kaskadierten Brennstoffzellenstapel 10 durch einen Ablauf (nicht gezeigt) entladen, der mit einem Separatorablaufbereich M eines unteren Separatorsegments 64 verbunden ist. Wenn mehr als ein Separatorsegment verwendet wird (z. B. für einen Stapel mit drei oder mehr Segmenten) weist jedes Separatorsegment einen dem Separatorablaufbereich M an dem unteren Separatorsegment 64 ähnlichen Ablaufbereich auf. Die Stelle des Wasserablaufs in dem Separatorablaufbereich M sorgt für die Entladung eines vorherrschenden Teils des durch die Brennstoffzellen 28 des ersten Segments 12 erzeugten Wassers. Die relative Feuchte wird zwischen Segmenten mit ungefähr 100% relativer Feuchte durch Entfernen des gesamten oder des größten Teils des Wassers, das sich bei einem Taupunkt über einer Kühlmittelwassertemperatur befindet, vor dem Eintreten in das nächste Segment gesteuert.
Bezug nehmend auf 3 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die einen Verrohrungssatz umfasst, um eine Anoden-, Kathoden- und Kühlmittelströmung zwischen einem Paar von benachbarten Stapelsegmenten anstatt des in 1 gezeigten Separatorsegments 16 zu führen. In einem Brennstoffzellenstapel 100 ist ein erstes Segment 102 von einem zweiten Segment 104 durch einen Verrohrungssatz 106 getrennt. Das erste Segment 102 umfasst eine äußere Seite 108 des ersten Segments und eine innere Seite 110 des ersten Segments. Das zweite Segment 104 umfasst ähnlich eine äußere Seite 112 des zweiten Segments und eine innere Seite 114 des zweiten Segments. Die äußere Seite 108 des ersten Segments stellt einen Kathodeneinlass 116 des ersten Segments, einen Kühlmitteleinlass 118 des ersten Segments und einen Anodenauslass 120 des ersten Segments bereit. Die innere Seite 110 des ersten Segments stellt einen Kathodenauslass 122 des ersten Segments, einen Kühlmittelauslass 124 des ersten Segments und einen Anodeneinlass 126 des ersten Segments bereit.
Der Kathodenauslass 122 des ersten Segments steht über ein Kathodenrohr 80 fluidmäßig mit einem Kathodeneinlass 128 des zweiten Segments in Verbindung. Der Kühlmittelauslass 124 des ersten Segments steht über ein Kühlmittelrohr 134 fluidmäßig mit einem Kühlmitteleinlass 132 des zweiten Segments in Verbindung. Der Anodeneinlass 126 des ersten Segments empfängt über ein Anodenrohr 138 eine Anodenreaktandenströmung von einem Anodenauslass 136 des zweiten Segments. Überschüssiges Wasser, das sowohl in dem Kathodenreaktand als auch in dem Anodenreaktand mitgeführt wird, läuft durch einen Kathodenrohrablauf 140 bzw. einen Anodenrohrablauf 142 zwischen dem ersten Segment 102 und dem zweiten Segment 104 ab. Der Kathodeneinlass 128 des zweiten Segments, der Kühlmitteleinlass 132 des zweiten Segments und der Anodenauslass 136 des zweiten Segments sind an der inneren Seite 114 des zweiten Segments angeordnet. Die äußere Seite 112 des zweiten Segments umfasst einen Kathodenauslass 144 des zweiten Segments, einen Kühlmittelauslass 146 des zweiten Segments und einen Anodeneinlass 148 des zweiten Segments.
Die Kathodenströmung tritt an dem Kathodeneinlass 116 des ersten Segments in einen oberen Abschnitt des ersten Segments 102 ein, strömt in einer im Wesentlichen schwerkraftunterstützten Richtung durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen des ersten Segments (nicht gezeigt), wird gesammelt und tritt an dem Kathodenauslass 122 des ersten Segments, der sich an einem unteren Abschnitt des ersten Segments 102 befindet, aus. Das Kathodenrohr 130 bringt die Kathodenströmung in einer im Wesentlichen aufwärtsgerichteten Richtung zu dem Kathodeneinlass 128 des zweiten Segments. Der Kathodeneinlass 128 des zweiten Segments befindet sich an einem oberen Abschnitt der inneren Seite 114 des zweiten Segments an dem zweiten Segment 104. Die Kathodenströmung wird von dem Kathodeneinlass 128 des zweiten Segments zu einer Mehrzahl von Brennstoffzellen des zweiten Segments (nicht gezeigt) geführt, wird gesammelt und tritt an dem Kathodenauslass 144 des zweiten Segments aus einem unteren Abschnitt des zweiten Segments 104 aus.
Die Kühlmittelströmung tritt an dem Kühlmitteleinlass 118 des ersten Segments in das erste Segment 102 ein, strömt durch eine Mehrzahl von Kühlmittelströmungskanälen (nicht gezeigt) und tritt an dem Kühlmittelauslass 124 des ersten Segments aus dem ersten Segment 102 aus. Das Kühlmittelrohr 134 bringt das Kühlmittel zu dem Kühlmitteleinlass 132 des zweiten Segments. Die Kühlmittelströmung tritt in das zweite Segment 104 ein, strömt durch eine Mehrzahl von Kühlmittelströmungskanälen (nicht gezeigt) und tritt an dem Kühlmittelauslass 146 des zweiten Segments aus dem zweiten Segment 104 aus.
