DE19747596C1 - Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen eines Brennstoffstapels.

Brennstoffzellen, wie zum Beispiel Membranbrennstoffzellen (PEFC) oder alkalische Brennstoffzellen (AFC) sind üblicherweise modular aufgebaut. Dies bedeutet, daß mehrere Brennstoffzellen aufeinander gestapelt und elektrisch seriell verbunden sind, um die verfügbare Spannung zu erhöhen. Durch den Stapel und jede Einzelzelle fließt der gleiche Strom und man erhält etwa gleiche Einzelspannungen. In der Regel werden die Einzelzellen oder zumindest Gruppen von Ein­ zelzellen gastechnisch parallel geschaltet und durch Gaszuführungslei­ tungen mit den Brenngasen Wasserstoff und Sauerstoff beziehungs­ weise Luft versorgt. Die Gas- und Wasserabführung erfolgt über Gasab­ führungsleitungen. Sowohl die Gaszuführungsleitungen als auch die Gasabführungsleitungen sind groß dimensioniert und werden auch als Hauptkanäle bezeichnet.

Es werden üblicherweise entweder alle Zellen parallel mit Frischgas versorgt und entsprechend auch die Überschußmengen parallel abge­ zogen oder es wird eine Kaskadierung in einem Stapel ausgebildet. Dabei bestehen die Stapel aus mehreren innerhalb des Gesamtstapels in Reihe geschalteten Teilstapeln. In diesem Fall werden nicht alle Einzelzellen des Brennstoffstapels parallel mit Gas versorgt, sondern nur die Zellen eines Teilstapels werden parallel mit Gas versorgt. Das ab geführte Gas des ersten Teilstapels wird hierbei als Brenngas dem nächsten Teilstapel zugeführt. Das von diesem ab geführte Gas wird dem darauf folgenden Teilstapel als Brenngas zugeführt und so weiter. Normalerweise verringert sich die Zahl der Einzelzellen pro folgen­ dem Teilstapel immer um den Faktor zwei. Bei einem Stapel von ins­ gesamt 31 Zellen ergibt sich demnach die folgende Kaskadierung in Teilstapel: 16, 8, 4, 2, 1.

Bei beiden genannten Verschaltungsarten ist eine gleichmäßige Ver­ sorgung aller jeweils parallel geschalteten Einzelzellen mit den Reak­ tanden (Gasen) problematisch. Problematisch ist weiterhin ein gleich­ mäßiges "paralleles Abziehen" der Überschußmengen beziehungs­ weise ein "paralleles Spülen". Auf der Kathodenseite wird beispiels­ weise Produktwasser sowohl in der Gasphase (Dampf) als auch in der Flüssigphase (Tropfen) ausgetragen. Dabei kann durch Tröpfchen in den Auslaßkanälen der Gasaustrag aus einzelnen Zellen erschwert werden. Bei einer Spülung des Stapels durch erhöhten Gasdurchfluß werden diejenigen Zellen mit dem geringsten Strömungswiderstand bevorzugt durchströmt. Das heißt, gerade diejenigen Zellen, die durch Tröpfchen am Auslaßkanal "verstopft" sind, werden nicht bei der Spü­ lung durchspült.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen ergeben sich für jede Zelle wei­ terhin unterschiedliche Strömungswiderstände, die zu einem un­ gleichmäßigen Durchströmen der einzelnen Zellen führen. Dies ist insbesondere bei einem Betrieb mit Luft als Oxidationsmittel proble­ matisch, da hier wegen des Stickstoff-Austrags immer mit Gasüber­ schuß gearbeitet werden muß. Üblicherweise führt bei einer Zelle eine Unterversorgung mit Frischgas oder eine schlechte Spülung zu einer drastischen Spannungsverschlechterung. Dies bedeutet einerseits einen verringerten Wirkungsgrad dieser Zelle. Andererseits kann dies zu häufigen Notabschaltungen der gesamten Brennstoffzelle führen, da stets die Einzelzellen-Spannungen überwacht werden und ein Ab­ sinken von Spannungen schnell erfaßt bzw. detektiert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleich­ mäßige Gasversorgung der Einzelzellen in einem Brennstoffstapel zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung soll außerdem eine Möglich­ keit schaffen, Einzelzellen separat und selektiv zu spülen.

