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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere Brennstoffzellen-Stapelmodule mit gemeinsamen Endplatten.
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STAND DER TECHNIK
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Brennstoffzellen haben aufgrund ihrer hohen Energieumwandlungseffizienz und ihres geringen Schadstoffausstoßes eine breite Entwicklungsperspektive und werden in vielen Bereichen eingesetzt. So kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel, der aus mehreren Brennstoff-Einzelzellen und Endplatten auf beiden Seiten besteht, zum Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet werden. Nutzfahrzeuge und große PKWs benötigen mehr Leistung und damit mehr Stapelleistung, weshalb der Stapel mehr Einzelzellen enthalten muss. Bei Stapeln mit mehreren Einzelzellen ist es jedoch schwierig, eine gleichmäßige Klemmkraft aufrechtzuerhalten, und sie sind schwer abzudichten, um ein Auslaufen zu vermeiden. Daher ist es derzeit gängige Praxis, einen größeren Stapel in mehrere kleinere Stapel zu unterteilen, was in der Regel zu einer Verringerung der Leistungsdichte des Stapels führt.
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Darüber hinaus sind bei der derzeitigen Konfiguration von Brennstoffzellenstapeln die Komponenten wie Pumpen zum Befördern von Brennstoff, Oxidationsmittel, Kühlmittel usw. sowie Ventile zur Regulierung des Durchflusses in der Regel an der Außenseite der Brennstoffzellenstapel angebracht, was zusätzliches Volumen beansprucht, was wiederum zu einer Verringerung der Leistungsdichte der Brennstoffzellenstapel führt. Da außerdem bei derzeitigen Brennstoffzellenstapeln der Kanal für die Kathodenabgasrückführung (EGR, exhaust gas recirculation) zu lang ist, erfährt das Kathodenabgas einen starken Temperaturabfall, wenn es durch den Kanal strömt, was dazu führt, dass der darin enthaltene Wasserdampf kondensiert und den Kanal blockiert, wodurch der reibungslose Betrieb der Abgasrückführung beeinträchtigt wird.
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Daher besteht in diesem Bereich ein Bedarf für einen Brennstoffzellenstapel, der die oben genannten Probleme lösen kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung hat das Ziel, ein Brennstoffzellen-Stapelmodul bereitzustellen, um zumindest einige der oben genannten Probleme zu lösen.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein Brennstoffzellen-Stapelmodul vor, das Folgendes umfasst: mindestens eine gemeinsame Endplatte; und mindestens zwei Brennstoffzellenstapel, wobei die mindestens zwei Brennstoffzellenstapel so angeordnet sind, dass sie sich die mindestens eine gemeinsame Endplatte teilen, wobei jeder der mindestens zwei Brennstoffzellenstapel einzeln eingespannt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die mindestens zwei Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen in einer Reihenfolge von links nach rechts angeordnet, und zwischen jeweils zwei benachbarten Brennstoffzellenstapeln sind die gemeinsamen Endplatten vorgesehen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Brennstoffzellen-Stapelmodul ferner eine erste äußere Endplatte und eine zweite äußere Endplatte, und die mindestens zwei Brennstoffzellenstapel umfassen einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen zweiten Brennstoffzellenstapel, wobei der erste Brennstoffzellenstapel zwischen der ersten äußeren Endplatte und einer gemeinsamen Endplatte eingespannt ist, und der zweite Brennstoffzellenstapel zwischen der zweiten äußeren Endplatte und einer gemeinsamen Endplatte eingespannt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die mindestens zwei Brennstoffzellenstapel ringförmig angeordnet, und die gemeinsamen Endplatten sind zwischen jeweils zwei benachbarten Brennstoffzellenstapel vorgesehen, wobei jeder der mindestens zwei Brennstoffzellenstapel zwischen den gemeinsamen Endplatten auf beiden Seiten davon eingespannt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die mindestens eine gemeinsame Endplatte eine Abmessung in der Längsrichtung auf, die größer ist als eine Abmessung in der Längsrichtung der mindestens zwei Brennstoffzellenstapel, so dass eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln in der Längsrichtung auf irgendeiner Seite der gemeinsamen Endplatte angeordnet ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine gemeinsame Endplatte in Form eines Prismas ausgeführt und weist auf mindestens zwei der mehreren Seiten der mindestens einen gemeinsamen Endplatte die genannten Brennstoffzellenstapel auf.