Die Anodenströmung tritt in den Brennstoffzellenstapel 100 an einem oberen Abschnitt der äußeren Seite 112 des zweiten Segments an einer Stelle stromabwärts gegenüberliegend der Kathodenströmung in das zweite Segment 104 ein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Anodenströmung vorzugsweise in ein Brennstoffzellensegment, das eine gleiche Anzahl von Brennstoffzellen wie das Kathodenströmungseintrittssegment enthält, oder in ein kleineres Brennstoffzellensegment geführt, das im Vergleich zu der Stelle, an der die Kathodenströmung in den Brennstoffzellenstapel 100 eintritt, eine geringere Anzahl von Brennstoffzellen enthält. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 3 tritt die Anodenströmung an dem Anodeneinlass 148 des zweiten Segments in einen oberen Abschnitt des zweiten Segments 104 ein, strömt in einer im Wesentlichen schwerkraftunterstützten Richtung durch die Mehrzahl von Brennstoffzellen des zweiten Segments (nicht gezeigt), wird gesammelt und tritt an dem Anodenauslass 136 des zweiten Segments aus, der sich an einem unteren Abschnitt des zweiten Segments 104 befindet. Das Anodenrohr 138 bringt die Anodenströmung in einer im Wesentlichen aufwärtsgerichteten Richtung zu dem Anodeneinlass 126 des ersten Segments. Der Anodeneinlass 126 des ersten Segments befindet sich an einem oberen Abschnitt der inneren Seite 110 des ersten Segments. Die Anodenströmung wird von dem Anodeneinlass 126 des ersten Segments zu der Mehrzahl von Brennstoffzellen des ersten Segments (nicht gezeigt) geführt, gesammelt und tritt an dem Anodenauslass 120 des ersten Segments aus einem unteren Abschnitt des ersten Segments 102 aus.
Bezug nehmend auf 4 ist ein Brennstoffzellenstapel 200 dem Brennstoffzellenstapel in 3 ähnlich, weshalb nur die Unterschiede erläutert werden. Der Brennstoffzellenstapel 200 umfasst ein erstes Segment 202 und ein zweites Segment 204. Ein Verrohrungssatz 206 verbindet das erste Segment 202 fluidmäßig mit dem zweiten Segment 204. Eine Kathodenströmung tritt an einem Kathodeneinlass 208 in das erste Segment ein, eine Kühlmittelströmung tritt an einem Kühlmitteleinlass 210 ein, und eine Anodenströmung tritt an einem Anodenauslass 212 aus dem ersten Segment (und dem Brennstoffzellenstapel 200) aus. Das Kühlmittel wird dem Kühlmitteleinlass 210 durch ein Kühlmittellieferrohr 214 des ersten Segments geliefert. Die Kathodenströmung tritt an einem Kathodenauslass 216 aus dem ersten Segment 202 aus. Die dem Kühlmitteleinlass 210 gelieferte Kühlmittelströmung tritt an einem Kühlmittelauslass 218 aus dem ersten Segment 202 aus. Die Anodenströmung zu dem ersten Segment 202 wird an einem Anodeneinlass 220 bereitgestellt.
Die Strömung zwischen dem ersten Segment 202 und dem zweiten Segment 204 wird durch den Verrohrungssatz 206 bereitgestellt. Ein Kathodenströmungsrohr 222 führt eine Kathodenströmung in einer im Wesentlichen aufwärtsgerichteten Richtung von dem ersten Segment 202 zu dem zweiten Segment 204. Ein Kühlmittelströmungsrohr 224 entlädt die Kühlmittelströmung von dem ersten Segment 202 des Brennstoffzellenstapels 200. Ein Anodenströmungsrohr 226 führt die von dem zweiten Segment 204 entladene Anodenströmung in einer im Wesentlichen aufwärtsgerichteten Richtung zu dem Anodeneinlass 220 des ersten Segments 202. Der Verrohrungssatz 206 stellt auch ein Kühlmittelentladungsrohr 228 bereit, das von dem zweiten Segment an einem Kühlmittelauslass 230 entladenes Kühlmittel sammelt. Ein Kühlmittelsteuerventil 232 führt durch eine Kühlmittellieferleitung 234 geliefertes Kühlmittel zu dem Kühlmittellieferrohr 214 des ersten Segments und dem Kühlmittellieferrohr 236 des zweiten Segments. Das Kühlmittelströmungsrohr 224 und das Kühlmittelentladungsrohr 228 entladen sich beide in ein kombiniertes Kühlmittelrückführrohr 238, das das Kühlmittel zu der Kühlmittelquelle (nicht gezeigt) zurückführt.
An dem zweiten Segment 204 entlädt sich das Kathodenströmungsrohr 222 in einen Kathodeneinlass 240, und das Anodenströmungsrohr 226 empfängt eine Anodenströmung von einem Anodenauslass 242. Die Kathodenströmung entlädt sich aus dem Brennstoffzellenstapel 200 an einem Kathodenauslass 244. Das Kühlmittellieferrohr 236 des zweiten Segments liefert einen Teil der gesamten Stapelkühlmittelströmung an einen Kühlmitteleinlass 246. Ein Anodeneinlass 248 empfängt die Anodenströmung für den Brennstoffzellenstapel 200.
Der Verrohrungssatz 206 liefert allen Stellen, an denen die Kathodenströmung und die Anodenströmung in den Brennstoffzellenstapel 200 eintreten, Kühlmittel bei seiner niedrigsten Temperatur. Dies stellt für sowohl die eintretende Kathodenströmung als auch die Anodenströmung einen niedrigsten Taupunkt bereit, was eine Steuerung der relativen Feuchte für den Brennstoffzellenstapel 200 verbessert. Das Kühlmittelsteuerventil 232 kann auch durch einzelne Drosselventile oder andere Strömungssteuereinrichtungen (z. B. Öffnungen) in dem Kühlmittellieferrohr 214 des ersten Segments und dem Kühlmittellieferrohr 236 des zweiten Segments ersetzt werden, um das Proportionieren der Kühlmittelströmung zu den Segmenten des Brennstoffzellenstapels 200 zu unterstützen.
Bezug nehmend auf 5, 6 und 7 ist noch eine andere Ausführungsform für einen Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung gezeigt. 5 identifiziert eine Kathodenverrohrung und Ventile zwischen Segmenten eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 300 mit zwei Segmenten. 6 identifiziert eine Anodenverrohrung und Ventile zwischen Segmenten des Brennstoffzellenstapels 300. 7 identifiziert eine Kühlmittelverrohrung zwischen Segmenten des Brennstoffzellenstapels 300. Die Verrohrung und die Ventile von 5, 6 und 7 sind der Übersichtlichkeit halber separat gezeigt, bei der Verwendung sind jedoch die Verrohrung und die Ventile zwischen den beiden Segmenten des Brennstoffzellenstapels 300 kombiniert.
