WO2017025556A1 - Brennstoffzellenstapel mit interner partikelzurückhaltefunktion sowie fahrzeug mit einem solchen brennstoffzellenstapel - Google Patents

Brennstoffzellenstapel mit interner partikelzurückhaltefunktion sowie fahrzeug mit einem solchen brennstoffzellenstapel Download PDF

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cell stack
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channel
cathode
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Peter Bach
Ingo Drescher
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack with internal particle retention function and a fuel cell system with such a stack.
  • the invention further relates to a vehicle having such a fuel cell system or such a fuel cell stack.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA) for membrane electrode assembly, which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the latter include mostly supported precious metals, especially platinum.
  • gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
  • the fuel cell is formed by a large number of stacked (MEA) MEAs whose electrical powers are added together.
  • Bipolar plates also called flux field plates or separator plates
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
  • the fuel anode operating medium
  • hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture fed via an anode-side open flow field of the bipolar plate of the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " ).
  • the electrolyte or the membrane Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, there is a (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment
  • the electrons supplied are supplied to the cathode via an electrical line open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air) supplied as cathode operating medium, so that a reduction of 0 2 to 2 0 2 ⁇ taking up the electrons takes place (2 0 2 + 2 e " -> 0 2 ⁇ ) react in the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air) supplied as cathode operating medium, so that a reduction of 0 2 to 2 0 2 ⁇ taking up the electrons takes place (2 0 2 + 2 e " -> 0 2 ⁇ ) react in the
  • Anode operating gas for example, hydrogen
  • the cathode operating gas for example, air
  • the coolant are supplied through main supply passages that pass through the stack in its entire stacking direction and from which the operating media are supplied to the single cells via the bipolar plates.
  • main supply passages For each operating medium at least two such main supply channels are present, namely one for feeding and one for discharging the respective operating medium.
  • the invention is based on the object to propose a fuel cell system, which allows a more compact and weight-reduced design and at the same time protects the fuel cell stack from particulate contamination of the operating media.
  • the fuel cell stack according to the invention comprises a stack alternately
  • the stack further comprises
  • Fuel cell stack which pass through the stack in its stacking direction.
  • the arrangement of means for retaining particles within at least one of the main supply channels, that is, within a fuel cell stack eliminates the need for a separate component for processing the respective operating medium. In this way, the complexity of the fuel cell system and the reduce
  • Particles "understood any configuration or arrangement that is suitable, particles, so solid impurities of the operating media to protect specifically from further transport and collect the means for retaining particles are preferably so
  • the fuel cell stack preferably has at least six
  • Main supply channels namely in each case a channel for feeding the
  • Anode operating medium hereinafter anode inlet channel
  • a channel for discharging the anode exhaust gas anode outlet channel
  • Cathode operating medium (cathode inlet channel), a channel for discharging the
  • Cathode exhaust gas (cathode outlet), a channel for supplying the coolant (coolant inlet channel) and a channel for the discharge of the coolant
  • Each of these main supply channels passes through the stack formed from membrane electrode assemblies and bipolar plates in its stacking direction, that is, orthogonal to the extension of the individual cells.
  • the means for retaining particles are arranged in at least one of the main supply channels for supplying operating media, that is, the anode inlet channel, the cathode inlet channel and / or the
  • Coolant inlet channel This prevents on the one hand, that particulate impurities of the respective operating medium penetrate into the individual cells of the fuel cell stack or deposit within the main supply channel and lead to blockages there.
  • a separate processing device for the respective operating medium for example a particle filter, can be omitted, or at least dimensioned smaller.
  • Cathode inlet channel is particularly affected by particulate deposits, as as
  • Cathode operating medium is usually used air, which is sucked from the environment and thus may have a variety of particulate impurities.
  • the usually circulating coolant can be affected with increasing life by particulate impurities.
  • the means for retaining particulates in an end portion (relative to the flow direction of the corresponding operating medium) of the at least one main supply channel are provided, in particular at a portion of the channel from which no supply channels branch off to the individual fuel individual cells.
  • the means for retaining particulates in an end portion (relative to the flow direction of the corresponding operating medium) of the at least one main supply channel are provided, in particular at a portion of the channel from which no supply channels branch off to the individual fuel individual cells.
  • the particulate retention means may be provided or formed in a downstream end plate of the fuel cell stack.
  • the retained particles are accumulated in or on the downstream end plate where they do not block the individual cells and do not affect the fluid flow of the working medium.
  • the fuel cell stack is designed to be operated in an installed position in which the main supply passages for supplying and discharging the operating media are substantially horizontal ("lying")
  • the active regions extend vertically in the case of the underlying arrangement of the respective main supply channel, or horizontally in the case of a lateral arrangement, in which case reference is made to the main supply channel having particulate below or laterally adjacent to an input region of the active regions of the membrane-electrode assemblies which communicates with this main supply channel (fluidically)
  • the means for retaining particles are particularly preferably arranged in or on a section of the main supply channel arranged at the bottom.
