EP4388601A2 - Brennstoffzellenstapel sowie brennstoffzellensystem mit einem brennstoffzellenstapel - Google Patents

Brennstoffzellenstapel sowie brennstoffzellensystem mit einem brennstoffzellenstapel

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EP4388601A2
EP4388601A2 EP22768284.6A EP22768284A EP4388601A2 EP 4388601 A2 EP4388601 A2 EP 4388601A2 EP 22768284 A EP22768284 A EP 22768284A EP 4388601 A2 EP4388601 A2 EP 4388601A2
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EP
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fuel cell
valve
cell stack
cathode
gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP22768284.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Hausmann
Matthias Feuerbach
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Cellcentric GmbH and Co KG
Original Assignee
Cellcentric GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack with a large number of individual cells, with a common cathode area and a common anode area, and a fuel cell system with a fuel cell stack.
  • the invention relates in particular to a fuel cell stack with a large number of individual cells, the individual cells having a common cathode area and a common anode area which is separate from the common cathode area, and a fuel cell system with a fuel cell stack.
  • Fuel cell stacks made up of a large number of individual cells are known from the prior art. Typically, the individual cells are clamped between two end plates and a common cathode area and a common anode area are formed for all individual cells of the fuel cell stack.
  • An inflow and outflow area for this typically extends over the entire length of the stack in the stacking direction and is formed by openings formed in the individual cells, which connect all cells of the fuel cell stack in parallel with respect to the flow of the gaseous educts.
  • Fuel cell stack volatilized or is in the fuel cell by flowing
  • the oxygen in the air has been used up
  • hydrogen is then added, an air/hydrogen front flows in parallel over all the individual cells of the fuel cell stack. Together with air in the cathode area, this leads to a critical potential difference at this front, which damages the catalyst of the fuel cell.
  • the service life is adversely affected by such a start of the fuel cell stack, which is also referred to as an air/air start.
  • hydrogen can now be stored in the anode area, for example, which ideally is not used up during the entire downtime of the fuel cell stack.
  • One of the mechanisms for this is to prevent air from flowing into the cathode area.
  • valve devices are often used here in order to shut off the cathode region of the fuel cell stack when the fuel cell system is at a standstill.
  • These components also known as cathode blocking valves, are often large valves or flaps that are used on the periphery of the fuel cell stack. They are heavy, prone to failure, prone to leakage and, at least in the case of a sufficiently tight structure, relatively expensive.
  • control electronics and an actuator for controlling the valve they require a relatively large amount of space.
  • the object of the present invention is now to further improve a fuel cell stack according to the type mentioned in the preamble of claim 1 in order to enable a long service life, and to provide an improved fuel cell system with such a fuel cell stack.
  • this object is achieved by a fuel cell stack having the features of claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1, and by a fuel cell system having the features of claim 15.
  • Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.
  • this has at least one valve device for blocking the flow path, in particular the flow path of cathode gas, which preferably contains air, in and/or from the cathode area, in particular into the cathode area and/or out of the cathode area.
  • This integration of a valve device in the interior of the fuel cell stack makes it possible to save such valve devices in the area of the fuel cell system, in particular outside of the fuel cell stack, which makes a decisive contribution to saving installation space, in particular for the fuel cell system.
  • a single valve device can already correspondingly block the flow path through the cathode area, so that flow through the cathode area is no longer possible. This alone provides a very positive effect, since air can then only be exchanged in the cathode area by convection processes from one side and the other side of the valve, in particular the valve device.
  • the at least one valve device is designed to be integrated into at least one end plate.
  • the individual cells of a fuel cell stack are often clamped together between two end plates.
  • It can, for example, be integrated into an air supply connection and/or an air exhaust connection, in particular by being screwed into the end plate from the connection side of an air supply line and/or exhaust air line to the fuel cell stack.
  • the at least one valve device can be designed as a normally closed valve device.
  • a valve device which is normally closed, ensures that the flow path through the cathode area of the fuel cell stack is sealed off without active operation and without a permanent energy requirement.
  • the active actuation for opening can take place, for example, by electromagnetic forces, so that the valve devices must therefore be deliberately switched.
  • the magnetic forces have a very decisive advantage, since they can or is a passive, magnetically degressive valve device.
  • Magnetic degressive means that the valve device is normally kept closed by magnets, with the force with which it is kept closed being large, and the force with which it wants to close again after opening, also known as the closing force, increases with increasing opening decreases, in contrast to spring-loaded valves, where the closing force increases as the opening increases.
  • the valve body in the normal case, the valve body is held in the valve seat without a flow against the valve seat with a corresponding pressure and/or a corresponding flow rate.
  • the structure is then tight and can in particular have one or more seals or one or more sealing elements, which is or are preferably arranged in the lee of the valve body and on the one hand for a good seal and in the case of flow do not cause unnecessary pressure losses.
  • the shut-off function caused by the valve device to block the flow path is particularly pronounced, since the valve body of the valve device is activated by one or more (permanent) magnets in combination with one or more other (permanent -) Magnets and / or magnetizable areas of the valve body and / or magnetizable areas of the valve seat is held particularly stable and sealing in the valve seat.
  • the number of harmful air/air starts that promote degradation of the fuel cell stack can be reduced and the hydrogen protection time can be extended.
  • the cathode area is now actively flown by air or cathode gas, which is supplied via the air supply line and an air supply device, such as one or more flow compressors, compressors or the like, then the pressure and the flow rate of the supplied air ensure that the valve body lifts off the valve seat against the spring force and/or particularly preferably against the magnetic force, and the corresponding valve device with it automatically releases the flow through the cathode area when the air supply is switched on.
  • magnetic forces of a permanent magnet which is or can be arranged in the valve seat or at a distance from the valve seat, in combination with a magnetizable valve body can then ensure that a reliable flow through the valve device is possible with different flow volumes.
  • the entire structure is light, robust and, through the use of magnets and the degressive force-displacement behavior typical of these, allows a trouble-free flow both with a minimum flow volume, which is just sufficient to open the valve device, and with a maximum flow volume. Due to the progressive force-displacement characteristic of magnets, which is ideal for these flow cases, flow occurs in both cases without a permanent change between opening and closing the valve or the valve device, so that pressure pulsations in the cathode area can be reliably prevented and the valve or the valves or the valve device or the valve devices can work efficiently and with little noise. This is also referred to as "chatter-free" operation.
  • the space required can be further reduced, since no additional space is required for wiring and/or a controller.
  • the valve body itself can preferably be designed as a soft-magnetic part, in particular as a soft-magnetic rotating part, or contain a soft-magnetic, in particular magnetizable material and/or a permanent magnet and preferably be designed with a flow-optimized shape.
  • the valve body has an end facing an inlet of the at least one valve device, which has a recess or trough, which is annular in one embodiment, with the end of the valve body pointing upwards in one embodiment when used as intended .
  • the at least one valve device has a guide device with one or more guide surfaces which is/are set up to guide an opening or closing movement of the valve body, the guide device having a cylindrical section which The valve body has at least one projection which extends in the direction of an outlet of the at least one valve device, wherein in one embodiment a central projection of the at least one projection extends into a cavity formed by the cylindrical section of the guide device and/or a projection of the at least one projection surrounds an end of the cylindrical section of the guide device which faces the inlet of the at least one valve device.
  • this can reliably prevent the movement of the valve body from being restricted and/or blocked, for example by tilting.
  • any liquid present such as water, can flow out of the valve device through the passage and then through the valve outlet.
  • the at least one valve device has a fixed magnet, which is mounted on the guide device in one embodiment, and a magnet which is mounted on the valve body and can be moved together with the valve body, with a magnetic force between the fixed magnet and the magnet moving together with the valve body causes the stationary magnet and the magnet moving together with the valve body to attract each other.
  • the closing force continues to decrease as the cathode shut-off valve is opened more and more.
  • Hydrophobic surfaces can be provided in the areas in which the valve body bears against the valve seat during later operation or in which only small flow cross sections are released between the valve body and the surrounding material. These hydrophobic surfaces can be realized, for example, by suitable surface treatment or coating. They can preferably additionally be provided with hydrophilic surfaces in the valve device in order to prevent the accumulation of water in the areas that are important for the actuation of the valve device and at the same time to create areas in which water accumulations can take place uncritically. This makes it possible for unavoidable accumulations of water in the cathode area of the fuel cell stack, and here in particular in the area of the outflowing medium, to be directed to positions in which they are not critical, even if the water freezes there.
  • the at least one valve device can in particular have areas with a hydrophobic surface, in one embodiment a surface of the valve seat and/or a sealing element arranged in an area of the valve seat and/or a surface of the valve body being hydrophobic, the surface of the valve seat and /or the sealing element facing the surface of the valve body, and/or wherein the guide surface of the guide device and/or an end face of the guide device facing the inlet of the valve device and/or surface sections of the valve body facing the guide device are hydrophobic.
  • this advantageously at least largely prevents the accumulation of liquid, in particular water, on the areas with a hydrophobic surface.
  • the at least one valve device can in particular have areas with a hydrophilic surface, in one embodiment a surface of the recess and/or a surface pointing in the direction of the outlet of the valve device of an undercut which is laterally of the valve body in a section of the fuel cell stack, in which the valve device is integrated, is provided, is designed to be hydrophilic.
  • this can result in a liquid possibly contained in the cathode gas, such as water, collecting on these areas with a hydrophilic surface and thus being withdrawn from the rest of the fuel cell stack or system at least temporarily. Even if ice should form in these areas as a result of this accumulation of water due to low temperatures, this has little or no effect on the operation of the valve device, since this does not restrict the mobility of the valve body in particular, as is the case when the valve body freezes could happen on the valve seat or the sealing element.
  • a liquid possibly contained in the cathode gas such as water
  • a valve device to be formed on the upstream and downstream side of the cathode area.
  • it therefore has two separate valve devices which can shut off the fuel cell stack on the upstream and downstream sides in the event of non-operation, in order to ensure that air can flow in safely and reliably, be it due to convection effects, wall effects or the like to prevent.