Wie in 5 gezeigt umfasst der Brennstoffzellenstapel 300 eine Verrohrung und Ventile, die konfigurierbar sind, um entweder eine serielle oder eine parallele Kathodenströmung durch einen Stapel mit zwei Segmenten bereitzustellen. Ein Kathodenlieferrohr 302 liefert einem Einlassrohr 304 des ersten Segments, das mit einem Kathodeneinlass 306 eines ersten Segments 308 verbindbar ist, eine Kathodenströmung. Das Kathodenlieferrohr liefert auch einem Bypass-Rohr 310 des ersten Segments, das eine teilweise Bypass-Kathodenströmung um das erste Segment 308 bereitstellen kann, eine Kathodenströmung. Das Bypass-Rohr 310 des ersten Segments ist mit einem Drei-Wege-Strömungsventil 312 verbindbar. Das Drei-Wege-Strömungsventil 312 weist drei Durchlässe auf, einen M-Durchlass, einen N-Durchlass und einen O-Durchlass. Das Bypass-Rohr 310 des ersten Segments ist mit dem O-Durchlass verbindbar. Der N-Durchlass ist mit einem Lieferrohr 314 des zweiten Segments verbindbar, das einem Kathodeneinlass eine Kathodenströmung liefert. Der M-Durchlass ist mit einem Zweigströmungsrohr 318 verbindbar, das mit einem Kathodenentladungsrohr 320 des ersten Segments in Fluidverbindung steht. Das Kathodenentladungsrohr 320 des ersten Segments steht wiederum an einem ersten Ende mit einem Kathodenauslass 322 des ersten Segments 308 und an einem zweiten Ende mit dem stromaufwärtigen Ende eines Trennventils 324 in Fluidverbindung. Ein stromabwärtiges Ende des Trennventils 324 ist mit einem Kathodenentladungsrohr 326 verbindbar, das mit einem Kathodenentladungsrohr 328 des zweiten Segments in Fluidverbindung steht. Das Kathodenentladungsrohr 328 des zweiten Segments ist mit einem Kathodenauslass 330 eines zweiten Segments 332 verbindbar.
Um eine serielle Kathodenströmung zu dem ersten Segment 308 und dem zweiten Segment 332 bereitzustellen, ist das Trennventil 324 geschlossen, und das Drei-Wege-Strömungsventil 312 ist positioniert, um eine Strömung zwischen den Strömungsdurchlässen von M nach N bereitzustellen (wobei eine Strömung von dem O-Durchlass blockiert ist). Die Kathodenströmung tritt durch das Einlassrohr 304 des ersten Segments in das erste Segment 308 ein, durchquert das erste Segment, wie hierin in Bezug auf 2 beschrieben, und tritt in dem Kathodenentladungsrohr 320 des ersten Segments aus dem ersten Segment 308 aus. Die Strömung von dem Kathodenentladungsrohr 320 des ersten Segments ist durch das geschlossene Trennventil 324 blockiert, das die Strömung durch das Zweigströmungsrohr 318, durch die Strömungsdurchlässe M und N des Drei-Wege-Strömungsventils 312, in das Lieferrohr 314 des zweiten Segments und in den Kathodeneinlass des zweiten Segments 332 zwingt. Die Kathodenströmung durchquert das zweite Segment 332 und entlädt sich in das Kathodenentladungsrohr 328 des zweiten Segments.
Um eine parallele Kathodenströmung zu dem ersten Segment 308 und dem zweiten Segment 332 bereitzustellen, ist das Trennventil 324 geöffnet und ist das Drei-Wege-Strömungsventil 312 positioniert, um eine Strömung zwischen den Strömungsdurchlässen von O nach N bereitzustellen (wobei eine Strömung von dem M-Durchlass blockiert ist). Die Kathodenströmung teilt sich zwischen dem Einlassrohr 304 des ersten Segments und dem Bypass-Rohr 310 des ersten Segments. Ein erster Teil der Kathodenströmung tritt durch das Einlassrohr 304 des ersten Segments in das erste Segment 308 ein, durchquert das erste Segment, wie hierin in Bezug auf 2 beschrieben, und tritt in dem Kathodenentladungsrohr 320 des ersten Segments aus dem ersten Segment 308 aus. Von dem Kathodenentladungsrohr 320 des ersten Segments durchquert der erste Teil der Kathodenströmung das Trennventil 324 und strömt durch das Kathodenentladungsrohr 326, um sich aus dem Brennstoffzellenstapel 300 zu entladen. Ein zweiter Teil der Kathodenströmung durchquert das Bypass-Rohr 310 des ersten Segments, die Strömungsdurchlässe O und N des Drei-Wege-Strömungsventils 312 und tritt durch das Lieferrohr 314 des zweiten Segments in das zweite Segment 332 ein. Der zweite Teil der Kathodenströmung durchquert dann das zweite Segment 332 und entlädt sich von dem zweiten Segment 332 in das Kathodenentladungsrohr 328 des zweiten Segments, in dem er sich mit dem ersten Teil der Kathodenströmung in dem Kathodenentladungsrohr 326 vereinigt, um aus dem Brennstoffzellenstapel 300 entladen zu werden.