Aus der DE 29 47 288 A1 ist eine Vorrichtung zum Speisen von Kammer eines Blocks einer Brennstoffbatterie bekannt. Bei dieser vorbekannten Vorrichtung ist jeder Zufuhrleitung zu einer Brennstoffkammer ein Ventil vorgesehen, welches translatorisch in Bezug auf die Zufuhrleitung zu öffnen oder zu schließen. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Ventils läßt sich dieses nicht platzsparend verwirklichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen eines Brenn­ stoffzellenstapels geschaffen, die einen Hauptkanal zum Zu- oder Ab­ leiten von Betriebsmitteln und/oder Reaktionsprodukten sowie min­ destens einen Nebenkanal aufweist. Über den Nebenkanal ist minde­ stens eine Brennstoffzelle mit dem Hauptkanal verbunden. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein stellbares Element auf, das mindestens eine Bohrung aufweist, über die ein Strömungsdurch­ laß zwischen dem Haupt- und dem Nebenkanal zum selektiven Spü­ len der entsprechenden Einzelzelle gebildet werden kann.

Durch Stellen des stellbaren Elementes ist es somit beispielsweise mög­ lich, mehrere Nebenkanäle gegenüber dem Hauptkanal zu verschlie­ ßen und durch entsprechende Positionierung der Bohrung zwischen einem Nebenkanal und einem Hauptkanal eine selektive Durchströ­ mung der entsprechenden Brennstoffzelle zu ermöglichen. Eine einfa­ che Form des erfindungsgemäßen stellbaren Elementes wird bei­ spielsweise durch einen Schieber gebildet, der beim Betrieb der Brenn­ stoffzelle zum gleichmäßigen Durchströmen sämtlicher Zellen in eine Lage gestellt wird, in der die Nebenkanäle zu sämtlichen Einzelzellen mit dem Hauptkanal verbunden sind. Ein selektives Durchströmen einzelner Zellen kann durch die Positionierung entsprechender, in dem stellbaren Element ausgebildeter Bohrungen erzielt werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das stellbare Element in Längsrichtung des Hauptkanales ver­ stellbar sein. In diesem Fall wird das stellbare Element in der Regel eine Vielzahl von in Verstellrichtung hintereinander angeordneter Bohrungen aufweisen, die nach einem speziellen Raster zueinander angeordnet sind. Dieses Raster ist derart ausgebildet, daß eine Einzel­ zelle oder mehrere Einzelzellen sowie Teilstapel eines Brennstoffzel­ lenstapels über ihre Nebenkanäle mit dem Hauptkanal verbunden werden können, wohingegen andere Einzelzellen beziehungsweise Teilstapel bei der entsprechenden Lage des stellbaren Elementes von dem Hauptkanal abgeschnitten sind. Dabei kann das stellbare Element eine Stellung aufweisen, bei der sämtliche Nebenkanäle zu den Ein­ zelzellen über an dem stellbaren Element ausgebildete Bohrungen mit dem Hauptkanal in Verbindung stehen. Alternativ ist es möglich, das stellbare Element entlang des Hauptkanals soweit zu verschieben, daß sämtliche Nebenkanäle zu den Einzelzellen mit dem Hauptkanal ver­ bunden sind, d. h., daß sich das Stellelement nicht mehr zwischen ei­ nem Nebenkanal und dem Hauptkanal befindet.

Sofern das stellbare Element quer zur Längsrichtung des Hauptkanales verstellbar ist, kann das separate, beziehungsweise selektive Durch­ strömen von Einzelzellen, beziehungsweise Teilstapeln bei einem ge­ ringen Stellweg des stellbaren Elementes erzielt werden. Selbstver­ ständlich kann das stellbare Element auch sowohl in Längsrichtung des Hauptkanals als auch quer zu dieser Richtung verstellbar sein. Hierdurch ist es möglich, eine Vielzahl von Durchströmungskombi­ nationen von Einzelzellen, beziehungsweise Teilstapeln bei einem ge­ ringen Stellweg des stellbaren Elementes zu bewirken.