  • the two valve devices are designed as identical parts. Accordingly, the two valve devices can be designed as identical parts, which makes them more cost-effective in relation to the overall structure, since each of the valve devices is produced in larger numbers, which leads to scaling effects. They are then installed inside the fuel cell stack with the installation position reversed, so that the flow through them is in the same direction on the inlet side and outlet side
  • the fuel cell system has a fuel cell stack as described above, the fuel cell stack having a valve device which is arranged downstream of an outlet of the cathode region and is integrated into the fuel cell stack and which, in one embodiment, is a passive, magnetically degressive valve device is designed, and the fuel cell system also has an (active) multi-way valve arranged upstream of an inlet of the cathode area, and a gas jet pump with at least one suction inlet and one drive inlet, wherein an inlet of the multi-way valve is connected to an air supply line of the cathode area, a first outlet of the multi-way valve is connected to the inlet of the cathode area, and a second outlet of the multi-way valve is connected to the drive inlet of the gas jet pump, a suction inlet of the at least one suction inlet of the gas jet pump is connected to an outlet of the cathode area, in one embodiment upstream of the valve device, switchable, in one embodiment by means of a cathode
  • the second outlet of the multi-way valve is connected to an exhaust air line of the cathode region via a cathode bypass line in which the gas jet pump is arranged.
  • the multi-way valve is integrated into a component of the fuel cell system.
  • this also has a gas/gas humidifier as the component, which is arranged upstream of the inlet of the cathode region, and a gas/gas humidifier bypass line which is upstream of the gas/gas humidifier connected to the supply air line, and connected to an exhaust air line of the cathode area upstream of the gas/gas humidifier, the multi-way valve being integrated into the gas/gas humidifier, in one embodiment with a humidifier bypass flap of the gas/gas humidifier and/or the gas jet pump is arranged in the gas/gas humidifier bypass line in such a way that the second output of the multi-way valve is connected to the drive input of the gas jet pump.
  • 5 shows a diagram which illustrates the dependence of a closing force of the valve device on a degree of opening of the valve device
  • 6 shows a schematic view of part of a fuel cell system in a possible embodiment according to the invention.
  • a fuel cell system 1 can be seen in a highly schematic manner, as can be provided, for example, to provide electrical drive power in a vehicle 2 .
  • the core of this fuel cell system 1 is formed by a fuel cell stack 3, which is often also referred to as a fuel cell or fuel cell stack. It typically consists of a large number of stacked individual cells 24 (cf. FIG. 2).
  • a common anode compartment 4 or anode area 4 and a common cathode compartment 5 or cathode area 5 are indicated here purely by way of example, which are separated by a proton-conducting membrane 6 .
  • the fuel cell stack 3 is therefore a PEM fuel cell stack.
  • the anode chamber 4 is supplied with hydrogen from a hydrogen source 7, for example a compressed gas storage device or a cryogenic storage device. This hydrogen reaches the anode chamber 4 of the respective individual cells via a pressure control and metering unit 8 . Unused hydrogen can be returned via a recirculation line 9 with a recirculation delivery device 10, here purely by way of example a recirculation blower. From time to time, water and the hydrogen can be drained from a water separator 11 and discharged via a purge and drain valve 12 .
  • the cathode region 5 of the fuel cell system 1 is supplied with air as an oxygen supplier via an air supply line 13 .
  • the exhaust air comes out of the fuel cell system 1 via an exhaust air line 14.
  • a flow compressor 15 is arranged here to convey the required air.
  • the hot and dry air downstream of the flow compressor 15 reaches the cathode area 5 via a gas/gas humidifier 16 and optionally via a charge air cooler (not shown here).
  • Humidifier 16 in the area of which it emits moisture to the dry and hot supply air and then flows into the environment via an exhaust air turbine 19 in the exemplary embodiment shown here.
  • the exhaust air turbine 19 and the flow compressor 15 are connected to one another via a common shaft 17 and an electrical machine 18 in order to support the energy generated in the area of the exhaust air turbine 19 the drive of the air conveying device 15, and in the event that this requires no drive power to use the generator drive of the electrical machine 18.
  • the fuel cell system 1 now has two cathode shut-off valves 20, 21 in the supply air line 13 and in the exhaust air line 14, here purely by way of example between the gas/gas humidifier and the fuel cell stack 3.
  • These cathode shut-off valves 20, 21 are typically designed as actively controlled flaps, which require a comparatively large amount of space within the fuel cell system 1 and are correspondingly expensive and complex in terms of installation and control.
  • FIG. 1 A schematic representation of the fuel cell stack 3 in a possible embodiment variant according to the invention can now be seen in the representation of FIG.
  • a large number of individual cells 24 are braced between two end plates 22 , 23 , only a few of which are provided with a reference number and which each have a cathode region 5 or cathode space 5 and an anode region 4 or anode space 4 and membrane 6 .
  • the individual anode areas 4 and cathode areas 5 are connected to one another via openings in the individual cells 24 , as is a cooling medium flow area, which forms a cooling heat exchanger within the fuel cell stack 3 .
  • Hydrogen is supplied via a hydrogen feed line 25 in the anode area 4 in the area of the first end plate 22 and flows out in the area of the other end plate 23 into the recirculation line 9 . Furthermore, a coolant supply 26 in the region of the first end plate 22 and a coolant discharge 27 in the region of the other end plate 23 can be seen in the illustration in FIG.
  • the supply air line 13 is connected to the first end plate 22 and the exhaust air line 14 to the second end plate 23 .
  • cathode shut-off valves 20, 21 in the area of fuel cell system 1 are now integrated in fuel cell stack 3, preferably in the respective end plate 22, 23, as indicated schematically here Valve device within the meaning of this application is integrated into the other end plate 23, the exhaust-side cathode shut-off valve 21, which is also a valve device within the meaning of this application.
  • the cathode shut-off valves 22, 21 integrated into the respective end plates 22, 23 of the fuel cell stack 3 are passive, i.e. they are normally closed and are pressed open accordingly by the inflowing supply air or the inflowing exhaust air, so that they can be switched on easily, efficiently and with minimal need Space within the fuel cell system 1 can be implemented.
  • FIG. 3 a schematic representation of a cathode shut-off valve 20, 21 integrated into a section of the fuel cell stack 3 shown in FIG. 2 can be seen in a possible embodiment variant according to the invention.
  • the cathode shut-off valve 20, 21 or the valve device 20, 21 has a valve body 101 which is arranged in a cavity of a section of the fuel cell stack 3.
  • the valve body 101 is positioned at least in sections along a direction of flow of the (cathode) gas or (cathode) fluid flowing into or out of the cathode region 5, which is illustrated by an arrow P1 in Figure 3 and is present when used as intended, and counter to the direction of flow of the cathode gas within the Cavity of the portion of the fuel cell stack 3 movable, in particular linearly movable arranged.
  • a cross section of the cavity of the section of the fuel cell stack 3 or of the region of the fuel cell stack 3 surrounding the cavity tapers in the direction opposite to the direction of flow of the cathode gas, so that the movement of the valve body 101 in the direction opposite to the direction of flow of the cathode gas is restricted by the tapering cross section becomes.
  • a valve seat 120 of the cathode shut-off valve 20, 21 is formed by the section of the fuel cell stack 3 in which the cross section tapers.
  • valve body 101 When the valve body 101 is in contact with the valve seat 120, in one embodiment when the valve body 101 is in contact with a sealing element 102 arranged in the area of the valve seat 120, for example in the form of an O-ring, as illustrated in Figure 3, the cathode shut-off valve 20, 21 is located in a closed position, while the cathode shut-off valve 20, 21 is in an open position when the valve body 101 is not in contact with the valve seat 120 or when the valve body 101 is not in contact with the sealing element 102.
  • a sealing element 102 arranged in the area of the valve seat 120, for example in the form of an O-ring, as illustrated in Figure 3
  • the cathode shut-off valve 20, 21 In order to guide the movement, in particular the opening or closing movement, of the valve body 101 within the fuel cell stack 3, the cathode shut-off valve 20, 21 also has a guide device 112 with one or more guide surfaces which is/are set up to guide the movement of the valve body 101 , in particular in that the valve body 101 slides along this or these during its movement.
  • the guide device 112 is mounted on an inner side of the section of the fuel cell stack 1 surrounding the cavity by means of one or more, preferably three, fastening elements 106, in particular fin-like fastening elements 106, as a result of which the position of the guide device 112 within the fuel cell stack 1 is fixed.
  • FIG. 4 shows a corresponding plan view of the guide device 112 including the fastening elements 106 in the direction of flow of the cathode gas.
  • the guide device 112 has a cylindrical section which preferably extends parallel to the direction of flow of the cathode gas, with an end of the cylindrical section facing away from an inlet of the cathode shut-off valve 20, 21 being able to be closed in one embodiment and in another, shown in Figure 3 Embodiment, may have a passage 105 through which any liquid present, such as water, can flow off.
  • the valve body 101 has one or more projections extending towards an outlet of the cathode shut-off valve 20, 21, one of the projections, in particular a central projection, extending into the cavity formed by the cylindrical portion of the guide device 112, and another the projections surround the end of the cylindrical section of the guide device 112 facing the inlet of the cathode shut-off valve 20, 21.
  • the cathode shut-off valve 20, 21 is designed as a magnetically degressive valve which, in the normal case, in particular when the pressure difference between the pressure on the inlet side of the cathode shut-off valve 20, 21 and the pressure on the outlet side of the cathode shut-off valve 20, 21 is less than a predetermined threshold value, through Magnetic forces is held in the closed position.
  • the force with which the cathode shut-off valve 20, 21 is held in the closed position is comparatively large, with a closing force F for moving the cathode shut-off valve 20, 21 into the closed position again after opening of the cathode shut-off valve 20, 21 with increasing opening or
  • the distance D of the valve body 101 from the valve seat 120 or sealing element 102 decreases, as illustrated in the diagram in FIG.