Wie es am besten ausführlich in Bezug auf 6 gezeigt ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 300 ferner eine Verrohrung und Ventile, die konfigurierbar sind, um entweder eine serielle oder eine parallele Anodenströmung durch einen Stapel mit zwei Segmenten bereitzustellen. Ein Anodenlieferrohr 402 liefert einem Einlassrohr 404 des ersten Segments, das mit einem Anodeneinlass 406 des ersten Segments 308 verbindbar ist, eine Anodenströmung. Das Anodenlieferrohr liefert die Anodenströmung auch einem Bypass-Rohr 410 des ersten Segments, das eine teilweise Bypass-Anodenströmung um das erste Segment 308 bereitstellen kann. Das Bypass-Rohr 410 des ersten Segments ist mit einem Drei-Wege-Strömungsventil 412 verbindbar. Das Drei-Wege-Strömungsventil 412 weist drei Durchlässe auf, einen P-Durchlass, einen Q-Durchlass und einen R-Durchlass. Das Bypass-Rohr 410 des ersten Segments ist mit dem R-Durchlass verbindbar. Der Q-Durchlass ist mit einem Lieferrohr 414 des zweiten Segments verbindbar, das einem Anodeneinlass 416 eine Anodenströmung bereitstellt. Der P-Durchlass ist mit einem Zweigströmungsrohr 418 verbindbar, das mit einem Anodenentladungsrohr 420 des ersten Segments in Fluidverbindung steht. Das Anodenentladungsrohr 420 des ersten Segments steht wiederum an einem ersten Ende mit einem Anodenauslass 422 des ersten Segments 308 und an einem zweiten Ende mit dem stromaufwärtigen Ende eines Trennventils 424 in Fluidverbindung. Ein stromabwärtiges Ende des Trennventils 424 ist mit einem Anodenentladungsrohr 426 verbindbar, das mit einem Anodenentladungsrohr 428 des zweiten Segments in Fluidverbindung steht. Das Anodenentladungsrohr 428 des zweiten Segments ist mit einem Anodenauslass 430 des zweiten Segments 332 verbindbar.
Um eine serielle Anodenströmung zu dem ersten Segment 308 und dem zweiten Segment 332 bereitzustellen, ist das Trennventil 424 geschlossen und ist das Drei-Wege-Strömungsventil 412 positioniert, um eine Strömung zwischen den Strömungsdurchlässen von P nach Q bereitzustellen (wobei eine Strömung von dem Strömungsdurchlass R blockiert ist). Die Anodenströmung tritt durch das Einlassrohr 404 des ersten Segments in das erste Segment 308 ein, durchquert das erste Segment 308, wie hierin in Bezug auf 2 beschrieben, und tritt in dem Anodenentladungsrohr 420 des ersten Segments aus dem ersten Segment 308 aus. Die Strömung von dem Anodenentladungsrohr 420 des ersten Segments ist durch das geschlossene Trennventil 424 blockiert, das die Strömung durch das Zweigströmungsrohr 418, durch die Strömungsdurchlässe P und Q des Drei-Wege-Strömungsventils 412, in das Lieferrohr 414 des zweiten Segments und in den Anodeneinlass 416 des zweiten Segments 332 zwingt. Die Anodenströmung durchquert das zweite Segment 332, entlädt sich in das Anodenentladungsrohr 428 des zweiten Segments und in das Anodenentladungsrohr 426, um sich aus dem Brennstoffzellenstapel 300 zu entladen.
Um eine parallele Anodenströmung für das erste Segment 308 und das zweite Segment 332 bereitzustellen, ist das Trennventil 424 geöffnet, und ist das Drei-Wege-Strömungsventil 412 positioniert, um eine Strömung zwischen den Strömungsdurchlässen von R nach Q bereitzustellen (wobei eine Strömung von dem P-Durchlass blockiert ist). Die Anodenströmung teilt sich zwischen dem Einlassrohr 404 des ersten Segments und dem Bypass-Rohr 410 des ersten Segments auf. Ein erster Teil der Anodenströmung tritt durch das Einlassrohr 404 des ersten Segments in das erste Segment 308 ein, durchquert das erste Segment 308, wie hierin in Bezug auf 2 beschrieben, und tritt in dem Anodenentladungsrohr 420 des ersten Segments aus dem ersten Segment 308 aus. Von dem Anodenentladungsrohr 420 des ersten Segments durchquert der erste Teil der Anodenströmung das Trennventil 424 und strömt durch das Anodenentladungsrohr 426, um sich aus dem Brennstoffzellenstapel 300 zu entladen. Ein zweiter Teil der Anodenströmung durchquert das Bypass-Rohr 410 des ersten Segments, die Strömungsdurchlässe R und Q des Drei-Wege-Strömungsventils 412, und tritt durch das Lieferrohr 414 des zweiten Segments in das zweite Segment 332 ein. Der zweite Teil der Anodenströmung durchquert dann das zweite Segment 332 und entlädt sich aus dem zweiten Segment 332 in das Anodenentladungsrohr 428 des zweiten Segments, in dem es sich mit dem ersten Teil der Anodenströmung in dem Anodenentladungsrohr 426 vereinigt, um sich aus dem Brennstoffzellenstapel 300 zu entladen.
Wie es am besten in 7 gezeigt ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 300 von 5 ferner eine Verrohrung, die konfigurierbar ist, um eine parallele Kühlmittelströmung durch einen Stapel mit zwei Segmenten bereitzustellen. Ein Kühlmittellieferrohr 500 teilt sich auf, um sowohl ein Lieferrohr 502 des ersten Segments als auch ein Lieferrohr 504 des zweiten Segments zu beliefern. Das Lieferrohr 502 des ersten Segments ist an einem Kühlmitteleinlass 506 mit dem ersten Segment 308 verbindbar. Ein Kühlmittelauslass 508 ist mit einem Kühlmittelentladungsrohr 510 des ersten Segments verbindbar, das mit einem Kühlmittelentladungsrohr 512 verbunden ist. Das Lieferrohr 504 des zweiten Segments ist mit dem zweiten Segment 332 an einem Kühlmitteleinlass 514 verbindbar. Ein Kühlmittelauslass 516 ist mit einem Kühlmittelentladungsrohr 518 des zweiten Segments verbindbar, das an dem Kühlmittelentladungsrohr 512 mit dem Kühlmittelentladungsrohr 510 des ersten Segments verbunden ist.