Das stellbare Element kann dichtend an einer das verstellbare Element aufnehmenden Ausnehmung anliegen. Diese Ausnehmung kann in dem Brennstoffzellenstapel selbst ausgebildet sein. Dadurch ist eine kompakte Bauweise geschaffen, bei der die Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen integral mit dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist.

Alternativ kann die Dichtung zwischen dem stellbaren Element und der das stellbare Element aufnehmenden Ausnehmung auch durch einen Wulst gebildet sein, der dichtend zwischen der Ausnehmung und dem stellbaren Element anliegt. Sofern mehrere voneinander in Längsrichtung des Hauptkanals beabstandete Wulste ausgebildet sind, wird verhindert, daß in Längsrichtung voneinander beabstandet ange­ ordnete Nebenkanäle über die Ausnehmung kommunizieren. Da­ durch wird sichergestellt, daß ein Strömungsdurchlaß, der zwischen dem Hauptkanal und einen Nebenkanal gebildet ist, nicht auch von dem Gasstrom eines benachbarten Nebenkanales durchströmt wird. Die Wülste können beispielsweise durch Fräsen in der Ausnehmung herausgearbeitet werden.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen eines Brennstoffzel­ lenstapeln wird dadurch geschaffen, daß die Ausnehmung durch den Hauptkanal gebildet ist. Besonders einfach läßt sich die erfindungsge­ mäße Vorrichtung verwirklichen, wenn der Hauptkanal eine kreis­ förmige Querschnittsfläche aufweist und das stellbare Element ein Rohr ist. Auch in diesem Fall kann das Rohr entweder dichtend an dem Hauptkanal anliegen oder aber mit Abstand zu der Innenfläche des Hauptkanales angeordnet sein, so daß zwischen der Außenfläche des Rohres und der Innenfläche des Hauptkanales ein ringförmiger Strömungsdurchlaß gebildet wird. Aus fertigungstechnischer Sicht und zu Montagezwecken kann es gewünscht sein, daß der Hauptkanal extern ausgebildet ist und der Körper des Hauptkanales mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist.

Das in dem Hauptkanal aufgenommene stellbare Element ist zur Betä­ tigung entweder aus dem Hauptkanal heraus geführt, wobei eine Me­ chanik außerhalb des Hauptkanales vorgesehen ist, die das stellbare Element zu einer Bewegung antreibt, oder eine innere Mechanik ist für den Antrieb des stellbaren Elementes vorgesehen. Eine derartige innere Mechanik kann beispielsweise durch eine magnetische Kopp­ lung zwischen dem stellbaren Element und dem Antrieb verwirklicht werden. Durch die Mechanik kann das stellbare Element kontinuier­ lich bewegt werden. Alternativ ist es auch möglich, das Rohr schritt­ weise zu bewegen. Eine derartige Mechanik, die vorzugsweise einen Schrittmotor umfaßt, stellt auf einfache Weise sicher, daß die entspre­ chende Bohrung zuverlässig einen Strömungsdurchlaß zwischen dem gewünschten Nebenkanal und dem Hauptkanal bildet. Da die Boh­ rung üblicherweise denselben Innendurchmesser wie der Nebenkanal hat, ist eine derartige genaue Ansteuerung des stellbaren Elementes er­ forderlich, um den gesamten Strömungsquerschnitt des Nebenkanales in dem Strömungsdurchlaß vorzusehen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen eines Brenn­ stoffzellenstapels sind mindestens zwei ineinander gesteckte Rohre vorgesehen, die zu jedem Nebenkanal jeweils mindestens eine Boh­ rung aufweisen, wobei die Rohre unabhängig voneinander verstellbar sind.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Bestandteil ei­ nes Brennstoffzellenstapels;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Bestandteil ei­ nes Brennstoffzellenstapels;

Fig. 3 ein Funktionsschaubild für das in Fig. 2 dargestellte Aus­ führungsbeispiel;