  • the cathode shut-off valve 20, 21 has one or more magnets 104, preferably designed as permanent magnets, with north or south poles 104-1, 104-2, arranged in the region of the valve seat 120 or at a distance from the valve seat 120, the valve body 101, a magnetizable material and/or a (Permanent) magnets with the same polarity as the magnets 104 has.
  • the valve body 101 is driven by the magnetic forces occurring between the magnet 104 and the magnetizable material and/or the (permanent) magnet of the valve body 101 in the direction of the inlet of the cathode shut-off valve 20, 21.
  • a fixed (permanent) magnet 108 preferably mounted on the guide device 112, with north and south poles 108-1, 108-2 inside the cylindrical section of the guide device 112 and one mounted on the valve body 101 and provided together with this movable (permanent) magnet 107 with north and south poles 107-1, 107-2, the polarity of which corresponds to that of the magnet 104, so that the attraction between the both magnets 107, 108 and thus the closing force with increasing opening of the cathode shut-off valve 20, 21 further decreases.
  • the valve body 101 On its end facing the inlet of the cathode shut-off valve 20, 21, the valve body 101 has a depression or trough 110, in particular an annular one, with which, particularly if the cathode shut-off valve 20, 21 is integrated on the outlet side of the cathode region 5, possibly from the Cathode area 5 escaping liquid, such as water, can be collected.
  • the cathode shut-off valve 20, 21 or the valve body 101 is preferably mounted within the fuel cell stack 3 in such a way that the exposed surface of the trough 110 faces upwards when used as intended, so that by means of the trough 110 a Liquid can be collected in the tub 110.
  • the surface of the trough 110 is hydrophilic, as illustrated by the dashed lines referenced 103 in FIG.
  • surfaces of undercuts 113 which point in the direction of the outlet of the cathode shut-off valve 20, 21 and are provided on the side of the valve body 101 in the section of the fuel cell stack 3 in which the valve device 20, 21 is integrated, are hydrophilic, as shown by the dashed lines 114 illustrate.
  • the above-mentioned areas or surfaces can be rendered hydrophobic/hydrophilic, for example, by a) selecting an appropriate hydrophobic/hydrophilic material; b) polishing the respective surface to make it hydrophobic or roughening the respective surface to make it hydrophilic; c) plasma treatment of the respective surface; d) Capillary forces are caused by shaping, for example by forming lamellae on the respective surface.
  • FIG. 6 a schematic view of a part of a fuel cell system in a possible embodiment according to the invention can now be seen.
  • the fuel cell system 1 has only one cathode shut-off valve 20, 21 integrated into the fuel cell stack 3, in particular, for example, a passive, magnetically degressive cathode shut-off valve 21 illustrated in FIG.
  • an active or actively controllable multi-way valve 204 in particular a 3/2-way valve, functioning as a cathode shut-off valve is arranged on the inlet side of the cathode area 5, preferably arranged in the air supply line 13 or integrated into another component of the fuel cell system 1 .
  • the multi-way valve 204 is in an air treatment unit (LAE) or humidifier unit such as the gas-gas humidifier 16 integrated and further integrated there with or in a humidifier bypass flap or control function that is usually provided.
  • LAE air treatment unit
  • humidifier unit such as the gas-gas humidifier 16 integrated and further integrated there with or in a humidifier bypass flap or control function that is usually provided.
  • the inlet of the multi-way valve 204 is connected to the air supply line 13 .
  • a first outlet of the multi-way valve 204 is connected to the inlet of the cathode area 5, the flow path into the cathode area being blocked by blocking the first outlet of the multi-way valve 204.
  • a second outlet of the multi-way valve 204 is connected to the exhaust air line 14 of the cathode region 5 downstream of the cathode shut-off valve 21 via a cathode bypass line 208 in which a catalytic converter 206 can optionally be provided, as illustrated in FIG.
  • the cathode shut-off valve 21 integrated in the fuel cell stack 3 and the multi-way valve 204 are in particular via a gas jet or suction jet pump or jet pump 203, which can contain a Venturi nozzle, for example, or is formed from this, and by the cathode gas flowing through the cathode bypass line 208 as a driving jet, which flows into a driving input of the gas jet pump 203, is connected to one another.
  • a blow-off line 209 connected to the recirculation line 9, in particular to an outlet of a water separator 205 arranged in the recirculation line 9, is connected to a suction inlet of the gas jet pump 203 via a blow-off valve or purge valve 202 or purge/drain valve 202.
  • a cathode stub 207 connected to the outlet of the cathode region 5 upstream of the cathode shut-off valve 21 is connected to another suction inlet of the gas jet pump 203 via a cathode suction valve 201 .
  • the cathode region 5 on the one hand, and by switching the multi-way valve 204 to the second output for connecting the air supply line 13 to the exhaust air line 14 via the gas jet pump 203 and switching the purge/drain valve 202 to an open position, on the other hand, the anode area 4 can be placed under negative pressure.
  • any liquids present such as water, by or after evaporation at low pressure, and gases such as air, even at low pressure Extract temperatures from the volume of the anode area 4 or the anode circuit as well as from the volume of the cathode area 5.
  • the extraction takes place relatively evenly in order to avoid excessive pressure differences between the cathode area 5 and the anode area 4 and thus to protect the membranes.
  • the gas jet pump 203 can be integrated as an alternative to, preferably together with the multi-way valve 204, in a bypass of the air treatment unit (LAE) or humidifier unit such as the gas-gas humidifier 16 and there also with or in be integrated into a humidifier bypass flap or control function that is usually provided.
  • the gas jet pump 203 can be driven by the gas flowing through the bypass as a driving jet, and the gas jet pump 203 can be switchably connected on the suction side via a cathode suction valve 201 or a purge/drain valve 202 and corresponding lines to the cathode area 5 or the anode area 4. to be able to suck and empty them.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (3) mit einer Vielzahl von Einzelzellen (24), wobei die Einzelzellen (24) einen gemeinsamen Kathodenbereich (5) und einen von dem gemeinsamen Kathodenbereich (5) getrennten gemeinsamen Anodenbereich (4) aufweisen. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) zum Versperren des Strömungswegs in den Kathodenbereich (5) hinein und/oder aus dem Kathodenbereich (5) heraus integriert ist.

Description

Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen, mit einem gemeinsamen Kathodenbereich und einem gemeinsamen Anodenbereich sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen, wobei die Einzelzellen einen gemeinsamen Kathodenbereich und einen von dem gemeinsamen Kathodenbereich getrennten gemeinsamen Anodenbereich aufweisen, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten verspannt und es bildet sich ein gemeinsamer Kathodenbereich und ein gemeinsamer Anodenbereich für alle Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels aus. Ein Zu- und Abströmbereich hierfür zieht sich typischerweise über die gesamte Länge des Stapels in Stapelrichtung und wird durch in den Einzelzellen ausgebildete Durchbrüche gebildet, welche alle Zellen des Brennstoffzellenstapels bezüglich der Durchströmung mit den gasförmigen Edukten parallel zueinander verschalten.
In der Praxis ist es nun so, dass derartige Brennstoffzellenstapel in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden. Bei der Ausbildung der Brennstoffzellenstapel mit Einzelzellen in PEM-Technologie, also mit einer protonenleitenden Membran bzw. Polymerelektrolytmembran, ist es dann so, dass bei einem Start des Brennstoffzellensystems die in dem Brennstoffzellensystem befindlichen Gase durch den Brennstoffzellenstapel gespült werden, wenn frisches Gas für den Start zudosiert wird. Insbesondere für den Anodenbereich ist dies kritisch. Hat sich der in dem Anodenbereich befindliche Wasserstoff nach dem Ende des Betriebs des
Brennstoffzellenstapels verflüchtigt oder ist in der Brennstoffzelle durch nachströmenden Luftsauerstoff aufgebraucht worden, befindet sich meist Luft im Anodenbereich. Wird nun Wasserstoff hinzudosiert, strömt eine Luft/Wasserstofffront parallel über alle Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels. Dies führt zusammen mit Luft im Kathodenbereich zu einer kritischen Potentialdifferenz an dieser Front, welche den Katalysator der Brennstoffzelle schädigt. Die Lebensdauer wird durch einen solchen auch als Luft/Luft-Start bezeichneten Start des Brennstoffzellenstapels nachteilig beeinflusst.
Um dem entgegenzuwirken kann nun beispielsweise im Anodenbereich Wasserstoff vorgehalten werden, welcher idealerweise während der gesamten Stillstandszeit des Brennstoffzellenstapels nicht aufgebraucht wird. Einer der Mechanismen hierfür ist es, das Nachströmen von Luft in den Kathodenbereich zu verhindern. In Brennstoffzellensystemen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist es dabei so, dass hier häufig Ventileinrichtungen zum Einsatz kommen, um im Stillstand des Brennstoffzellensystems den Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels abzusperren. Diese auch als Cathode Blocking Valve bezeichneten Bauteile sind häufig große Ventile oder Klappen, welche in der Peripherie des Brennstoffzellenstapels eingesetzt werden. Sie sind schwer, störungsanfällig, anfällig bezüglich der Dichtheit und, zumindest bei ausreichend dichtem Aufbau, relativ kostenintensiv. Darüber hinaus ist es so, dass sie zusammen mit ihrer Steuerungselektronik und einem Aktuator zur Ansteuerung des Ventils relativ viel Bauraum benötigen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Brennstoffzellenstapel gemäß der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art weiter zu verbessern, um eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen, und ein verbessertes Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 , sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist es vorgesehen, dass dieser wenigstens eine Ventileinrichtung zum Versperren des Strömungswegs, insbesondere des Strömungswegs von Kathodengas, welches vorzugsweise Luft enthält, in und/oder aus dem Kathodenbereich, insbesondere in den Kathodenbereich hinein und/oder aus dem Kathodenbereich heraus, integriert aufweist. Diese Integration einer Ventileinrichtung in das Innere des Brennstoffzellenstapels ermöglicht die Einsparung derartiger Ventileinrichtungen im Bereich des Brennstoffzellensystems, insbesondere außerhalb des Brennstoffzellenstapels, was entscheidend zu einer Einsparung von Bauraum, insbesondere für das Brennstoffzellensystem beiträgt. Dabei kann eine einzige Ventileinrichtung den Strömungsweg durch den Kathodenbereich bereits entsprechend blockieren, sodass keine Durchströmung des Kathodenbereichs mehr möglich ist. Bereits dies sorgt für einen sehr positiven Effekt, da so Luft nur noch durch Konvektionsvorgänge von der einen und der anderen Seite des Ventils, insbesondere der Ventileinrichtung, aus in dem Kathodenbereich ausgetauscht werden kann.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist es dabei so, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung in wenigstens eine Endplatte integriert ausgeführt ist. Wie oben bereits ausgeführt, werden die Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels häufig zwischen zwei Endplatten miteinander verspannt. Im Bereich dieser Endplatten, welche eine größere Dicke als die jeweiligen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels aufweisen, ist dann typischerweise ausreichend Bauraum vorhanden, um eine Ventileinrichtung in der beschriebenen Art und Weise integrieren zu können. Sie kann beispielsweise in einen Zuluftanschluss und/oder einen Abluftanschluss integriert werden, insbesondere indem sie von der Anschlussseite einer Zuluftleitung und/oder Abluftleitung an den Brennstoffzellenstapel aus in die Endplatte eingeschraubt wird.