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst jeder der mindestens zwei Brennstoffzellenstapel die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Brennstoff-Einzelzellen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist in jeder der mindestens einen gemeinsamen Endplatte eine Vielzahl von Einlässen, Kanälen und Auslässen vorgesehen, wobei der Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel über die verschiedenen Einlässe und Kanäle in die jeweiligen Brennstoffzellenstapel und über die verschiedenen Auslässe aus der gemeinsamen Endplatte strömen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist in jeder der mindestens einen gemeinsamen Endplatte außerdem ein Temperatursensor, ein Sensor für die relative Feuchtigkeit, ein Drucksensor und ein Konzentrationssensor zur Messung der Betriebsparameter des Brennstoffs, des Oxidationsmittels und des Kühlmittels vorgesehen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfassen die Kanäle jeweils die Kanäle für die Kathodenabgasrückführung, und die Kanäle für Kathodenabgasrückführung sind jeweils mit einer Abgasrückführungspumpe versehen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vielzahl von Einlässen und Auslässen einen Oxidationsmittel-Einlass und einen Oxidationsmittel-Auslass, wobei das Oxidationsmittel über den Oxidationsmittel-Einlass in die gemeinsame Endplatte strömt und in zwei Teile geteilt wird, wobei der erste Teil des Oxidationsmittels in einen ersten Brennstoffzellenstapel auf einer ersten Seite der gemeinsamen Endplatte strömt und der zweite Teil des Oxidationsmittels in einen zweiten Brennstoffzellenstapel auf einer zweiten Seite der gemeinsamen Endplatte strömt, wobei das durch die Reaktion erzeugte Kathodenabgas konvergiert und zu einem Oxidationsmittel-Auslass der gemeinsamen Endplatte zurückströmt, wobei ein Teil des Kathodenabgases unter der Wirkung der Abgasrückführungspumpe in den Kanal für Kathodenabgasrückführung strömt und ein anderer Teil des Kathodenabgases über den Oxidationsmittel-Auslass aus der gemeinsamen Endplatte abgeführt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die gemeinsame Endplatte mit einem ersten Umlenkventil zur Einstellung des Verhältnisses zwischen dem ersten Teil des Oxidationsmittels und dem zweiten Teil des Oxidationsmittels versehen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vielzahl von Einlässen und Auslässen einen Oxidationsmittel-Einlass und einen Oxidationsmittel-Auslass, wobei das Oxidationsmittel über den Oxidationsmittel-Einlass in die gemeinsame Endplatte strömt und in zwei Teile geteilt wird, wobei der erste Teil des Oxidationsmittels in einen ersten Brennstoffzellenstapel auf einer ersten Seite der gemeinsamen Endplatte strömt, wobei sich das durch die Reaktion erzeugte Kathodenabgas und der zweite Teil des Oxidationsmittels in einen zweiten Brennstoffzellenstapel auf einer zweiten Seite der gemeinsamen Endplatte strömt, wobei das durch die Reaktion erzeugte Kathodenabgas konvergiert und zu einem Oxidationsmittel-Auslass der gemeinsamen Endplatte zurückströmt, wobei ein Teil des Kathodenabgases unter der Wirkung der Abgasrückführungspumpe in den Kanal für die Kathodenabgasrückführung strömt und ein anderer Teil des Kathodenabgases über den Oxidationsmittel-Auslass aus der gemeinsamen Endplatte abgeführt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die gemeinsame Endplatte mit einem zweiten Umlenkventil zur Einstellung des Verhältnisses zwischen dem ersten Teil des Oxidationsmittels und dem zweiten Teil des Oxidationsmittels versehen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfassen der erste Brennstoffzellenstapel und der zweite Brennstoffzellenstapel die gleiche Anzahl von Brennstoff-Einzelzellen und das Verhältnis zwischen dem ersten Teil des Oxidationsmittels und dem zweiten Teil des Oxidationsmittels ist größer als 1:1.