Fig. 4a einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Stel­ lung und

Fig. 4b einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Stellung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Brennstoffzellen­ stapels 1 dargestellt. Ein Nebenkanal 2 kommuniziert mit einer nicht dargestellten Einzelzelle. Die Einzelzellen sind in einer Richtung quer zur Darstellungsebene übereinander angeordnet. Eine der Anzahl der Einzelzellen entsprechende Anzahl von Nebenkanälen 2 liegt somit senkrecht zu der Ebene der Darstellung gemäß Fig. 1 übereinander. Parallel zu der Reihe der übereinander liegenden Nebenkanälen 2 ist ein Hauptkanal 3 ausgebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbei­ spiel weist der Hauptkanal 3 eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Die Innenfläche des Hauptkanals 3 wird durch das Material des Brenn­ stoffzellenstapels 1 gebildet. Dichtend an dieser Innenfläche anliegend ist ein Rohr 4 vorgesehen, das an seiner Umfangsfläche eine Bohrung 5 aufweist.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rohr 4 drehbar gegenüber dem Brennstoffzellenstapel 1. Die Bohrung 5 kann somit mit dem Nebenkanal 2 zur Überdeckung gebracht werden, so daß der Nebenkanal 2 einen Strömungsdurchlaß zwischen Hauptkanal 3 und Nebenkanal 2 bildet. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Rohres 4 ist der Nebenkanal 2 über das Rohr 4 gegenüber dem Hauptkanal 3 ver­ schlossen.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur se­ lektiven Spülung von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels in gleicher Weise wie in der Darstellung gemäß Fig. 1 dargestellt. Gleiche Bauteile sind gegenüber Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen gekenn­ zeichnet. Auch hier ist in dem Brennstoffzellenstapel 1 ein Nebenka­ nal 2 ausgebildet, der eine nicht dargestellte Einzelzelle mit einem Hauptkanal 3 verbindet. Zwischen dem Strömungsquerschnitt des Hauptkanals 3 und dem Brennstoffzellenstapel 1 sind bei dem gezeig­ ten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zwei ineinander gesteckte Rohre 4a, 4b vorgesehen. Jedes Rohr 4a, 4b weist eine Bohrung 5a, 5b auf. Die Rohre 4a, 4b sind in dem Hauptkanal 3 unabhängig voneinander drehbar. Bei der in Fig. 2 gezeigten Stellung bildet die Bohrung 5b des äußeren Rohres 4b einen Strömungsdurchlaß für den Nebenkanal 2. Die Bohrung 5a des inneren Rohres 4a befindet sich jedoch in einer ge­ genüber der Bohrung 5a um zirka 30° im Uhrzeigersinn verdrehten Lage. Dementsprechend steht die Einzelzelle zu dem in Fig. 2 gezeigten Nebenkanal 2 nicht in Strömungsverbindung mit dem Hauptkanal 3. Die Einzelzelle ist gegenüber dem Hauptkanal 3 durch das innere Rohr 4a abgeriegelt.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Bohrungen 5a, 5b des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispieles in Längsrichtung des Hauptkanales 3 an den entsprechenden Rohren 4a, 4b ausgebildet sind, um ein Durchströmen sämtlicher Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels, von Teilstapeln von Einzelzellen, beziehungsweise von einzelnen Einzelzellen zu er­ möglichen.

Bei der Darstellung in Fig. 3 wird davon ausgegangen, daß der Brenn­ stoffzellenstapel zwölf Einzelzellen aufweist. Dementsprechend sind im oberen Abschnitt von Fig. 3 zwölf Nebenkanäle 2 dargestellt, wobei benachbarte Nebenkanäle 2 mit gleichem Abstand zueinander ange­ ordnet sind. Jeder Nebenkanal 2 kommuniziert mit einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels. Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Vorrich­ tung zur selektiven Spülung von Einzelzellen ist vorliegend an der Gasabführungsseite der Einzelzellen angeordnet.