Die wenigstens eine Ventileinrichtung kann dabei als im Normalfall geschlossene Ventileinrichtung ausgebildet sein. Eine solche im Normalfall geschlossene Ventileinrichtung stellt ein Abdichten des Strömungswegs durch den Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels ohne aktive Betätigung und ohne dauerhaften Energiebedarf sicher. Die aktive Betätigung zum Öffnen kann beispielsweise durch elektromagnetische Kräfte erfolgen, sodass die Ventileinrichtungen also bewusst geschaltet werden müssen.
Alternativ dazu wäre es auch denkbar, gegen Federdruck und/oder gegen magnetische, insbesondere permanentmagnetische, Kräfte bei einem eingesetzten Permanentmagneten in Kombination mit einem magnetisierbaren Ventilkörper und/oder Ventilsitz Magnetkräfte bereitzustellen, um den Aufbau frei von der Notwendigkeit einer Ansteuerung auszubilden.
Insbesondere die Magnetkräfte haben dabei einen ganz entscheidenden Vorteil, da durch diese eine passive, magnetisch degressive Ventileinrichtung gebildet werden kann bzw. ist. Magnetisch degressiv bedeutet, dass die Ventileinrichtung im Normalfall durch Magnete geschlossen gehalten wird, wobei die Kraft, mit der sie geschlossen gehalten wird, groß ist, und die Kraft, die es nach der Öffnung wieder schließen will und auch als Schließkraft bezeichnet wird, mit zunehmender Öffnung abnimmt, im Unterschied zu federbelasteten Ventilen, bei denen die Schließkraft mit zunehmender Öffnung zunimmt.
Insbesondere wird im Normalfall ohne eine Anströmung gegen den Ventilsitz mit entsprechendem Druck und/oder entsprechender Strömungsgeschwindigkeit der Ventilkörper in dem Ventilsitz gehalten. In diesem Zustand des Nicht-Betriebs ist der Aufbau dann dicht und kann insbesondere über eine oder mehrere Dichtungen bzw. ein oder mehrere Dichtelemente verfügen, welche vorzugsweise im Windschatten des Ventilkörpers angeordnet ist bzw. sind und einerseits für eine gute Abdichtung und im Falle der Durchströmung nicht für unnötige Druckverluste sorgen.
Hierbei ist im Falle der Verwendung einer passiven, magnetisch degressiven Ventileinrichtung die von der Ventileinrichtung bewirkte Absperrfunktion zum Versperren des Strömungswegs besonders ausgeprägt, da der Ventilkörper der Ventileinrichtung durch die von einem oder mehreren (Permanent-)Magneten in Kombination mit einem oder mehreren anderen (Permanent-)Magneten und/oder magnetisierbaren Bereichen des Ventilkörpers und/oder magnetisierbaren Bereichen des Ventilsitzes besonders stabil und dichtend im Ventilsitz gehalten wird. Dadurch kann die Anzahl schädlicher, die Degradation des Brennstoffzellenstapels fördernder Luft/Luft-Starts reduziert und die Wasserstoffschutzzeit (engl.: „hydrogen protection time“) verlängert werden.
Wrd nun der Kathodenbereich aktiv von Luft bzw. Kathodengas angeströmt, welche über die Zuluftleitung und eine Luftversorgungseinrichtung, wie beispielsweise einen oder mehrere Strömungsverdichter, Kompressoren oder dergleichen, zugeführt wird, dann sorgen der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Luft dafür, dass sich der Ventilkörper entgegen der Federkraft und/oder besonders bevorzugt entgegen der Magnetkraft von dem Ventilsitz abhebt und die entsprechende Ventileinrichtung damit selbsttätig bei eingeschalteter Luftversorgung die Durchströmung des Kathodenbereichs freigibt. Insbesondere Magnetkräfte eines Permanentmagneten, welcher im Ventilsitz oder beabstandet von dem Ventilsitz angeordnet ist oder sein kann, in Kombination mit einem magnetisierbaren Ventilkörper können dann dafür sorgen, dass bei verschiedenen Strömungsvolumen eine zuverlässige Durchströmung der Ventileinrichtung möglich wird. Der gesamte Aufbau ist leicht, robust und erlaubt durch den Einsatz von Magneten und den bei diesen typischen degressiven Kraft-Wegverhalten eine störungsfreie Durchströmung sowohl bei minimalem Strömungsvolumen, welches gerade so ausreicht, um die Ventileinrichtung zu öffnen, als auch bei maximalem Strömungsvolumen. Durch die für diese Durchströmungsfälle ideale progressive Kraft-Wegkennlinie von Magneten kommt es in beiden Fällen zu einer Durchströmung ohne einen permanenten Wechsel zwischen einem Öffnen und Schließen des Ventils bzw. der Ventileinrichtung, sodass also Druckpulsationen in den Kathodenbereich zuverlässig verhindert werden können, und das Ventil oder die Ventile bzw. die Ventileinrichtung bzw. die Ventileinrichtungen effizient und geräuscharm arbeiten kann bzw. können. Dies wird auch als „chatterfreier“ Betrieb bezeichnet.
Des Weiteren kann durch die Verwendung zumindest einer passiven, magnetisch degressiven Ventileinrichtung der benötigte Bauraum weiter reduziert werden, da für diese kein zusätzlicher Bauraum für eine Verkabelung und/oder eine Steuerung erforderlich ist.
Der Ventilkörper selbst kann vorzugsweise als weichmagnetisches Teil, insbesondere als weichmagnetisches Drehteil ausgebildet sein oder ein weichmagnetisches, insbesondere magnetisierbares Material und/oder einen Permanentmagneten enthalten und vorzugsweise mit einer strömungsoptimierten Formgebung ausgestaltet sein.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weist der Ventilkörper ein einem Eingang der wenigstens einen Ventileinrichtung zugewandtes Ende auf, welches eine, in einer Ausführung ringförmige, Vertiefung bzw. Wanne aufweist, wobei in einer Ausführung das Ende des Ventilkörpers bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nach oben weist.
Hierdurch kann in einer Ausführung eventuell aus dem Kathodenbereich austretende Flüssigkeit, wie etwa Wasser, mittels der Vertiefung bzw. Wanne aufgefangen werden. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weist die wenigstens eine Ventileinrichtung eine Führungseinrichtung mit einer oder mehreren Führungsflächen auf, die dazu eingerichtet ist bzw. sind, eine Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Ventilkörpers zu führen, wobei die Führungseinrichtung einen zylinderförmigen Abschnitt aufweist, der Ventilkörper zumindest einen Vorsprung aufweist, der sich in Richtung eines Ausgangs der wenigstens einen Ventileinrichtung erstreckt, wobei in einer Ausführung ein zentraler Vorsprung des zumindest einen Vorsprungs sich in einen durch den zylinderförmigen Abschnitt der Führungseinrichtung gebildeten Hohlraum erstreckt und/oder ein Vorsprung des zumindest einen Vorsprungs ein dem Eingang der wenigstens einen Ventileinrichtung zugewandtes Ende des zylinderförmigen Abschnitts der Führungseinrichtung umgibt.
Hierdurch kann in einer Ausführung zuverlässig verhindert werden, dass die Bewegung des Ventilkörper beispielsweise durch Verkanten eingeschränkt und/oder blockiert wird.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist ein dem Eingang der wenigstens einen Ventileinrichtung abgewandtes Ende des zylinderförmigen Abschnitts der Führungseinrichtung geschlossen oder weist einen Durchgang auf.
Hierdurch kann in einer Ausführung, in der der zylinderförmige Abschnitt der Führungseinrichtung den Durchgang aufweist, eine eventuell vorhandene Flüssigkeit, wie etwa Wasser, durch den Durchgang hindurch und anschließend durch den Ventilausgang hindurch aus der Ventileinrichtung abfließen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weist die wenigstens eine Ventileinrichtung einen feststehenden, in einer Ausführung an der Führungseinrichtung montierten, Magneten, und einen an dem Ventilkörper montierten, zusammen mit dem Ventilkörper beweglichen Magneten auf, wobei eine Magnetkraft zwischen dem feststehenden Magneten und dem zusammen mit dem Ventilkörper beweglichen Magneten bewirkt, dass sich der feststehende Magnet und der zusammen mit dem Ventilkörper bewegliche Magnet gegenseitig anziehen. Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft erreicht werden, dass die Schließkraft mit zunehmender Öffnung des Kathodenabsperrventils weiter abnimmt.