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Das Brennstoffzellen-Stapelmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in der Lage, mehr Einzelzellen auf begrenztem Raum zu integrieren und somit eine höhere Leistungsdichte zu erzielen, während gleichzeitig eine gleichmäßige Klemmkraft und eine wirksame Abdichtung innerhalb der einzelnen Brennstoffzellenstapel aufrechterhalten wird, wodurch Leckagen verhindert werden. Darüber hinaus sind verschiedene Sensoren und Aktoren (Ventile, Pumpen usw.) in die gemeinsamen Endplatten des Brennstoffzellen-Stapelmoduls integriert, wodurch der Aufbau des Brennstoffzellen-Stapelmoduls vereinfacht und Volumen eingespart wird, was die Leistungsdichte zusätzlich erhöht. Schließlich wurde der Kanal für die Kathodenabgasrückführung, der in der gemeinsamen Endplatte vorgesehen ist, stark verkürzt, wodurch eine Verstopfung des Kanals durch Wasserdampfkondensation im Kathodenabgas vermieden wird.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Figuren zu der Beschreibung sollen ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung ermöglichen, wobei gilt:
- 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellen-Stapelmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt schematisch einen Strömungskanal für Oxidationsmittel eines Brennstoffzellen-Stapelmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
- 3 zeigt schematisch einen Strömungskanal für Oxidationsmittel eines Brennstoffzellen-Stapelmoduls gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass die konkreten Ausführungsbeispiele nur dazu dienen, ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, und keine Einschränkung der vorliegenden Offenbarung darstellen sollen. Dementsprechend sind die folgenden Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft, und der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung wird nur durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellen-Stapelmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellen-Stapelmodul Folgendes: zwei Brennstoffzellenstapel, nämlich einen ersten Brennstoffzellenstapel 11 und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 12; eine gemeinsame Endplatte 2, die zwischenliegend zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 11 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 12 angeordnet ist; und eine erste äußere Endplatte 31 und eine zweite äußere Endplatte 32, die jeweils an der Außenseite des ersten Brennstoffzellenstapels 11 und an der Außenseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet sind.
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Der erste Brennstoffzellenstapel 11 und der zweite Brennstoffzellenstapel 12 bestehen jeweils aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle in der Lage ist, unabhängig eine chemische Reaktion zur Erzeugung von elektrischer Energie durchzuführen, um dadurch eine größere Menge an Leistung durch die Vielzahl von Einzelzellen bereitzustellen. Um nicht unnötig vom Schwerpunkt der vorliegenden Offenbarung abzulenken, wird der spezifische Aufbau der Brennstoff-Einzelzellen hier nicht im Detail beschrieben. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass die Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Offenbarung eine beliebige geeignete Brennstoffzelle sein kann, wie z. B. eine Hydroxid-Brennstoffzelle.
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Die gemeinsamen Endplatten 2 können die Brennstoffzellenstapel auf beiden Seiten stützen und sind außerdem mit einer Vielzahl von Fluideinlässen, -kanälen und - auslässen versehen (die unten in Verbindung mit 2 und 3 detailliert beschrieben werden), wobei die Fluide, wie z. B. Brennstoffe, Oxidationsmittel und Kühlmittel, über die verschiedenen Einlässe und Kanäle in die einzelnen Brennstoffzellenstapel fließen können, um in die einzelnen Einzelzellen einzufließen und dort eine chemische Reaktion durchzuführen oder die einzelnen Einzelzellen zu kühlen und anschließend über verschiedene Auslässe ausströmen. Die weißen Pfeile in 1 veranschaulichen schematisch den Strömungsweg des Oxidationsmittels im Brennstoffzellen-Stapelmodul.
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Eine Vielzahl von Einzelzellen des ersten Brennstoffzellenstapels 11 ist zwischen der ersten äußeren Endplatte 31 und der gemeinsamen Endplatte 2 mit Hilfe von Befestigungsmitteln wie Schrauben eingespannt, und eine Vielzahl von Einzelzellen des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 ist zwischen der zweiten äußeren Endplatte 32 und der gemeinsamen Endplatte 2 mit Hilfe von Befestigungsmitteln wie Schrauben eingespannt. Die schwarzen Pfeile in 1 zeigen schematisch die Wirkungsrichtung der Klemmkräfte, die auf die jeweiligen Brennstoffzellenstapel wirken.