Unterhalb der Darstellung der Nebenkanäle 2 ist eine Abwicklung des äußeren Rohres 4b gemäß der Darstellung in Fig. 2 gezeigt. Zu Position 1 ist ein sich in Längsrichtung des Rohres erstreckender Abschnitt des Rohrumfanges dargestellt, der keine Bohrung aufweist. Der hierzu be­ nachbarte, mit Position 2 gekennzeichnete Abschnitt weist Bohrungen 51b auf, deren Lage mit der Lage der jeweiligen Nebenkanäle 2 über­ einstimmt. Zu den Positionen 3 bis 6 sind jeweils vier nebeneinander liegende Bohrungen 52b, 53b, 54b vorgesehen, wobei jede 4-er Gruppe von Bohrungen 52b, 53b, 54b einen Teilabschnitt der Bohrungen 51b beziehungsweise der Nebenkanäle 2 abdeckt. Ein weiterer, sich in axi­ aler Richtung erstreckender Umfangsabschnitt, der zu Position 6 darge­ stellt ist, weist keine Bohrungen auf und ist somit identisch wie der Rohrabschnitt zu Position 1 ausgestaltet.

Die darunter dargestellte Abwicklung des inneren Rohres 4a weist zu Position 1 und 2 dieselbe Ausgestaltung auf wie die entsprechenden Positionen des äußeren Rohres 4b. Bei Position 2 sind zwölf Bohrun­ gen 51a vorgesehen. In dem sich in axialer Richtung erstreckenden Umfangsabschnitt gemäß Position 3 sind - von links nach rechts - an einer dem ersten Nebenkanal entsprechenden Lage, an einer dem fünften Hauptkanal und an einer dem neunten Hauptkanal entspre­ chenden Lage Bohrungen 52a vorgesehen. Zu Position 4 sind Bohrun­ gen 53a entsprechend zu dem zweiten, dem sechsten und dem zehnten Nebenkanal 2 vorgesehen. Um jeweils einen weiteren Nebenkanal 2 nach rechts versetzt angeordnet sind jeweils die Bohrungen 54a zu Po­ sition 5 und die Bohrungen 55a zu Position 6. Die jeweiligen Bohrun­ gen 52a, 53a, 54a und 55a weisen einen jeweiligen Abstand zueinander von drei Bohrungen gemäß Position 1, beziehungsweise drei Abstän­ den von Nebenkanälen 2 auf.

Sofern das innere Rohr 4a oder das äußere Rohr 4b die Position 1 ein­ nimmt, d. h. der entsprechende sich in axialer Richtung erstreckende Umfangsbereich des Rohres an dem Auslaß der Nebenkanäle 2 ange­ ordnet ist, sind sämtliche Nebenkanäle 2 verschlossen. Sollen hinge­ gen sämtliche Nebenkanäle gleichzeitig in Strömungsverbindung mit dem Hauptkanal stehen, um beispielsweise eine Spülung des ge­ samten Brennstoffzellenstapels zu bewirken, befinden sich beide Rohre 4a, 4b in Position zwei.

Ein Spülen von Teilstapeln von jeweils vier Einzelzellen kann erzielt werden, indem die Lage des inneren Rohres 4a in Position 2 gehalten wird, wohingegen das äußere Rohr 4b nacheinander in die Positionen 3 bis 5 gestellt wird. Dann werden - von links nach rechts - zunächst die ersten vier, dann die mittleren vier und dann die letzten vier Ein­ zelzellen gespült, beziehungsweise durchströmt.

Wird das äußere Rohr in Position 2 gehalten, während das innere Rohr nacheinander in die Positionen 3, 4, 5 und 6 gestellt wird, ergibt sich eine Spülung zunächst der ersten, fünften und neunten Einzel­ zelle (Position 3), dann der zweiten, sechsten und zehnten Einzelzelle (Position 4), nachfolgend der dritten, siebten und elften Einzelzellen (Position 5) und schließlich der vierten, achten und zwölften Einzel­ zelle (Position 6).