In den Bereichen, in welchen der Ventilkörper im späteren Betrieb an dem Ventilsitz anliegt oder nur geringe Strömungsquerschnitte zwischen dem Ventilkörper und dem umgebenden Material freigegeben werden, können hydrophobe Oberflächen vorgesehen sein. Diese hydrophoben Oberflächen können beispielsweise durch eine geeignete Oberflächenbearbeitung oder Beschichtung realisiert werden. Sie können vorzugsweise ergänzend mit hydrophilen Oberflächen in der Ventileinrichtung vorgesehen werden, um so die Ansammlung von Wasser in den für die Betätigung der Ventileinrichtung wichtigen Bereichen zu verhindern und gleichzeitig Bereiche zu schaffen, in welchen Wasseransammlungen unkritisch stattfinden können. Damit wird es möglich, dass in dem Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels, und hier insbesondere im Bereich des abströmenden Mediums, nicht zu verhindernde Wasseransammlungen gezielt in Positionen geleitet werden, in welchen sie unkritisch sind, auch wenn das Wasser dort gegebenenfalls einfriert.
Hierbei kann die die wenigstens eine Ventileinrichtung insbesondere Bereiche mit hydrophober Oberfläche aufweisen, wobei in einer Ausführung eine Oberfläche des Ventilsitzes und/oder eines in einem Bereich des Ventilsitzes angeordneten Dichtelements und/oder eine Oberfläche des Ventilkörpers hydrophob ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des Ventilsitzes und/oder des Dichtelements der Oberfläche des Ventilkörpers zugewandt sind, und/oder wobei die Führungsfläche der Führungseinrichtung und/oder eine dem Eingang des Ventileinrichtung zugewandte Stirnseite der Führungseinrichtung und/oder der Führungseinrichtung zugewandte Oberflächenabschnitte des Ventilkörpers hydrophob ausgebildet sind.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Ansammlung von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, an den Bereichen mit hydrophober Oberfläche vorteilhaft zumindest weitgehend verhindert werden.
Weiterhin kann hierbei die wenigstens eine Ventileinrichtung insbesondere Bereiche mit hydrophiler Oberfläche aufweisen, wobei in einer Ausführung eine Oberfläche der Vertiefung und/oder eine in Richtung des Ausgangs der Ventileinrichtung weisende Oberfläche einer Hinterschneidung, welche seitlich des Ventilkörpers in einem Abschnitt des Brennstoffzellenstapels, in dem die Ventileinrichtung integriert ist, vorgesehen ist, hydrophil ausgebildet ist.
Hierdurch kann in einer Ausführung erreicht werden, dass an diesen Bereichen mit hydrophiler Oberfläche eine gegebenenfalls in dem Kathodengas enthaltene Flüssigkeit, wie etwa Wasser, angesammelt und somit dem Rest des Brennstoffzellenstapels bzw. - systems zumindest zeitweise entzogen wird. Selbst wenn sich durch diese Ansammlung des Wassers aufgrund niedriger Temperaturen an diesen Bereichen Eis bilden sollte, hat dies keinen oder nur einen geringen Einfluss auf den Betrieb der Ventileinrichtung, da hierdurch insbesondere die Beweglichkeit des Ventilkörpers nicht eingeschränkt wird, wie es etwa durch Festfrieren des Ventilkörpers an dem Ventilsitz bzw. dem Dichtelement geschehen könnte.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels kann es vorgesehen sein, dass jeweils eine Ventileinrichtung zustromseitig und abstromseitig des Kathodenbereichs ausgebildet ist. In dieser besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weist dieser also zwei getrennte Ventileinrichtungen auf, welche den Brennstoffzellenstapel zustromseitig und abstromseitig für den Fall des Nicht-Betriebs absperren können, um so sicher und zuverlässig das Nachströmen von Luft, sei es durch Konvektionseffekte, Wndeffekte oder dergleichen zu verhindern.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die beiden Ventileinrichtungen als Gleichteile ausgeführt sind. Die beiden Ventileinrichtungen können also dementsprechend als Gleichteile ausgeführt werden, was sie bezogen auf den Gesamtaufbau kostengünstiger macht, da jeder der Ventileinrichtungen in einer höheren Stückzahl hergestellt wird, was zu Skalierungseffekten führt. Sie werden dann innerhalb des Brennstoffzellenstapels mit umgekehrter Einbaulage verbaut, sodass sie eingangsseitig und ausgangsseitig in derselben Richtung durchströmt werden
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist einen vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenstapel auf, wobei der Brennstoffzellenstapel eine stromabwärts eines Ausgangs des Kathodenbereichs angeordnete und in den Brennstoffzellenstapel integrierte Ventileinrichtung, welche in einer Ausführung als eine passive, magnetisch degressive Ventileinrichtung ausgebildet ist, aufweist, und das Brennstoffzellensystem ferner ein stromaufwärts eines Eingangs des Kathodenbereichs angeordnetes (aktives) Mehrwege-Ventil, und eine Gasstrahlpumpe mit zumindest einem Saugeingang und einem Antriebseingang aufweist, wobei ein Eingang des Mehrwege-Ventils mit einer Zuluftleitung des Kathodenbereichs, ein erster Ausgang des Mehrwege-Ventils mit dem Eingang des Kathodenbereichs, und ein zweiter Ausgang des Mehrwege-Ventils mit dem Antriebseingang der Gasstrahlpumpe verbunden ist, ein Saugeingang des zumindest einen Saugeingangs der Gasstrahlpumpe mit einem Ausgang des Kathodenbereichs, in einer Ausführung stromaufwärts der Ventileinrichtung, schaltbar, in einer Ausführung mittels eines Kathodenabsaugventils, verbunden ist und/oder ein anderer Saugeingang des zumindest einen Saugeingangs der Gasstrahlpumpe mit einem Ausgang des Anodenbereichs, in einer Ausführung über eine mit dem Ausgang des Anodenbereichs verbundene Rezirkulationsleitung, schaltbar, in einer Ausführung mittels eines Purge- /Drainventils, verbunden ist.
Hierdurch lassen sich gegebenenfalls vorhandene Flüssigkeiten wie etwa Wasser, durch bzw. nach Verdampfung bei niedrigem Druck, sowie Gase wie etwa Luft selbst bei niedrigen Temperaturen aus dem Volumen des Anodenbereichs ebenso absaugen wie aus dem Volumen des Kathodenbereichs. Im Idealfall erfolgt die Absaugung dabei relativ gleichmäßig, um zu hohe Druckdifferenzen zwischen dem Kathodenbereich und dem Anodenbereich zu vermeiden und damit die Membranen zu schonen.
Hierbei nimmt man den Nachteil, dass für die Ansteuerung des aktiven Mehrwege-Ventils eine Verkabelung notwendig ist, in Kauf, für den Vorteil, den Brennstoffzellenstapel unter Unterdrück setzen zu können, was mit zwei passiven Ventileinrichtungen an der Eingangs- und Ausgangsseite des Kathodenbereichs nicht möglich wäre, weil eines davon immer aufgedrückt werden würde.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist der zweite Ausgang des Mehrwege-Ventils über eine Kathodenbypassleitung, in welcher die Gasstrahlpumpe angeordnet ist, mit einer Abluftleitung des Kathodenbereichs verbunden. Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist das Mehrwege-Ventil in eine Komponente des Brennstoffzellensystems integriert.
Hierdurch kann in einer Ausführung der für das Brennstoffzellensystem benötigte Bauraum reduziert werden.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem weist dieses ferner einen Gas/Gas-Befeuchter als die Komponente, welcher stromaufwärts des Eingangs des Kathodenbereichs angeordnet ist, und eine Gas/Gas-Befeuchter-Bypassleitung, welche stromaufwärts des Gas/Gas- Befeuchters mit der Zuluftleitung verbunden ist, und stromaufwärts des Gas/Gas- Befeuchters mit einer Abluftleitung des Kathodenbereichs verbunden ist, auf, wobei das Mehrwege-Ventil in den Gas/Gas-Befeuchter, in einer Ausführung mit einer Befeuchterbypassklappe des Gas/Gas-Befeuchters, integriert ist und/oder die Gasstrahlpumpe derart in der Gas/Gas-Befeuchter-Bypassleitung angeordnet ist, dass der zweite Ausgang des Mehrwege-Ventils mit dem Antriebseingang der Gasstrahlpumpe verbunden ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Brennstoffzellenstapel in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine Ventileinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil der in Fig. 3 gezeigten Ventileinrichtung in Richtung einer Strömungsrichtung,
Fig. 5 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit einer Schließkraft der Ventileinrichtung von einem Öffnungsgrad der Ventileinrichtung veranschaulicht, und Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Teils eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist stark schematisiert angedeutet ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, wie es beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug 2 vorgesehen sein kann. Den Kem dieses Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei ein Brennstoffzellenstapel 3, welcher häufig auch als Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack bezeichnet wird. Er besteht typischerweise aus einer Vielzahl von aufgestapelten Einzelzellen 24 (vgl. Figur 2). Rein beispielhaft ist hier ein gemeinsamer Anodenraum 4 bzw. Anodenbereich 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 bzw. Kathodenbereich 5 angedeutet, welche über eine protonenleitende Membran 6 getrennt sind. Der Brennstoffzellenstapel 3 ist also ein PEM- Brennstoffzellenstack.
Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle 7, beispielsweise einem Druckgasspeicher oder einem Cryospeicher, zugeführt. Über eine Druckregel- und Dosiereinheit 8 gelangt dieser Wasserstoff in den Anodenraum 4 der jeweiligen Einzelzellen. Über eine Rezirkulationsleitung 9 mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung 10, hier rein beispielhaft einem Rezirkulationsgebläse, kann nicht verbrauchter Wasserstoff zurückgeführt werden. Von Zeit zu Zeit kann Wasser und der Wasserstoff aus einem Wasserabscheider 11 abgelassen und über ein Purge- und Drainventil 12 abgeführt werden.