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Mit Hilfe des obigen Aufbaus ist das Brennstoffzellen-Stapelmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Lage, mehr Einzelzellen auf begrenztem Raum zu integrieren und somit eine höhere Leistungsdichte zu erzielen. Da der erste Brennstoffzellenstapel 11 und der zweite Brennstoffzellenstapel 12 einzeln zwischen den Endplatten (der gemeinsamen Endplatte 2 und den äußeren Endplatten 31, 32) auf beiden Seiten eingespannt sind, anstatt wie beim Stand der Technik als Ganzes eingespannt zu werden, werden eine gleichmäßige Klemmkraft und eine wirksame Abdichtung innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellenstapel gewährleistet, wodurch Leckagen verhindert werden.
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Die Brennstoffzellen-Stapelmodule gemäß der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf den obigen Aufbau beschränkt und können mehr als zwei Brennstoffzellenstapel und/oder mehr als eine gemeinsame Endplatte aufweisen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Offenbarung kann das Brennstoffzellen-Stapelmodul eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapel umfassen, die im Wesentlichen in einer Reihenfolge von links nach rechts angeordnet sind (wobei es sich um eine lineare Querrichtung, wie durch das X in 1 dargestellt, oder um eine andere geeignete nichtlineare Richtung handeln kann), und zwischen je zwei benachbarten Brennstoffzellenstapeln ist eine gemeinsame Endplatte 2 vorgesehen. Alternativ kann das Brennstoffzellen-Stapelmodul eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln umfassen, die ringförmig angeordnet sind, wobei zwischen je zwei benachbarten Brennstoffzellenstapeln eine gemeinsame Endplatte 2 vorgesehen ist. In diesem Fall weist das gesamte Brennstoffzellen-Stapelmodul die Form eines Rings mit verbundenem Anfang und Ende auf, so dass die erste äußere Endplatte 31 und die zweite äußere Endplatte 32 nicht enthalten sein müssen, und jeder Brennstoffzellenstapel kann einzeln zwischen den gemeinsamen Endplatten 2 auf beiden Seiten davon eingespannt werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die gemeinsame Endplatte 2 eine Abmessung in Längsrichtung (wie durch das Y in 1 dargestellt) aufweisen, die größer ist als die Abmessungen des ersten Brennstoffzellenstapels 11 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 in Längsrichtung. Beispielsweise kann die Abmessung der gemeinsamen Endplatte 2 in Längsrichtung doppelt so groß sein wie die Abmessungen des ersten Brennstoffzellenstapels 11 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 in Längsrichtung, wodurch es möglich ist, zwei Brennstoffzellenstapel auf jeder Seite der gemeinsamen Endplatte 2 entlang der Längsrichtung anzuordnen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die gemeinsame Endplatte 2 in Form eines Prismas ausgeführt sein, wobei auf mindestens zwei der mehreren Seiten des Prismas ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Die gemeinsame Endplatte kann beispielsweise die Form eines sechseckigen Prismas aufweisen und auf mindestens zwei ihrer sechs Seiten mit einem Brennstoffzellenstapel versehen sein. Mindestens zwei der sechs Seiten können nebeneinander, gegenüberliegend oder voneinander beabstandet angeordnet sein. So kann beispielsweise auf jeder der sechs Seiten des sechseckigen Prismas ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein, oder es kann eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln auf jeder der sechs Seiten in Längsrichtung vorgesehen sein, so dass sich alle Brennstoffzellenstapel eine gemeinsame Endplatte in der Mitte teilen.
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Mit Hilfe der oben beschriebenen verschiedenen Aufbauten ist das Brennstoffzellen-Stapelmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Lage, mehr Einzelzellen auf begrenztem Raum zu integrieren und somit eine höhere Leistungsdichte zu erzielen. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass das Brennstoffzellen-Stapelmodul gemäß der vorliegenden Offenbarung auch jeden anderen geeigneten Aufbau aufweisen kann.
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Darüber hinaus kann in den oben beschriebenen unterschiedlichen Aufbauten die Anzahl der Einzelzellen, die in den einzelnen Brennstoffzellenstapeln des Brennstoffzellen-Stapelmoduls enthalten sind, je nach spezifischer Anwendung gleich oder unterschiedlich sein.
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Ein Temperatursensor, ein Sensor für die relative Luftfeuchtigkeit, ein Drucksensor, ein Konzentrationssensor (in den Figuren nicht dargestellt) und dergleichen können ebenfalls in der gemeinsamen Endplatte 2 vorgesehen sein, so dass die Temperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, der Druck, die Konzentration und dergleichen des durch den Strömungskanal strömenden Fluids auf der Grundlage der Messergebnisse der genannten Sensoren angepasst werden können, um so die Leistung des Brennstoffzellen-Stapelmoduls zu optimieren. Die spezifischen Einbauorte der Sensoren können auf der Grundlage der Parameter, die sie messen sollen, festgelegt werden.