Eine Durchströmung von separaten Einzelzellen ist durch Stellen des äußeren Rohres 4b in die Positionen 3 bis 5 und entsprechendes Stellen des inneren Rohres 4a in die Positionen 3 bis 6 möglich. Sind bei­ spielsweise das innere Rohr 4a und das äußere Rohr 4b in Position 3 gestellt, so steht lediglich die erste Brennstoffzelle über die erste Boh­ rung 52b und die erste Bohrung 52a mit dem Hauptkanal 3 in Verbin­ dung. Die Nebenkanäle 5 bis 12 sind durch den sich in axialer Richtung erstreckenden Umfangsabschnitt des äußeren Rohres in Position 3 ab­ geriegelt, wohingegen die Nebenkanäle 2 bis 4, d. h. die entsprechenden Bohrungen 52b in Position 3 des äußeren Rohres 4b, durch das innere Rohr 4a abgedeckt werden. Durch entsprechende Stellung des inneren Rohres 4a zwischen den Positionen 3 bis 6 und durch Stellen des äuße­ ren Rohres 4b in den Positionen 2 bis 5 ist es somit möglich, eine ein­ zige Einzelzelle gezielt in Strömungsverbindung mit dem Hauptkanal 3 zu bringen.

Betreibt man eine Brennstoffzelle beispielsweise mit nahezu reinen Gasen (z. B. H₂ und O₂), so werden üblicherweise sämtliche Einzelzel­ len auf der Auslaßseite verschlossen. Wie bereits erwähnt, befindet sich eines der Rohre 4a, 4b zur Bewirkung eines derartigen "dead-end"- Betriebes in Position 1. Eine Spülung ist bei den voranstehend genann­ ten reinen Gasen nur dann erforderlich, wenn Wasser oder Inertgase, die im Frischgas in Spuren vorliegen und sich in den Gasräumen an­ reichern, ausgetragen werden müssen. Sofern in einer Einzelzelle auf­ grund der Anreicherung von Wasser oder Inertgasen ein Spannungs­ verlust ermittelt wird, kann diese Zelle in der voranstehend beschrie­ benen Art mit der Vorrichtung zur selektiven Spülung gezielt gespült werden. Zur Instandhaltung des Brennstoffzellenstapels ist es auch möglich, die Einzelzellen nacheinander selektiv und einzeln zu spü­ len. Dies kann zum Beispiel durch stetes Drehen des Rohres oder der Rohre bewirkt werden.

Verwendet man jedoch unreine oder verdünnte Gase, wie zum Bei­ spiel Luft, kann die Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzel­ zellen gemäß der Darstellung in den Fig. 4a, 4b ausgestaltet sein.

In Fig. 4a, 4b ist - wie in den Fig. 1 und 2 - ein Querschnitt durch einen Teilbereich eines Brennstoffzellenstapels 1 dargestellt. Auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Gegen­ satz zu den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 liegt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a, 4b das Rohr 4 nicht dichtend an dem Material des Brennstoffzellenstapels 1 an. Zwischen der Außen­ fläche des Rohres 4 und der Innenfläche des Brennstoffzellenstapels 1 ist somit ein ringförmiger Strömungsdurchlaß 6 gebildet. Wie in den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist auch hier das Rohr 4 drehbar in dem Hauptkanal 3 gelagert. Das Rohr 4 weist außer­ dem eine Öffnung 5 auf.

Das in den Fig. 4a, 4b gezeigte Ausführungsbeispiel beruht auf dem Prinzip, die Durchströmung jeder einzelnen Einzelzelle durch Verän­ dern des Strömungswiderstandes zwischen der jeweiligen Einzelzelle und dem Hauptkanal zu regulieren. Bei dem in Fig. 4a gezeigten Aus­ führungsbeispiel befindet sich die Bohrung 5 direkt gegenüber dem Nebenkanal 2. Diese Position des Rohres 4 entspricht dem geringsten Strömungswiderstand der Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen. Eine als Pfeil dargestellte Strömung gelangt direkt und ohne Umwege von der Einzellzelle in den Hauptkanal 3.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 4b ist das Rohr 4 gegenüber der Darstel­ lung in Fig. 4a um 180° gedreht. Die Bohrung 5 des Rohres 4 befindet sich somit gegenüberliegend dem Auslaß des Nebenkanales 2. Die als Pfeil dargestellte Strömung muß somit zunächst durch den ringförmi­ gen Strömungskanal 6 strömen, um durch den durch die Bohrung 5 gebildeten Strömungsdurchlaß in den Hauptkanal 3 zu gelangen. Das Durchströmen des ringförmigen Strömungskanales 6 führt zu einem höheren Strömungswiderstand gegenüber der Durchströmung gemäß der Darstellung in Fig. 4a.