Ein erster Teil des Kühlmittels von einer Kühlmittellieferquelle spaltet sich ab, um von dem Kühlmittellieferrohr 500 in das Lieferrohr 502 des ersten Segments zu strömen, durchquert das erste Segment 308 und tritt in das Kühlmittelentladungsrohr 510 des ersten Segments aus. Von dem Kühlmittelentladungsrohr 510 des ersten Segments strömt der erste Teil des Kühlmittels in das Kühlmittelentladungsrohr 512, um aus dem Brennstoffzellenstapel 300 auszutreten. Ein zweiter Teil des Kühlmittels von der Kühlmittellieferquelle spaltet sich ab, um von dem Kühlmittellieferrohr 500 in das Lieferrohr 504 des zweiten Segments zu strömen, durchquert das zweite Segment 332 und tritt in das Kühlmittelentladungsrohr 518 des zweiten Segments aus. Der zweite Teil des Kühlmittels von dem Kühlmittelentladungsrohr 518 des zweiten Segments kombiniert sich mit dem ersten Teil des Kühlmittels in dem Kühlmittelentladungsrohr 512, um aus dem Brennstoffzellenstapel 300 auszutreten.
Bezug nehmend auf 8 ist ein Brennstoffzellenstapel 600 gezeigt, der auf dem Brennstoffzellenstapel 300 von 6 basiert und ein zusätzliches drittes Segment 602 aufweist. Die Verrohrung und die Ventile zu dem dritten Segment 602 basieren auf der Verrohrung und den Ventilen von 6, wobei Bezugszeichen mit Strichindex gezeigt sind, um die neue Verrohrung und die neuen Ventile anzugeben, die das zweite Segment 332 mit dem dritten Segment 602 verbinden. 8 zeigt auch ein Anodensteuerventil 604 stromaufwärts des Anodenlieferrohrs 402 und ein Anodensteuerventil 606 stromaufwärts eines Anodenlieferrohrs 402'. sowohl das Anodensteuerventil 604 als auch das Anodensteuerventil 606 empfangen Steuersignale von einem Stapelrückkopplungssignalprozessor 608. Die Anodensteuerventile 604, 606, die zugehörige Verrohrung und der Stapelrückkopplungssignalprozessor 608 bilden zusammen ein variables Steuersystem 610. Der Stapelrückkopplungssignalprozessor 608 stellt Ventilpositionssignale basierend auf beispielhaften Stapelrückkopplungsdaten bereit, die zu dem variablen Steuersystem 610 gesendet werden und einen Stapel- oder Segmentdruckabfall, eine Stapelspannung (z. B. insgesamt, bereichsweise, und Standardabweichung) und eine Austrittsreaktandenkonzentration umfassen. Ein Stapelreaktand und/oder eine Kühlmittelströmung können durch Neupositionieren der Anodensteuerventile 604 und 606 oder durch ähnliche Kathodensteuerventile (nicht gezeigt) und Kühlmittelsteuerventile (nicht gezeigt) umgelenkt werden. Für das Stapelrückkopplungssystem 608 und das variable Steuersystem 610 werden herkömmlich verfügbare Prozessoren und Komponenten verwendet. Die Anodensteuerventile 604, 606 können beliebige eines herkömmlich verfügbaren Typs von Steuerventil sein, umfassend solenoidbetätigte Ventile, motorgesteuerte Drosselventile etc., die elektrische Signale von dem Stapelrückkopplungssystem 608 empfangen können.
Die Anzahl von Brennstoffzellen in jedem Segment ist einstellbar. Die Reaktandenströmung gelangt durch jede Zelle jedes Segments, wobei der Reaktand allmählich durch jedes Segment abgereichert wird und für jede gegebene gesamte Einlass- und Auslassströmung die Stöchiometrie jedes Segments des Mehrfachsegmentstapels größer ist als bei einem einzelnen Stapel, bei dem alle Zellen parallel gespeist werden.
Wasser, das sich als ein Reaktionsprodukt in jedem einzelnen Reaktandensegment bildet, läuft kollektiv an der Basis seines zugehörigen Separatorsegments oder durch Ablaufsammelstellen in den einzelnen Strömungsrohren, die zwischen Segmenten angeordnet sind, ab. Dieses Wasservolumen wird durch Ablaufleitungen (nicht gezeigt) zu einer Entladungsstelle in dem Stapel entladen. Dies stellt sicher, dass das in jedem Segment des Stapels ausgebildete Wasser in einer schwerkraftunterstützten Richtung zu den Schwerkraftablaufstellen an der Basis jedes Separatorsegments oder zugehörig zu jedem Strömungsrohr abläuft, und daher wird ein effizientes Entfernungsverfahren für in dem Stapel erzeugtes Wasser bereitgestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein weiterer Vorteil durch Verwenden einer parallelen Kühlmittelströmung bereitgestellt, wobei die Kathoden- und Anodeneinlassströme zwischen Segmenten getrennt sind. Die Temperatur des Kühlmittels erhöht sich, wenn es durch den Stapel gelangt, und eine verbesserte Steuerung der relativen Feuchte wird bereitgestellt, wenn es erwünscht ist, die Kathoden- und Anodenstapeleintrittsstellen zu trennen. Der Vorteil einer parallelen Kühlmittelströmung ist, dass Kühlmittel bei seiner niedrigsten Temperatur in den Stapel an der Stelle eintritt, an der jedes Reaktandengas in den Stapel eintritt, was den maximalen Reaktandengas-Temperaturabfall und daher die niedrigste Feuchte für das Einlassgas liefert. Das Bereitstellen der niedrigsten Temperatur für das eintretende Reaktandengas reduziert seinen Taupunkt und erfordert eine sehr geringe Wasserdampferzeugung, um die gewünschten 100% relative Feuchte für die Reaktandengasstromströmung durch den Stapel zu erreichen. Es ist normalerweise erwünscht, 100% relative Feuchte (RF) in jedem Segment des Stapels bereitzustellen, da Wasser kontinuierlich erzeugt wird und überschüssiges Wasser (Dampf) eine Strömung und einen Wasserstoffkontakt mit den Brennstoffzellen verhindert.