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Darüber hinaus ist in der gemeinsamen Endplatte 2 ein Kanal für die Kathodenabgasrückführung vorgesehen, wobei in diesem Kanal für die Kathodenabgasrückführung eine Abgasrückführungspumpe vorgesehen ist, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 und 3 näher beschrieben wird. Auf diese Weise kann ein Teil des Kathodenabgases unter der Wirkung der Abgasrückführungspumpe über den Kanal für Kathodenabgasrückführung zur chemischen Reaktion in den Brennstoffzellenstapel zurückströmen. Dadurch verkürzt sich die Länge des Kanals für die Kathodenabgasrückführung im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau, bei dem der Kanal für die Kathodenabgasrückführung außerhalb der Endplatte vorgesehen ist, wodurch somit verhindert wird, dass der Wasserdampf im Kathodenabgas kondensiert und zu einer Verstopfung des Kanals führt. Da der Kanal für die Kathodenabgasrückführung in der gemeinsamen Endplatte 2 vorgesehen ist, wird zusätzlich durch die Wärme, die durch die Reaktion des Brennstoffzellenstapels in der Nähe der gemeinsamen Endplatte 2 erzeugt wird, die Kondensation des Wasserdampfs verhindert.
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2 zeigt schematisch einen Strömungskanal für Oxidationsmittel eines Brennstoffzellen-Stapelmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und 3 zeigt schematisch einen Strömungskanal für Oxidationsmittel eines Brennstoffzellen-Stapelmoduls gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Bei einer Hydroxid-Brennstoffzelle ist das Oxidationsmittel typischerweise Druckluft, die von einem Luftkompressor komprimiert wird.
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Wie in 2 dargestellt, ist die gemeinsame Endplatte 2 an beiden Enden jeweils mit einem Oxidationsmittel-Einlass 4 und einem Oxidationsmittel-Auslass 6 und im Inneren mit einem Kanal 21 für die Kathodenabgasrückführung versehen. Dieser Kanal 21 für die Kathodenabgasrückführung umfasst einen Kanaleinlass 21 a und einen Kanalauslass 21 b, wobei eine Abgasrückführungspumpe 22 in dem Kanal vorgesehen ist. Der Kanaleinlass 21 a steht in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittel-Auslass 6 der gemeinsamen Endplatte 2, und der Kanalauslass 21b steht in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittel-Einlass 4 der gemeinsamen Endplatte 2. Frische Druckluft strömt über den Oxidationsmittel-Einlass 4 in die gemeinsame Endplatte 2 und teilt sich auf, wobei ein erster Teil in den ersten Brennstoffzellenstapel 11 und ein zweiter Teil in den zweiten Brennstoffzellenstapel 12 strömt, um eine chemische Reaktion durchzuführen, wobei das durch die Reaktion erzeugte Kathodenabgas konvergiert und zum Oxidationsmittel-Auslass 6 der gemeinsamen Endplatte zurückströmt. Ein Teil des Kathodenabgases wird über den Oxidationsmittel-Auslass 6 aus der gemeinsamen Endplatte 2 abgeführt, und ein anderer Teil des Kathodenabgases strömt unter der Wirkung der Abgasrückführungspumpe 22 in den Kanal 21 für Kathodenabgasrückführung und fließt dann zum Kanalauslass 21 b, um die Kathodenabgasrückführung durchzuführen. Da dieser Kanalauslass 21b mit dem Oxidationsmittel-Einlass 4 der gemeinsamen Endplatte 2 in Fluidverbindung steht, kann dieser Teil des Abgases zusammen mit frischer Druckluft wieder in die einzelnen Brennstoffzellenstapel einströmen und dort chemische Reaktionen durchführen. Auf diese Weise kann der Restsauerstoff im Kathodenabgas effektiv genutzt werden. Da das Kathodenabgas in der Regel einen hohen Anteil an Wasserdampf enthält, ist es außerdem möglich, die über den Oxidationsmittel-Einlass 4 einströmende frische Druckluft zu befeuchten, was den Bedarf an einem zusätzlichen Befeuchter verringern oder einen Befeuchter sogar ganz überflüssig machen kann.