Dem Kathodenbereich 5 des Brennstoffzellensystems 1 wird über eine Zuluftleitung 13 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft gelangt über eine Abluftleitung 14 aus dem Brennstoffzellensystem 1. Zum Fördern der benötigten Luft ist hier ein Strömungsverdichter 15 angeordnet. Die nach dem Strömungsverdichter 15 heiße und trockene Luft gelangt über einen Gas/Gas-Befeuchter 16 sowie gegebenenfalls über einen hier nicht dargestellten Ladeluftkühler in den Kathodenbereich 5. Die feuchte Abluft aus dem Kathodenbereich 5 gelangt über die Abluftleitung 14 wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 16, in dessen Bereich sie Feuchtigkeit an die trockene und heiße Zuluft abgibt und strömt dann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftturbine 19 in die Umgebung. Die Abluftturbine 19 und der Strömungsverdichter 15 sind über eine gemeinsame Welle 17 sowie eine elektrische Maschine 18 miteinander verbunden, um so im Bereich der Abluftturbine 19 anfallende Energie zur Unterstützung des Antriebs der Luftfördereinrichtung 15, und für den Fall, dass diese keine Antriebsleistung benötigt, zum generatorischen Antrieb der elektrischen Maschine 18 zu nutzen.
Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem Stand der Technik weist nun in der Zuluftleitung 13 ebenso wie in der Abluftleitung 14, hier rein beispielhaft zwischen dem Gas/Gas-Befeuchter und dem Brennstoffzellenstapel 3, zwei Kathodenabsperrventile 20, 21 auf. Diese Kathodenabsperrventile 20, 21 sind typischerweise als aktiv angesteuerte Klappen ausgebildet, welche innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 vergleichsweise viel Bauraum benötigen und entsprechend teuer und aufwändig hinsichtlich der Montage und der Ansteuerung sind.
Dennoch ist der Effekt solcher Kathodenabsperrventile 20, 21 auf die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 3 positiv, da sie das Nachströmen von frischer Luft in den Kathodenbereich 5 verhindern können, was letztlich dazu führt, dass dort im Idealfall nach einem längeren Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 nur noch Stickstoff vorliegt und kein Wasserstoff aus dem Anodenbereich 4 über den Brennstoffzellenstapel 3 im Stillstand mehr verbraucht wird. Bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Brennstoffzellenstapels 3 lässt sich so ein für die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 3 kritischer Luft/Luft-Start verhindern.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun eine schematische Darstellung des Brennstoffzellenstapels 3 in einer möglichen Ausführungsvariante gemäß der Erfindung zu erkennen. Zwischen zwei Endplatten 22, 23 sind dabei eine Vielzahl von Einzelzellen 24 verspannt, von welchen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, und welche jeweils einen Kathodenbereich 5 bzw. Kathodenraum 5 und einen Anodenbereich 4 bzw. Anodenraum 4 sowie die Membran 6 aufweisen. Über Durchbrüche in den Einzelzellen 24 sind die einzelnen Anodenbereiche 4 und Kathodenbereiche 5 ebenso wie ein Kühlmedienströmungsbereich, welcher einen Kühlwärmetauscher innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 ausbildet, miteinander verbunden. Über eine Wasserstoffzuleitung 25 wird im Anodenbereich 4 Wasserstoff im Bereich der ersten Endplatte 22 zugeführt und strömt im Bereich der anderen Endplatte 23 in die Rezirkulationsleitung 9 ab. Ferner ist in der Darstellung der Figur 2 eine Kühlmedienzufuhr 26 im Bereich der ersten Endplatte 22 und eine Kühlmedienabfuhr 27 im Bereich der anderen Endplatte 23 zu erkennen. Die Zuluftleitung 13 ist an die erste Endplatte 22 und die Abluftleitung 14 an die zweite Endplatte 23 angeschlossen. Anstelle von Kathodenabsperrventilen 20, 21 im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 sind diese nun in den Brennstoffzellenstapel 3 integriert, vorzugsweise so, wie es hier schematisch angedeutet ist, in die jeweilige Endplatte 22, 23. Die Endplatte 22 trägt also das zuluftseitige Kathodenabsperrventil 20, welches eine Ventileinrichtung im Sinne dieser Anmeldung ist, integriert in sich, die andere Endplatte 23 das abluftseitige Kathodenabsperrventil 21, welches ebenfalls eine Ventileinrichtung im Sinne dieser Anmeldung ist. Idealerweise sind die in die jeweiligen Endplatten 22, 23 des Brennstoffzellenstapels 3 integrierten Kathodenabsperrventile 22, 21 passiv ausgebildet, sind also im Normalfall geschlossen und werden durch die anströmende Zuluft bzw. die anströmende Abluft entsprechend aufgedrückt, sodass sie einfach, effizient und bei minimalem Bedarf an Bauraum innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 umgesetzt werden können.
In der Darstellung in Figur 3 ist nun eine schematische Darstellung eines in einen Abschnitt des in Figur 2 gezeigten Brennstoffzellenstapels 3 integrierten Kathodenabsperrventils 20, 21 in einer möglichen Ausführungsvariante gemäß der Erfindung zu erkennen.
Das Kathodenabsperrventil 20, 21 bzw. die Ventileinrichtung 20, 21 weist einen Ventilkörper 101 auf, welcher in einem Hohlraum eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels 3 angeordnet ist. Der Ventilkörper 101 ist zumindest abschnittsweise entlang einer durch einen Pfeil P1 in Figur 3 veranschaulichten, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch vorliegenden Strömungsrichtung des in oder aus dem Kathodenbereich 5 strömenden (Kathoden-)Gases bzw. (Kathoden-)Fluids und entgegen der Strömungsrichtung des Kathodengases innerhalb des Hohlraums des Abschnitts des Brennstoffzellenstapels 3 beweglich, insbesondere linear beweglich, angeordnet. Hierbei verjüngt sich ein Querschnitt des Hohlraums des Abschnitts des Brennstoffzellenstapels 3 bzw. des den Hohlraum umgebenden Bereich des Brennstoffzellenstapels 3 in Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Kathodengases, so dass die Bewegung des Ventilkörpers 101 in Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Kathodengases durch den sich verjüngenden Querschnitt beschränkt wird. Durch den Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 3, in dem sich der Querschnitt verjüngt, wird ein Ventilsitz 120 des Kathodenabsperrventils 20, 21 gebildet. Bei Anliegen des Ventilkörpers 101 an dem Ventilsitz 120, in einer Ausführungsform bei Anliegen des Ventilkörpers 101 an einem in dem Bereich des Ventilsitzes 120 angeordneten, beispielsweise als O-Ring ausgebildeten Dichtelements 102, wie in Figur 3 veranschaulicht, befindet sich das Kathodenabsperrventil 20, 21 in einer Geschlossenstellung, während sich das Kathodenabsperrventil 20, 21 bei Nicht-Anliegen des Ventilkörpers 101 an dem Ventilsitz 120 bzw. bei Nicht-Anliegen des Ventilkörpers 101 an dem Dichtelement 102 in einer Geöffnet-Stellung befindet.
Zur Führung der Bewegung, insbesondere Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Ventilkörpers 101 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 weist das Kathodenabsperrventil 20, 21 ferner eine Führungseinrichtung 112 mit einer oder mehreren Führungsflächen auf, die dazu eingerichtet ist bzw. sind, die Bewegung des Ventilkörpers 101 zu führen, insbesondere indem der Ventilkörper 101 bei seiner Bewegung an dieser bzw. diesen entlanggleitet.
Die Führungseinrichtung 112 ist mittels einem oder mehreren, vorzugsweise drei, Befestigungselementen 106, insbesondere finnenartigen Befestigungselementen 106, an einer Innenseite des den Hohlraum umgebenden Abschnitts des Brennstoffzellenstapels 1 montiert, wodurch die Position der Führungseinrichtung 112 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 festgelegt ist. In Figur 4 ist eine entsprechende Draufsicht in Richtung der Strömungsrichtung des Kathodengases auf die Führungseinrichtung 112 einschließlich der Befestigungselemente 106 dargestellt.
Die Führungseinrichtung 112 weist einen zylinderförmigen Abschnitt auf, der sich vorzugsweise parallel zu der Strömungsrichtung des Kathodengases erstreckt, wobei ein einem Eingang des Kathodenabsperrventil 20, 21 abgewandtes Ende des zylinderförmigen Abschnitts in einer Ausführungsform geschlossen sein kann, und in einer anderen, in Figur 3 gezeigten Ausführungsform, einen Durchgang 105 aufweisen kann, durch welchen eine eventuell vorhandene Flüssigkeit, wie etwa Wasser, abfließen kann.
Der Ventilkörper 101 weist einen oder mehrere Vorsprünge auf, die sich in Richtung eines Ausgangs des Kathodenabsperrventils 20, 21 erstrecken, wobei sich einer der Vorsprünge, insbesondere ein zentraler Vorsprung, in den durch den zylinderförmigen Abschnitt der Führungseinrichtung 112 gebildeten Hohlraum erstreckt, und ein anderer der Vorsprünge den dem Eingang des Kathodenabsperrventils 20, 21 zugewandten Ende des zylinderförmigen Abschnitts der Führungseinrichtung 112 umgibt.
Das Kathodenabsperrventil 20, 21 ist als magnetisch degressives Ventil ausgebildet, das im Normalfall, insbesondere wenn der Druckunterschied zwischen dem Druck auf der Eingangsseite des Kathodenabsperrventils 20, 21 und dem Druck auf der Ausgangsseite des Kathodenabsperrventils 20, 21 geringer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, durch Magnetkräfte in der Geschlossen-Stellung gehalten wird. Die Kraft, mit der das Kathodenabsperrventil 20, 21 in der Geschlossen-Stellung gehalten wird, ist vergleichsweise groß, wobei eine Schließkraft F zum erneuten Versetzen des Kathodenabsperrventils 20, 21 in die Geschlossen-Stellung nach Öffnung des Kathodenabsperrventils 20, 21 mit zunehmender Öffnung bzw. Entfernung D des Ventilkörpers 101 von dem Ventilsitz 120 bzw. Dichtelement 102 abnimmt, wie in dem Diagramm der Figur 5 veranschaulicht, im Unterschied zu federbelasteten Ventilen, bei denen die Schließkraft mit zunehmender Öffnung abnimmt.