Wenn in Separatorsegmenten zwischen Stapelsegmenten Separatorkanäle angeordnet sind, wird die Kanaltemperatur automatisch durch die Kühlmitteltemperatur gesteuert. Die Gastemperatur in jedem der Separatorkanäle stellt sich daher auf die Kühlmitteltemperatur ein, bis der Wasserdampf in den Separatorkanälen die Kanal-/Kühlmittel-Taupunkttemperatur erreicht und jeglicher Wasserdampf über der Taupunkttemperatur des Kühlmittels zu dem Separatorablauf hin ausscheidet. Ein Vorteil dieser ”automatischen” Temperatursteuerung ist, dass das Reaktandengas, das in jedes nachfolgende Segment eintritt, etwa 100% RF aufweist, wobei jedem Segment eine gesättigte Strömung geliefert wird. Dies beseitigt die Notwendigkeit, für jedes Segment eine zusätzliche externe Temperatursteuerung bereitzustellen. Wenn der Brennstoff in jedem einzelnen Segment reagiert, erhöht sich die durchschnittliche Temperatur der Strömung von einem Segment zum nächsten, und die relative Feuchte wird bei etwa 100% RF gehalten.
Der Einfluss einer nicht verbrauchten Inertgasströmung auf einen Gesamtstapeldruckabfall wird durch Verwenden eines Systems mit ”im Wesentlichen reinem Wasserstoff” der vorliegenden Erfindung erheblich reduziert. Wie hierin definiert ist ”im Wesentlichen reiner Wasserstoff ein Anodenreaktand, der ungefähr 80 Vol.-% oder einen größeren Anteil an Wasserstoff und ungefähr 20 Vol.-% oder einen kleineren Anteil an Inertgas(en) enthält. Durch den Brennstoffzellenstapel wird nur der Wasserstoff verbraucht (wobei Wasser ausgebildet und elektrischer Strom erzeugt werden), und daher strömen die ungefähr 20 Vol.-% oder weniger an nicht verbrauchtem Inertgas durch den Stapel. Durch Verwenden eines reinen Wasserstoffanodenreaktanden steuern die 20 Vol.-% oder weniger an Inertgas den Druckabfall über den nachfolgenden Segmenten des Stapels im Wesentlichen nicht. Daher kann die Strömung durch die Stapelsegmente variiert werden, um die Stapelstöchiometrie zu optimieren.
Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Jedes Segment des Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Erfindung stellt eine schwerkraftunterstützte Reaktanden- und Wasserablaufströmung bereit. Wenn zwischen jedem Segmentpaar ein Separatorsegment angeordnet ist, entfernt das Separatorsegment/entfernen die Separatorsegmente effizient Wasser von dem Stapel und steuert das Separatorsegment/steuern die Separatorsegmente die Feuchte in dem Stapel. Durch Bereitstellen einer parallelen Strömung in jedem Segment und Bereitstellen einzelner Segmente mit verschiedenen Anzahlen von Brennstoffzellenelementen ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass ein Brennstoffzellenstapel mit variierenden Stöchiometrien zwischen einzelnen Segmenten arbeitet und einen höheren Betriebswirkungsgrad bereitstellt. Der durchschnittliche Spannungsausgang eines Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Erfindung wird gegenüber einem Brennstoffzellenstapel mit einer gesamten parallelen Strömung durch nur ein Segment von Elementen erhöht. Die Reaktandenverteilung wird von Zelle zu Zelle in den Stapelsegmenten und von Kanal zu Kanal in den Brennstoffzellenplatten verbessert. Das Verbessern der Reaktandenverteilung durch effizienteres Entfernen von Wasser (unter Verwendung einer schwerkraftunterstützten Strömung in den Brennstoffzellen) stellt eine erhöhte Spannung in dem Segment/in den Segmenten bereit, in dem/denen die Wasserstoffkonzentration am höchsten ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sollen Variationen, die nicht vom Kern der Erfindung abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Solche Variationen sind nicht als ein Abweichen vom Geist und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Brennstoffzellenstapel des Typs mit einer Mehrzahl von sequentiell angeordneten Brennstoffzellensegmenten (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602), wobei jedes der Mehrzahl von Brennstoffzellensegmenten (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) umfasst: (a) ein erstes Ende mit einem ersten Anodendurchlass und einem ersten Kathodendurchlass, die darin ausgebildet sind; (b) ein zweites Ende mit einem zweiten Anodendurchlass und einem zweiten Kathodendurchlass, die darin ausgebildet sind; (c) mindestens eine Brennstoffzelle (28, 52) mit: einer Mehrzahl von Anodendurchgängen (36), die in einer unidirektionalen, schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung angeordnet sind, um eine Fluidverbindung zwischen den ersten und zweiten Anodendurchlässen bereitzustellen; einer Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50), die in einer unidirektionalen, schwerkraftunterstützten Strömungsrichtung angeordnet sind, um eine Fluidverbindung zwischen den ersten und zweiten Kathodendurchlässen bereitzustellen; und einer Membranelektrodenanordnung, die zwischen der Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) und der Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) eingefügt ist; (d) eine durch das Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) selektiv konfigurierte Strömungsanordnung aus der Gruppe, bestehend aus: einer gegenstromigen Strömungsanordnung, wobei der erste Kathodendurchlass und der zweite Anodendurchlass Einlassdurchlässe (20, 116, 128, 208, 240 bzw. 126, 148, 220, 248) zu dem Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) sind, und der zweite Kathodendurchlass und der erste Anodendurchlass Auslassdurchlässe (32, 122, 144, 216, 244 bzw. 22, 120, 212, 242) aus dem Brennstoffzellensegment sind (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602); und einer parallelen Strömungsanordnung, wobei die ersten Anoden- und Kathodendurchlässe Einlassdurchlässe (306 bzw. 406, 416) in das Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) sind und die zweiten Anoden- und Kathodendurchlässe Auslassdurchlässe (330 bzw. 422, 430) aus dem Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei jedes Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) ferner umfasst: eine Anodeneinlasskammer (34) in Fluidverbindung mit dem Anodeneinlassdurchlass (126, 148, 220, 248) und eine Anodenauslasskammer (38, 46) in Fluidverbindung mit dem Anodenauslassdurchlass (22, 120, 212, 242), wobei die Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) eine Fluidverbindung zwischen der Anodeneinlasskammer (34) und der Anodenauslasskammer (38, 46) bereitstellt; und eine Kathodeneinlasskammer (24, 42) in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlassdurchlass (20, 116, 128, 208, 240, 306) und eine Kathodenauslasskammer (30) in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslassdurchlass (32, 122, 144, 216, 244), wobei die Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) eine Fluidverbindung zwischen der Kathodeneinlasskammer (24) und der Kathodenauslasskammer (30) bereitstellt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Separatorsegment (16), das zwischen einem stromaufwärtigen Brennstoffzellensegment (12, 14) und einem stromabwärtigen Brennstoffzellensegment (14 bzw. 12) angeordnet ist, um eine Fluidverbindung dazwischen bereitzustellen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, wobei das Separatorsegment ferner umfasst: einen aufwärtsgerichtet ausgerichteten Anodenströmungskanal (44) in Fluidverbindung zwischen der Anodenauslasskammer (46) des stromaufwärtigen Brennstoffzellensegments (14) und der Anodeneinlasskammer (34) des stromabwärtigen Brennstoffzellensegments (12); und einen aufwärtsgerichtet ausgerichteten Kathodenströmungskanal (40) in Fluidverbindung zwischen der Kathodenauslasskammer (30) des stromaufwärtigen Brennstoffzellensegments (12) und der Kathodeneinlasskammer (42) des stromabwärtigen Brennstoffzellensegments (14).