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Die gemeinsame Endplatte 2 kann auch mit einem ersten Umlenkventil 5 am Oxidationsmittel-Einlass 4 versehen sein, wobei das Verhältnis zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil der Druckluft durch Steuerung des ersten Umlenkventils 5 an die tatsächlichen Nutzungsanforderungen angepasst werden kann. Wenn beispielsweise die Anzahl der in dem ersten Brennstoffzellenstapel 11 enthaltenen Einzelzellen größer ist als die Anzahl der in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 12 enthaltenen Einzelzellen, kann das erste Umlenkventil 5 so gesteuert werden, dass das Verhältnis zwischen dem ersten Anteil und dem zweiten Anteil der Druckluft im gleichen oder ähnlichen Verhältnis zu dem Verhältnis der Anzahl der in dem Brennstoffzellenstapel enthaltenen Einzelzellen steht, damit die einzelnen Einzelzellen eine im Wesentlichen gleichmäßige Oxidationsmittelversorgung erhalten können. Auch wenn der erste Brennstoffzellenstapel 11 und der zweite Brennstoffzellenstapel 12 die gleiche Anzahl von Einzelzellen enthalten, ist es möglich, das erste Umlenkventil 5 so zu steuern, dass die Druckluftmenge im ersten und im zweiten Teil unterschiedlich verteilt ist, so dass der erste Brennstoffzellenstapel 11 und der zweite Brennstoffzellenstapel 12 unterschiedliche elektrische Leistung liefern.
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Der Strömungskanal für das Oxidationsmittel des in 3 dargestellten Brennstoffzellen-Stapelmoduls wird im Folgenden näher beschrieben. Wie in 3 dargestellt, ist die gemeinsame Endplatte 2 am selben Ende mit einem Oxidationsmittel-Einlass 4' und einem Oxidationsmittel-Auslass 6' und im Inneren mit einem Kanal 21' für die Kathodenabgasrückführung versehen. Dieser Kanal 21' für die Kathodenabgasrückführung umfasst einen Kanaleinlass 21a' und einen Kanalauslass 21b', wobei eine Abgasrückführungspumpe 22' in dem Kanal vorgesehen ist. Der Kanaleinlass 21a' steht in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittel-Auslass 6' der gemeinsamen Endplatte 2, und der Kanalauslass 21b' steht in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittel-Einlass 4' der gemeinsamen Endplatte 2. Frische Druckluft strömt über den Oxidationsmittel-Einlass 4' in die gemeinsame Endplatte 2 und teilt sich in zwei Teile auf, wobei der erste Teil in den ersten Brennstoffzellenstapel 11 strömt, um eine chemische Reaktion durchzuführen, wobei das durch die Reaktion erzeugte Kathodenabgas konvergiert und aus dem ersten Brennstoffzellenstapel 11 strömt und sich mit dem zweiten Teil der frischen Druckluft vermischt, um dann gemeinsam in den zweiten Brennstoffzellenstapel 12 zu strömen und dort eine chemische Reaktion durchzuführen. Der zweite Teil der frischen Druckluft kann dafür sorgen, dass die Konzentration der in den zweiten Brennstoffzellenstapel 12 strömenden Luft dem Bedarf entspricht. Das durch die Reaktion im zweiten Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte Kathodenabgas konvergiert und strömt dann zum Oxidationsmittel-Auslass 6' der gemeinsamen Endplatte 2, wobei ein Teil des Kathodenabgases über den Oxidationsmittel-Auslass 6' aus der gemeinsamen Endplatte 2 abgeführt wird und ein anderer Teil des Kathodenabgases unter der Wirkung der Abgasrückführungspumpe 22' in den Kanal 21' für die Kathodenabgasrückführung strömt und zum Kanalauslass 21b' fließt. Da dieser Kanalauslass 21b' mit dem Oxidationsmittel-Einlass 4' der gemeinsamen Endplatte 2 in Fluidverbindung steht, kann dieser Teil des Kathodenabgases zusammen mit frischer Druckluft wieder in die Einzelzellen des ersten Brennstoffzellenstapels 11 einströmen und dort chemische Reaktionen durchführen. Der Aufbau des in 3 gezeigten Strömungskanals für das Oxidationsmittel ermöglicht eine ähnliche Wirkung wie die des in 2 gezeigten Strömungskanals für das Oxidationsmittel. Da das durch die Reaktion innerhalb des ersten Brennstoffzellenstapels 11 erzeugte Kathodenabgas außerdem eine bestimmte Menge an Wasserdampf enthält, kann es beim Vermischen mit dem zweiten Teil der frischen Druckluft den zweiten Teil der frischen Druckluft befeuchten, was die Leistung des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 verbessern und zugleich den Bedarf an zusätzlichen Befeuchtern verringern kann.