Hierzu weist das Kathodenabsperrventil 20, 21 einen oder mehrere, im Bereich des Ventilsitzes 120 oder beabstandet von dem Ventilsitz 120 angeordnete, vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildete Magnete 104 mit Nord- bzw. Süd-Polen 104-1 , 104-2 auf, wobei der Ventilkörper 101 zumindest abschnittweise, insbesondere in einem oder mehreren dem bzw. den Magneten 104 zugewandten Bereich(en) und/oder in einem oder mehreren dem bzw. den Magneten 104 nahegelegenen, insbesondere nächstgelegenen Bereich(en) 116, ein magnetisierbares Material und/oder einen (Permanent-)Magneten mit gleicher Polung wie die Magnete 104 aufweist. Dadurch wird der Ventilkörper 101 anhand der zwischen den Magneten 104 und dem magnetisierbaren Material und/oder dem (Permanent-)Magneten des Ventilkörpers 101 auftretenden Magnetkräfte in Richtung des Eingangs des Kathodenabsperrventils 20, 21 getrieben.
In einer optionalen Ausführung sind zusätzlich ein feststehender, vorzugsweise an der Führungseinrichtung 112 montierter, (Permanent-)Magnet 108 mit Nord- bzw. Südpolen 108-1 , 108-2 im Inneren des zylinderförmigen Abschnitts der Führungseinrichtung 112 und ein an dem Ventilkörper 101 montierter und zusammen mit diesem bewegbarer (Permanent-)Magnet 107 mit Nord- bzw. Südpolen 107-1 , 107-2 vorgesehen, deren Polung derjenigen des Magneten 104 entspricht, so dass die Anziehung zwischen den beiden Magneten 107, 108 und somit die Schließkraft mit zunehmender Öffnung des Kathodenabsperrventils 20, 21 weiter abnimmt.
Auf seinem dem Eingang des Kathodenabsperrventils 20, 21 zugewandten Ende weist der Ventilkörper 101 eine, insbesondere ringförmige, Vertiefung bzw. Wanne 110 auf, mit welcher insbesondere in dem Fall, dass das Kathodenabsperrventil 20, 21 ausgangsseitig des Kathodenbereichs 5 integriert ist, eventuell aus dem Kathodenbereich 5 austretende Flüssigkeit, wie etwa Wasser, aufgefangen werden kann. Hierzu ist das Kathodenabsperrventil 20, 21 bzw. der Ventilkörper 101 bevorzugt derart innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 montiert, dass die freiliegende Oberfläche der Wanne 110 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nach oben weist, so dass mittels der Wanne 110 eine von oben herabfallende und auf den Ventilkörper 101 auftreffende Flüssigkeit in der Wanne 110 gesammelt werden kann.
In einer Ausführung ist die Oberfläche der Wanne 110 hydrophil ausgebildet, wie durch die mit dem Bezugszeichen 103 versehenen gestrichelten Linien in Figur 3 veranschaulicht. In einer Ausführung sind auch in Richtung des Ausgangs des Kathodenabsperrventils 20, 21 weisende Oberflächen von Hinterschneidungen 113, welche seitlich des Ventilkörpers 101 in dem Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 3, in dem die Ventileinrichtung 20, 21 integriert ist, vorgesehen sind, hydrophil ausgebildet, wie durch die gestrichelten Linien 114 veranschaulicht.
Durch die hydrophile Ausbildung der Oberfläche der Wanne 110 und/oder der Oberflächen der Hinterschneidungen 113 wird an diesen Stellen eine gegebenenfalls in dem Kathodengas enthaltene Flüssigkeit, wie etwa Wasser, angesammelt und somit dem Rest des Brennstoffzellenstapels 3 bzw. des Brennstoffzellensystems 1 zumindest zeitweise entzogen. Selbst wenn sich durch diese Ansammlung des Wassers aufgrund niedriger Temperaturen an diesen Stellen Eis bilden sollte, hat dies keinen oder nur einen geringen Einfluss auf den Betrieb des Kathodenabsperrventils 20, 21 , da hierdurch insbesondere die Beweglichkeit des Ventilkörpers 101 nicht eingeschränkt wird, wie es etwa durch Festfrieren des Ventilkörpers 101 an dem Ventilsitz 120 bzw. dem Dichtelement 102 geschehen könnte.
Zur weitgehenden Verhinderung des Festfrierens des Ventilkörpers 101 an dem Ventilsitz 120 bzw. dem Dichtelement 102 sind des Weiteren eine Oberfläche des Ventilsitzes 120 und/oder des Dichtelements 102 und/oder eine Oberfläche des Ventilkörpers 101 , wobei die Oberfläche des Ventilsitzes 120 und/oder des Dichtelements 102 der Oberfläche des Ventilkörpers 101 zugewandt sind, wie durch die mit dem Bezugszeichen 111 versehene gestrichelte Linie veranschaulicht, und/oder die Führungsfläche(n) und/oder eine dem Eingang des Kathodenabsperrventils 20, 21 zugewandte Stirnseite der Führungseinrichtung 112 und/oder der Führungseinrichtung 112 zugewandte Abschnitte des Ventilkörpers 101 hydrophob ausgebildet, wie durch die mit den Bezugszeichen 109 versehenen gestrichelten Linien veranschaulicht, wodurch die Ansammlung von Flüssigkeit, insbesondere Wasser an diesen Stellen zumindest weitgehend verhindert werden kann.
Die Hydrophobierung/Hydrophilierung der oben genannten Bereiche bzw. Oberflächen kann beispielsweise durch a) Wahl eines entsprechenden hydrophoben/hydrophilen Materials; b) Polieren der jeweiligen Oberfläche zur Hydrophobierung oder Aufrauen der jeweiligen Oberfläche Hydrophilierung; c) Plasmabehandlung der jeweiligen Oberfläche; d) Hervorrufung von Kapillarkräften durch Formgebung, beispielsweise durch Ausbildung von Lamellen auf der jeweiligen Oberfläche erfolgen.
In der Darstellung in Figur 6 ist nun eine schematische Ansicht eines Teils eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung zu erkennen.
In dieser Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 1 lediglich ein in den Brennstoffzellenstapel 3 integriertes Kathodenabsperrventil 20, 21 auf, insbesondere beispielsweise ein in Fig. 3 veranschaulichtes passives, magnetisch degressives Kathodenabsperrventil 21, das nahe des Ausgangs des Kathodenbereichs 5 angeordnet ist.
Auf der Eingangsseite des Kathodenbereichs 5, vorzugsweise in der Zuluftleitung 13 angeordnet oder integriert in eine andere Komponente des Brennstoffzellensystems 1 , ist hingegen ein aktives bzw. aktiv ansteuerbares, als Kathodenabsperrventil fungierendes Mehrwege-Ventil 204, insbesondere 3/2-Wege-Ventil, angeordnet.
In einer nicht gezeigten Ausführung ist das Mehrwege-Ventil 204 in eine Luftaufbereitungseinheit (LAE) bzw. Befeuchtereinheit wie etwa dem Gas-Gas- Befeuchter 16 integriert und dort ferner mit bzw. in einer üblicherweise vorgesehenen Befeuchterbypassklappe bzw. -Steuerfunktion integriert.
Der Eingang des Mehrwege-Ventils 204 ist mit der Zuluftleitung 13 verbunden. Ein erster Ausgang des Mehrwege-Ventils 204 ist mit dem Eingang des Kathodenbereichs 5 verbunden, wobei durch Sperren des ersten Ausgangs des Mehrwege-Ventils 204 der Strömungsweg in den Kathodenbereich versperrt wird. Ein zweiter Ausgang des Mehrwege-Ventils 204 ist über eine Kathodenbypassleitung 208, in welcher optional, wie in Fig. 6 veranschaulicht, ein Katalysator 206 vorgesehen sein kann, mit der Abluftleitung 14 des Kathodenbereichs 5 stromabwärts des Kathodenabsperrventils 21 verbunden.
Das in den Brennstoffzellenstapel 3 integrierte Kathodenabsperrventil 21 und das Mehrwege-Ventil 204 sind insbesondere über eine Gasstrahl- bzw. Saugstrahlpumpe bzw. Strahlpumpe 203, welche beispielsweise eine Venturi-Düse enthalten kann oder aus dieser gebildet ist und von dem durch die Kathodenbypassleitung 208 strömenden Kathodengas als Treibstrahl, welcher in einen Antriebseingang der Gasstrahlpumpe 203 strömt, angetrieben wird, miteinander verbunden. Hierbei ist eine mit der Rezirkulatonsleitung 9, insbesondere mit einem Ausgang eines in der Rezirkulatonsleitung 9 angeordneten Wasserabscheiders 205, verbundene Abblasleitung 209 über ein Abblasventil oder Purgeventil 202 bzw. Purge-/Drainventil 202 mit einem Saugeingang der Gasstrahlpumpe 203 verbunden. Weiterhin ist eine mit dem Ausgang des Kathodenbereichs 5 stromaufwärts des Kathodenabsperrventils 21 verbundene Kathodenstichleitung 207 über ein Kathodenabsaugventil 201 mit einem anderen Saugeingang der Gasstrahlpumpe 203 verbunden.
Auf diese Weise können durch Schaltung des Mehrwege-Ventils 204 auf den zweiten Ausgang zur Verbindung der Zuluftleitung 13 mit der Abluftleitung 14 über die Gasstrahlpumpe 203 und Schaltung des Kathodenabsaugventils 201 in eine Geöffnet- Stellung einerseits der Kathodenbereich 5, und durch Schaltung des Mehrwege-Ventils 204 auf den zweiten Ausgang zur Verbindung der Zuluftleitung 13 mit der Abluftleitung 14 über die Gasstrahlpumpe 203 und Schaltung des Purge-/Drainventils 202 in eine Geöffnet-Stellung andererseits der Anodenbereich 4 unter Unterdrück gesetzt werden.