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, wobei das Separatorsegment (16) eine angrenzende mechanische Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Brennstoffzellensegment (12, 14) und dem stromabwärtigen Brennstoffzellensegment (14 bzw. 12) ausbildet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, ferner umfassend: einen Kühlmitteldurchgang, der benachbart zu der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet ist, wobei der Kühlmitteldurchgang eine Kühlmitteleinlasskammer und eine Kühlmittelauslasskammer aufweist; und wobei das Separatorsegment (16) einen Kühlmittelströmungskanal in Fluidverbindung zwischen der Kühlmittelauslasskammer des stromaufwärtigen Brennstoffzellensegments (12, 14) und der Kühlmitteleinlasskammer des stromabwärtigen Brennstoffzellensegments (14 bzw. 12) aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei die Kühlmitteldurchgänge in Bezug auf die Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) eine parallele Strömungsanordnung ausbilden und relativ zu der Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) eine gegenstromige Strömungsanordnung ausbilden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei die Kühlmitteldurchgänge in Bezug auf die Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) eine parallele Strömungsanordnung ausbilden und relativ zu der Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) eine parallele Strömungsanordnung ausbilden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei jedes der Mehrzahl von Brennstoffzellensegmenten (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) eine gleiche Anzahl von Brennstoffzellen (28, 52) darin umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Mehrzahl von Brennstoffzellensegmenten (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) mehr Brennstoffzellen (28, 52) aufweist als die restlichen Brennstoffzellensegmente (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602).
Brennstoffzellenstapel, umfassend: ein erstes Brennstoffzellensegment (12, 102, 202, 308) und ein zweites Brennstoffzellensegment (14, 104, 204, 332), die sequentiell angeordnet sind; eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (28, 52), die in dem ersten und zweiten Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Brennstoffzellen (28, 52) einen Anodendurchgang (36), einen Kathodendurchgang (26, 50) und eine dazwischen eingefügte Membranelektrodenanordnung aufweist, wobei der Anodendurchgang (36) und der Kathodendurchgang (26, 50) in einer unidirektionalen, schwerkraftunterstützten Strömungsausrichtung ausgerichtet sind; und einen Verteileraufbau (106, 206) zum Bereitstellen einer Fluidverbindung zwischen dem ersten Brennstoffzellensegment (12, 102, 202, 308) und dem zweiten Brennstoffzellensegment (14, 104, 204, 332), wobei der Verteileraufbau (106, 206) zwischen den Anoden- und Kathodendurchgängen (36 bzw. 26, 50) des ersten Brennstoffzellensegments (12, 102, 202, 308) und den Anoden- und Kathodendurchgängen (36 bzw. 26, 50) des zweiten Brennstoffzellensegments (14, 104, 204, 332) konfigurierbar ist, um eine gegenstromige Strömungsanordnung der Brennstoffzellen (28, 52) in dem Brennstoffzellenstapel oder eine parallele Strömungsanordnung der Brennstoffzellen (28, 52) in dem Brennstoffzellenstapel auszubilden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei jedes der Brennstoffzellensegmente ferner umfasst: eine Anodeneinlasskammer (34), die über einer Anodenauslasskammer (38, 46) angeordnet ist, wobei sowohl die Anodeneinlasskammer (34) als auch die Anodenauslasskammer (38, 46) mit den Anodendurchgängen (36) in Fluidverbindung stehen; und eine Kathodeneinlasskammer (24, 42), die über einer Kathodenauslasskammer (30) angeordnet ist, wobei sowohl die Kathodeneinlasskammer (24, 42) als auch die Kathodenauslasskammer (30) mit den Kathodendurchgängen (26, 50) in Fluidverbindung stehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei der Verteileraufbau ferner umfasst: ein aufwärtsgerichtet ausgerichtetes Anodenlieferrohr (402, 402'), das eine Fluidverbindung zwischen den Anodeneinlasskammern von sowohl dem ersten Segment (308) als auch dem zweiten Segment (332) bereitstellt; ein abwärtsgerichtet ausgerichtetes Anodenentladungsrohr (426), das eine Fluidverbindung zwischen den Anodenauslasskammern von sowohl dem ersten Segment (308) als auch dem zweiten Segment (332) bereitstellt; ein aufwärtsgerichtet ausgerichtetes Kathodenlieferrohr (302), das eine Fluidverbindung zwischen den Kathodeneinlasskammern von sowohl dem ersten Segment (308) als auch dem zweiten Segment (332) bereitstellt; und ein abwärtsgerichtet ausgerichtetes Kathodenentladungsrohr (326), das eine Fluidverbindung zwischen den Kathodenauslasskammern von sowohl dem ersten Segment (308) als auch dem zweiten Segment (332) bereitstellt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, ferner umfassend: eine Mehrzahl von Kühlmitteldurchgängen, die benachbart zu der Mehrzahl von Brennstoffzellen (28, 52) in den ersten und zweiten Segmenten angeordnet sind; jeweils eine Kühlmitteleinlasskammer, die in dem ersten und dem zweiten Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) und in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von Kühlmitteldurchgängen angeordnet ist; und jeweils eine