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Die gemeinsame Endplatte 2 kann auch mit einem zweiten Umlenkventil 7 am Oxidationsmittel-Einlass 4' versehen sein, wobei das Verhältnis zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil der Druckluft durch Steuerung des zweiten Umlenkventils 7 an die tatsächlichen Nutzungsanforderungen angepasst werden kann. Wenn beispielsweise die Anzahl der in dem ersten Brennstoffzellenstapel 11 enthaltenen Einzelzellen größer ist als die Anzahl der in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 12 enthaltenen Einzelzellen, kann das zweite Umlenkventil 7 so gesteuert werden, dass das Verhältnis zwischen dem ersten Anteil und dem zweiten Anteil der Druckluft größer als 1:1 ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckluftversorgung der einzelnen Einzelzellen im ersten Brennstoffzellenstapel 11 und im zweiten Brennstoffzellenstapel 12 zu erreichen.
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Für den Fall, dass die gemeinsame Endplatte 2 mit dem zweiten Umlenkventil 7 am Oxidationsmittel-Einlass 4' versehen ist und die vom Oxidationsmittel-Einlass 4' strömende Druckluft über den ersten Auslass und den zweiten Auslass des zweiten Umlenkventils 7 in den ersten Teil und den zweiten Teil aufgeteilt wird, kann der Kanalauslass 21b' des Kanals 21' für die Kathodenabgasrückführung 21 direkt mit dem ersten Auslass des zweiten Umlenkventils 7 in Fluidverbindung stehen, so dass das aus dem Kanalauslass 21b' strömende Kathodenabgas direkt mit der Druckluft des ersten Teils vermischt wird, um nur die Druckluft des ersten Teils zu befeuchten.
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In den Ausführungsbeispielen, die in 2 und 3 dargestellt sind, sind die Kanäle 21 und 21' für die Kathodenabgasrückführung, das erste Umlenkventil 5 und das zweite Umlenkventil 7 sowie die Pumpen 22 und 22' in der gemeinsamen Endplatte 2 angeordnet, was den Aufbau des gesamten Brennstoffzellen-Stapelmoduls vereinfacht, Volumen einspart und dadurch die Leistungsdichte des Brennstoffzellen-Stapelmoduls erhöht. Darüber hinaus sind in 2 und 3 nur die Strömungskanäle für das Oxidationsmittel des Brennstoffzellen-Stapelmoduls dargestellt, und Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass das Brennstoffzellen-Stapelmodul auch mit Kanälen für Fluide wie z. B. Brennstoff und Kühlmittel versehen ist, die über verschiedene Einlässe an der gemeinsamen Endplatte 2 in die Brennstoffkanäle und Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellen-Stapelmoduls einfließen und über verschiedene Auslässe an der gemeinsamen Endplatte 2 ausströmen können.
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Das in 2 gezeigte erste Umlenkventil 5 und das in 3 gezeigte zweite Umlenkventil 7 können elektrisch gesteuerte Ventile sein, die eine elektrische Steuerung in Echtzeit nach Bedarf für den tatsächlichen Gebrauch ermöglichen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe „erste/r/s“ oder „zweite/r/s“ usw. in der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Offenbarung nur zur Unterscheidung zwischen ähnlichen Objekten verwendet werden und nicht dazu dienen, eine bestimmte Reihenfolge oder Abfolge zu definieren. Es versteht sich, dass die mit „erste/r/s“ oder „zweite/r/s“ usw. bezeichneten Objekte in geeigneten Fällen austauschbar sein können.
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Obwohl konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung oben offengelegt sind, ist es für Fachleute auf dem Gebiet verständlich, dass verschiedene Modifikationen, Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher ist der Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht auf die oben genannten konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern wird nur durch die beigefügten Ansprüche definiert.