Wie bereits erwähnt, beruht das in den Fig. 4a, 4b gezeigte Ausfüh­ rungsbeispiel auf dem Prinzip eines veränderlichen Strömungswider­ standes zwischen dem Auslaß des Nebenkanales 2 und dem durch die Bohrung 5 gebildeten Strömungsdurchlaß zum Hauptkanal 3. Bei ge­ gebener Druckdifferenz als treibendem Gefälle bewirkt ein geringerer Durchflußwiderstand einen hohen Durchfluß und ein hoher Durch­ flußwiderstand einen geringen Durchfluß. Somit sind durch unter­ schiedliche Rohrpositionen für jede Einzelzelle unterschiedliche Durchflüsse möglich. So kann beispielsweise die in Fig. 4b gezeigte Stellung des Rohres als Normalbetrieb mit geringem Durchsatz defi­ niert werden, wohingegen die in Fig. 4a dargestellte Stellung zu einer vermehrten Spülung der entsprechenden Einzelzelle führt. Sofern zu jedem Nebenkanal 2 die Bohrung 5 in einer sich in axialer Richtung Drehen des Rohres sämtliche Einzelzellen in gleicher Weise gesteuert werden. Zwischen benachbarten Bohrungen 5 kann ein sich in radialer Richtung erstreckender ringförmiger Wulst ausgebildet sein, der ver­ hindert, daß die Gasströmung einer Einzelzelle auf die Bohrung zu ei­ ner benachbarten Zelle ausweicht. Ein derartiger, radialer ringförmiger Wulst kann beispielsweise durch Ausfräsen des Materials des Brenn­ stoffzellenstapels unter Zurücklassung lediglich der radialen ringför­ migen Wulste ausgebildet werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei sind zwei in­ einander gesteckte Rohre 4a, 4b vorgesehen. Zwischen dem äußeren Rohr 4b und dem Brennstoffzellenstapel 1 ist ein erster ringförmiger Strömungskanal 6b ausgebildet. Zwischen dem äußeren Rohr 4b, und dem inneren Rohr 4a ist ein zweiter ringförmiger Strömungskanal 6a geformt. Radial nach außen stehende Wulste 7a, 7b dichten das innere Rohr 4a gegenüber dem äußeren Rohr 4b, beziehungsweise das äußere Rohr 4b gegenüber dem Brennstoffzellenstapel 1 ab. Das äußere Rohr 4b weist zwei Bohrungen 5b', 5b'' von ungefähr gleicher Größe auf. Das innere Rohr 4a weist eine kleine Bohrung 5a' und eine große Boh­ rung 5a'' auf.

Wie der Darstellung gemäß Fig. 5 zu entnehmen ist, strömt das aus dem Nebenkanal 2 ausströmende Gas zunächst durch den ringförmi­ gen Strömungsdurchlaß 6b zu der Bohrung 5b'' und von hier aus di­ rekt durch die Bohrung 5a'' in den Hauptkanal 3. Die Strömung folgt hierbei dem Weg des geringsten Strömungswiderstandes. Dieser kann durch Verdrehen des inneren Rohres 4a und/oder des äußeren Rohres 4b verändert werden.

Eine Variation des Strömungswiderstandes kann dadurch verbessert werden, daß die Durchströmung eines ringförmigen Strömungskanals 6 einseitig durch einen der Wulste 7a, 7b behindert wird. So kann bei­ spielsweise das innere Rohr 4a soweit entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend von der in Fig. 5 gezeigten Stellung gedreht werden, daß der Wulst 7a benachbart zu der Bohrung 5b'' und gegenüberliegend zu dem Wulst 7b angeordnet ist. Die Strömung wird dann von der Boh­ rung 5b'' auf die Bohrung 5a' geleitet.