Kühlmittelauslasskammer, die in dem ersten und dem zweiten Brennstoffzellensegment (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) und in Fluidverbindung mit der Mehrzahl von Kühlmitteldurchgängen angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, wobei der Verteileraufbau ferner umfasst: ein Kühlmittellieferrohr (214, 236, 500), das eine Fluidverbindung zwischen den Kühlmitteleinlasskammern der ersten und zweiten Brennstoffzellensegmente (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) bereitstellt; und ein Kühlmittelentladungsrohr (238, 512), das eine Fluidverbindung zwischen den Kühlmittelauslasskammern der ersten und zweiten Brennstoffzellensegmentsegmente (12, 14, 102, 202, 204, 308, 332, 602) bereitstellt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen Kathodeneinlass (20, 116, 208, 240, 306), der an dem ersten Brennstoffzellensegment (12, 102, 202, 308) in Fluidverbindung mit der Kathodeneinlasskammer (24, 42) des ersten Brennstoffzellensegments (12, 102, 202, 308) angeordnet ist; einen Anodeneinlass (126, 148, 220, 248, 406, 416), der an dem ersten Brennstoffzellensegment (12, 102, 202, 308) in Fluidverbindung mit der Anodeneinlasskammer (34) des ersten Brennstoffzellensegments (12, 102, 202, 308) angeordnet ist; wobei das erste Brennstoffzellensegment (12, 102, 202, 308) benachbart zu dem Kathodeneinlass (20, 116, 208, 240, 306) einen Kühlmitteleinlass (118, 132, 210, 506, 514) aufweist; und wobei der Verteileraufbau (106, 206) derart konfigurierbar ist, dass der Kühlmitteleinlass (506, 514), der Kathodeneinlass (306) und der Anodeneinlass (406, 416) eine parallele Strömungsanordnung der Kühlmitteldurchgänge relativ zu sowohl der Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) als auch der Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) der Brennstoffzellen (28, 52) des Brennstoffzellenstapels ausbilden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen Kathodeneinlass (116, 208), der an dem ersten Brennstoffzellensegment (102, 202) in Fluidverbindung mit der Kathodeneinlasskammer (24, 42) des ersten Brennstoffzellensegments (102, 202) angeordnet ist; einen Anodeneinlass (148, 248), der an dem zweiten Brennstoffzellensegment (104, 204) in Fluidverbindung mit der Anodeneinlasskammer (34) des zweiten Brennstoffzellensegments (104, 204) angeordnet ist; wobei das erste Brennstoffzellensegment (102, 202) benachbart zu dem Kathodeneinlass (106, 208) einen Kühlmitteleinlass (118, 210) aufweist; und wobei der Verteileraufbau (106, 206) derart konfigurierbar ist, dass der Kühlmitteleinlass (118, 210) und der Kathodeneinlass (116, 208) eine parallele Strömungsanordnung der Kühlmitteldurchgänge relativ zu der Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) des Brennstoffzellenstapels ausbilden und die Mehrzahl von Kathodendurchgängen (26, 50) eine gegenstromige Strömungsanordnung mit der Mehrzahl von Anodendurchgängen (36) ausbildet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei der Verteileraufbau ferner umfasst: ein Mehrfachdurchlassventil (412, 412'), das in dem Anodenlieferrohr (402) angeordnet ist, um die Anodeneinlasskammern (34) von sowohl dem ersten Segment (202, 308) als auch dem zweiten Segment (204, 332, 602) selektiv zu beliefern; ein Mehrfachdurchlassventil (312), das in dem Kathodenlieferrohr (302) angeordnet ist, um die Kathodeneinlasskammern (24, 42) von sowohl dem ersten Segment (202, 308) als auch dem zweiten Segment (204, 332, 602) selektiv zu beliefern; ein Mehrfachdurchlassventil (232), das in dem Kühlmittellieferrohr (234) angeordnet ist, um die Kühlmitteleinlasskammern und die Kühlmittelauslasskammern der ersten (202, 308) und zweiten Segmente (204, 332, 602) selektiv zu beliefern.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, ferner umfassend: einen Kathodeneinlass (116), der in Fluidverbindung mit der Kathodeneinlasskammer (24, 42) des ersten Segments an dem ersten Segment (102) angeordnet ist; einen Anodeneinlass (148), der in Fluidverbindung mit der Anodeneinlasskammer (34) des zweiten Segments an dem zweiten Segment (104) angeordnet ist; wobei das erste Segment (102) benachbart zu dem Kathodeneinlass (116) einen Kühlmitteleinlass (118) des ersten Segments aufweist; wobei das zweite Segment (104) benachbart zu dem Anodeneinlass (148) einen Kühlmitteleinlass (132) des zweiten Segments aufweist; und wobei der Kühlmitteleinlass (118) des ersten Segments und der Kühlmitteleinlass (132) des zweiten Segments einen parallelen Kühlmittelströmungspfad zwischen dem ersten Segment (102) und dem zweiten Segment (104) des Brennstoffzellenstapels ausbilden, und wobei die Kathodendurchgänge die gegenstromige Strömungsanordnung mit den Anodendurchgängen ausbilden.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 19, wobei der zweite Kühlmitteleinlass relativ zu dem Kathodendurchgang einen parallelen Kühlmittelpfad ausbildet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 19, wobei der zweite Kühlmitteleinlass relativ zu dem Anodendurchgang einen parallelen Kühlmittelpfad ausbildet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei sich eine Anzahl von Brennstoffzellen in jedem Segment zwischen aufeinander folgenden Segmenten von einem Einlassabschnitt des Stapels zu einem Auslassabschnitt des Stapels hin verringert.