Somit lassen sich gegebenenfalls vorhandene Flüssigkeiten wie etwa Wasser, durch bzw. nach Verdampfung bei niedrigem Druck, sowie Gase wie etwa Luft selbst bei niedrigen Temperaturen aus dem Volumen des Anodenbereichs 4 oder dem Anodenkreislauf ebenso absaugen wie aus dem Volumen des Kathodenbereichs 5. Im Idealfall erfolgt die Absaugung dabei relativ gleichmäßig, um zu hohe Druckdifferenzen zwischen dem Kathodenbereich 5 und dem Anodenbereich 4 zu vermeiden und damit die Membranen zu schonen. In einem Brennstoffzellensystem 1 mit zwei passiven Kathodenabsperrventilen 20, 21 an der Eingangs- bzw. Ausgangsseite des Kathodenbereichs 5 wäre diese (Absaug- und Verdampfungs-)Funktion nicht verfügbar, weil sich eines der Kathodenabsperrventil 20, 21 , insbesondere das eingangsseitige Kathodenabsperrventil 20, immer wieder durch Saugen öffnen würde.
In einer nicht gezeigten Ausführung kann die Gasstrahlpumpe 203 alternativ zu, vorzugsweise zusammen mit dem Mehrwege-Ventil 204, in einem Bypass der Luftaufbereitungseinheit (LAE) bzw. Befeuchtereinheit wie etwa dem Gas-Gas- Befeuchter 16 integriert sein und dort ferner mit bzw. in einer üblicherweise vorgesehenen Befeuchterbypassklappe bzw. -Steuerfunktion integriert sein. Hierbei kann die Gasstrahlpumpe 203 von dem durch den Bypass strömenden Gas als Treibstrahl angetrieben werden, und die Gasstrahlpumpe 203 saugseitig über ein Kathodenabsaugventil 201 bzw. ein Purge-/Drainventil 202 und entsprechender Leitungen mit dem Kathodenbereich 5 bzw. dem Anodenbereich 4 schaltbar verbunden sein, um diese absaugen und entleeren zu können.

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellenstapel (3) mit einer Vielzahl von Einzelzellen (24), wobei die Einzelzellen (24) einen gemeinsamen Kathodenbereich (5) und einen von dem gemeinsamen Kathodenbereich (5) getrennten gemeinsamen Anodenbereich (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) zum Versperren des Strömungswegs in den Kathodenbereich (5) hinein und/oder aus dem Kathodenbereich (5) heraus integriert ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) in wenigstens eine Endplatte (22, 23) integriert ausgebildet ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) als im Normalfall geschlossene Ventileinrichtung (20, 21) ausgebildet ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilkörper (101) der wenigstens einen Ventileinrichtung (20, 21) gegen Federdruck und/oder gegen magnetische, insbesondere permanentmagnetische, Kräfte bei einem ausreichenden Volumenstrom durch den Kathodenbereich (5) hindurch offen gehalten ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (101) aus weichmagnetischem Material, insbesondere als Drehteil, ausgebildet ist oder ein weichmagnetisches, insbesondere magnetisierbares Material und/oder einen Permanentmagneten enthält, wobei im Bereich des Ventilsitzes direkt oder mittelbar mit diesem in magnetischer Wirkverbindung stehend wenigstens ein Permanentmagnet (104) angeordnet ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (101) ein einem Eingang der wenigstens einen Ventileinrichtung (20, 21) zugewandtes Ende aufweist, welches eine, insbesondere ringförmige, Vertiefung (110) aufweist, wobei insbesondere das Ende des Ventilkörpers (101) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nach oben weist. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) eine Führungseinrichtung (112) mit einer oder mehreren Führungsflächen aufweist, die dazu eingerichtet ist bzw. sind eine Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Ventilkörpers (101) zu führen, wobei die Führungseinrichtung (112) einen zylinderförmigen Abschnitt aufweist, der Ventilkörper (101) zumindest einen Vorsprung aufweist, der sich in Richtung eines Ausgangs der wenigstens einen Ventileinrichtung (20, 21) erstreckt, wobei insbesondere ein zentraler Vorsprung des zumindest einen Vorsprungs sich in einen durch den zylinderförmigen Abschnitt der Führungseinrichtung (112) gebildeten Hohlraum erstreckt und/oder ein Vorsprung des zumindest einen Vorsprungs ein dem Eingang der wenigstens einen Ventileinrichtung (20, 21) zugewandtes Ende des zylinderförmigen Abschnitts der Führungseinrichtung (112) umgibt. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Eingang der wenigstens einen Ventileinrichtung (20, 21) abgewandtes Ende des zylinderförmigen Abschnitts der Führungseinrichtung (112) geschlossen ist oder einen Durchgang (105) aufweist. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) einen feststehenden, insbesondere an der Führungseinrichtung (112) montierten, Magneten (108), und einen an dem Ventilkörper (101) montierten, zusammen mit dem Ventilkörper (101) beweglichen Magneten (107) aufweist, und eine Magnetkraft zwischen dem feststehenden Magneten (108) und dem zusammen mit dem Ventilkörper (101) beweglichen Magneten (107) bewirkt, dass sich der feststehende Magnet (108) und der zusammen mit dem Ventilkörper (101) bewegliche Magnet (107) gegenseitig anziehen. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) Bereiche (103, 111) mit hydrophober Oberfläche aufweist, wobei insbesondere eine Oberfläche des Ventilsitzes (120) und/oder eines in einem Bereich des Ventilsitzes (120) angeordneten Dichtelements (102) und/oder eine Oberfläche des Ventilkörpers (101) hydrophob ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des Ventilsitzes (120) und/oder des Dichtelements (102) der Oberfläche des Ventilkörpers (101) zugewandt sind, und/oder wobei eine Führungsfläche der Führungseinrichtung (112) und/oder eine dem Eingang des Ventileinrichtung (20, 21) zugewandte Stirnseite der Führungseinrichtung (112) und/oder der Führungseinrichtung (112) zugewandte Oberflächenabschnitte des Ventilkörpers (101) hydrophob ausgebildet sind. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) Bereiche (103) mit hydrophiler Oberfläche aufweist, wobei insbesondere eine Oberfläche der Vertiefung (110) und/oder eine in Richtung des Ausgangs der Ventileinrichtung (20, 21) weisende Oberfläche einer Hinterschneidung (113), welche seitlich des Ventilkörpers (101) in einem Abschnitt des Brennstoffzellenstapels (3), in dem die Ventileinrichtung (20, 21) integriert ist, vorgesehen ist, hydrophil ausgebildet ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Ventilsitzes ein im Windschatten der Durchströmung liegendes Dichtelement (102) angeordnet ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens eine Ventileinrichtung (20, 21) zustromseitig und abstromseitig des Kathodenbereichs (5) ausgebildet ist. Brennstoffzellenstapel (3) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventileinrichtungen (20, 21) als Gleichteile ausgeführt sind. Brennstoffzellensystem (1), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1) eine stromabwärts eines Ausgangs des Kathodenbereichs (5) angeordnete und in den Brennstoffzellenstapel (3) integrierte Ventileinrichtung (21), welche insbesondere als eine passive, magnetisch degressive Ventileinrichtung (21) ausgebildet ist, aufweist, und das Brennstoffzellensystem (1) ferner aufweist: ein stromaufwärts eines Eingangs des Kathodenbereichs (5) angeordnetes Mehrwege-Ventil (204), und eine Gasstrahlpumpe (203) mit zumindest einem Saugeingang und einem Antriebseingang, wobei ein Eingang des Mehrwege-Ventils (204) mit einer Zuluftleitung (13) des Kathodenbereichs (5), ein erster Ausgang des Mehrwege-Ventils (204) mit dem Eingang des Kathodenbereichs (5), und ein zweiter Ausgang des Mehrwege-Ventils (204) mit dem Antriebseingang der Gasstrahlpumpe (203) verbunden ist, ein Saugeingang des zumindest einen Saugeingangs der Gasstrahlpumpe (203) mit einem Ausgang des Kathodenbereichs (5), insbesondere stromaufwärts der Ventileinrichtung (21), schaltbar, insbesondere mittels eines Kathodenabsaugventils (201), verbunden ist und/oder ein anderer Saugeingang des zumindest einen Saugeingangs der Gasstrahlpumpe (203) mit einem Ausgang des Anodenbereichs (4), insbesondere über eine mit dem Ausgang des Anodenbereichs (4) verbundene Rezirkulationsleitung (9), schaltbar, insbesondere mittels eines Purge-/Drainventils (202), verbunden ist. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 15, bei dem der zweite Ausgang des Mehrwege-Ventils (204) über eine Kathodenbypassleitung (208), in welcher die Gasstrahlpumpe (203) angeordnet ist, mit einer Abluftleitung (14) des Kathodenbereichs (5) verbunden ist. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 15, bei dem das Mehrwege-Ventil (204) in eine Komponente des Brennstoffzellensystems (1) integriert ist. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 17, ferner aufweisend einen Gas/Gas- Befeuchter (16) als die Komponente, welcher stromaufwärts des Eingangs des Kathodenbereichs (5) angeordnet ist, und eine Gas/Gas-Befeuchter-Bypassleitung, welche stromaufwärts des Gas/Gas- Befeuchters (16) mit der Zuluftleitung (13) verbunden ist, und stromaufwärts des Gas/Gas-Befeuchters (16) mit einer Abluftleitung (14) des Kathodenbereichs (5) verbunden ist, wobei das Mehrwege-Ventil (204) in den Gas/Gas-Befeuchter (16), insbesondere mit einer Befeuchterbypassklappe des Gas/Gas-Befeuchters (16), integriert ist und/oder die Gasstrahlpumpe (203) derart in der Gas/Gas-Befeuchter-Bypassleitung angeordnet ist, dass der zweite Ausgang des Mehrwege-Ventils (204) mit dem Antriebseingang der Gasstrahlpumpe (203) verbunden ist.
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