Es ist selbstverständlich auch möglich, das äußere oder das innere Rohr 4a, 4b gegenüber dem Brennstoffzellenstapel 1 ortsfest anzuord­ nen und lediglich durch Drehen des verbleibenden Rohres eine Ver­ änderung des Strömungswiderstandes zwischen dem Nebenkanal 2 und dem Hauptkanal 3 herbeizuführen.

Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, mehr als zwei Rohre, be­ ziehungsweise verstellbare Elemente vorzusehen, um die Variati­ onsmöglichkeit der Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzel­ zellen zu erhöhen.

Auch bei dem in Fig. 4a, 4b gezeigten Ausführungsbeispiel kann be­ nachbart zu der Bohrung 5 an einer Seite an dem Rohr 4 ein sich in ra­ dialer Richtung erstreckender Wulst ausgebildet sein, der dichtend an dem Brennstoffzellenstapel 1 anliegt. Dadurch kann die Strömung na­ hezu um 360° durch den ringförmigen Strömungskanal geleitet wer­ den, bis die Strömung die Bohrung 5 erreicht. Dieser Wulst kann entweder an der Brennstoffzelle 1 oder dem Rohr 4 ausgebildet sein. Außerdem kann das bzw. die Rohre 4 nicht koaxial, sondern exzentrisch in dem Hauptkanal aufgenommen sein. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Möglichkeit der Variation des Strömungswi­ derstandes.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenstapel

2

Nebenkanal

3

Hauptkanal

4

Rohr

5

Bohrung

6

ringförmiger Strömungskanal

7

radialer Wulst

Claims (16)

1. Vorrichtung zur selektiven Spülung von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels (1)

• - mit einem Hauptkanal (3) zum Zu- oder Ableiten von Betriebs­ mitteln und/oder Reaktionsprodukten,
• - mit mindestens einem Nebenkanal (2), über den mindestens eine Brennstoffzelle mit dem Hauptkanal (3) verbunden ist,
• - mit mindestens einem stellbaren Element (4), das mindestens eine Bohrung (5) aufweist, über die ein Strömungsdurchlaß zwi­ schen dem Hauptkanal (3) und dem Nebenkanal (2) bildbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stellbare Element (4) in Längsrichtung des Hauptkanals (3) ver­ stellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stellbare Element (4) quer zur Längsrichtung des Hauptka­ nals (3) verstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das stellbare Element (4) dichtend an einer das ver­ stellbare Element (4) aufnehmenden Ausnehmung anliegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere in Längsrichtung des Hauptkanals (3) von­ einander beabstandete Wulste ausgebildet sind, die dichtend zwi­ schen einer das stellbare Element (4) aufnehmenden Ausneh­ mung und dem stellbaren Element anliegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmung durch den Hauptkanal (3) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal (3) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist und daß das stellbare Element ein Rohr (4) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hauptkanal (3) durch in den Einzelzellen des Stapels ausgebildete Bohrungen (5) gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hauptkanal (3) extern ausgebildet ist und der Körper des Hauptkanals (3) mit dem Brennstoffzellenstapel (1) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das stellbare Element (4) aus dem Hauptkanal (3) herausgeführt ist und daß eine Mechanik außerhalb des Haupt­ kanales (3) das stellbare Element (4) zu seiner Bewegung antreibt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine innere Mechanik für einen Antrieb der Bewe­ gung des stellbaren Elementes (4) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mechanik das stellbare Element (4) schrittweise bewegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mechanik das stellbare Element (4) kontinuierlich bewegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei ineinandergesteckte Rohre (4) vorgesehen sind, die zu jedem Nebenkanal mindestens eine Bohrung (5) aufweisen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) unabhängig voneinander verstellbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich zwischen Hauptkanal (3) und Rohr (4) bzw. zwischen zwei benachbarten Rohren (4) mindestens ein ra­ dialer Wulst (7) erstreckt.