  • Particles at least one particle receiving cavity. This can, as will be explained below, for example, as a radial (lateral) recess of the
  • Main supply ducts may be formed or as receptacles which are formed between two protruding into the main supply channel projections.
  • the arrangement of such a cavity has the advantage of forming a reservoir in which the particles can be reliably and permanently collected without being entrained again by the flow of the operating medium.
  • the means for retaining particles comprise at least one radially disposed recess in the main supply channel and / or in the downstream one with respect to the extent of the main supply channel
  • the above-mentioned cavity is thus realized as a lateral recess.
  • Flow channels or the end plate can accumulate particles, without affecting the flow along the flow of the operating medium.
  • the radial recess is provided within the downstream end plate, no leads to the individual cells are obstructed at this point.
  • the means for retaining the particles comprise at least one projecting into the main supply channel projection in particular a plurality of such projections.
  • the projection causes the particles to decelerate so that they accumulate upstream of the projection within the channel. If a plurality of projections are provided, a cavity is formed in each case between two adjacent projections, in which the particles can accumulate. The particles accumulated there are largely protected by the incoming flow of operating fluid.
  • the at least one projection projecting into the main supply channel is formed by a section of the membrane-electrode unit or the bipolar plate projecting into the main supply channel.
  • Both the membrane-electrode units and the bipolar plates have supply openings which, when stacked, are largely aligned with one another and thus form the main supply channels.
  • the corresponding supply opening of the membrane-electrode unit has a different size than that of the bipolar plate, it comes to the formation of the projections according to the invention. In this way, by small structural changes, a particle receiving cavity (formed here between two projections) can be obtained.
  • the protrusions are formed by the membrane-electrode assemblies, it is preferably provided that the protruding portion is formed by a carrier foil or seal of the membrane-electrode assemblies.
  • Another aspect of the invention relates to a fuel cell system comprising a
  • the vehicle is preferably an electric vehicle, in which an electrical energy generated by the fuel cell system of the supply of an electric traction motor and / or a
  • FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to a preferred
  • Figure 2 is a plan view of a membrane electrode assembly
  • Figure 3 is a plan view of a bipolar plate
  • Figure 4 is a sectional view of a fuel cell stack according to the prior art
  • Figure 5 is a sectional view of a portion of a fuel cell stack according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a sectional view of a portion of a fuel cell stack according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system, generally designated 100, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 is part of a vehicle (not shown in detail), in particular an electric vehicle, which has an electric traction motor which is supplied with electrical energy by the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 having a plurality of stacked individual cells 1 1, which by
  • Each individual cell 11 thus comprises in each case an MEA 14 which has an ion-conducting polymer electrolyte membrane, not shown here, and catalytic electrodes arranged on both sides, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell reaction and are in particular formed as coatings on the membrane can.
  • the anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material.
  • An anode space 12 is thus formed between a bipolar plate 15 and the anode, and the cathode space 13 is formed between the cathode and the next bipolar plate 15.
  • the bipolar plates 15 serve to supply the
  • Gas diffusion layers between the membrane electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 may be arranged.
  • the anode supply 20 includes an anode supply path 21, which is the supply of an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, in the
  • Anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 is used.
  • the fuel cell stack 10 is a fuel cell stack 10
  • Anoden suppliesspfad 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the
  • the anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 that removes the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the anode
  • Fuel cell stack 10 dissipates.
  • the anode operating pressure on the anode side 12 of the fuel cell stack 10 is adjustable via an adjusting means 24 in the anode supply path 21.
  • the anode supply 20 may include a fuel recirculation line 25 which communicates the anode exhaust path 22 with the
  • Anoden pumpsspfad 21 connects.
  • the recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack.
  • a further adjusting means 26 is arranged, with which the recirculation rate is adjustable.
  • the cathode supply 30 includes a cathode supply path 31, which includes the
  • the cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32, which is the
  • Fuel cell stack 10 discharges and this optionally not shown
  • a compressor 33 is arranged in the cathode supply path 31. In the illustrated
  • the compressor 33 is designed as a compressor driven mainly by an electric motor, whose drive via a with a corresponding
  • Power electronics 35 equipped electric motor 34 takes place.
  • the compressor 33 may further be driven by a turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) disposed in the cathode exhaust path 32 to assist with a common shaft (not shown).
  • the turbine 36 constitutes an expander which is an expansion of the
  • Cathode exhaust gas and thus causes a reduction in its pressure.
  • the cathode supply 30 may further comprise a wastegate line 37 which connects the cathode supply line 31 with the
  • Cathode exhaust line 32 connects, so represents a bypass of the fuel cell stack 10.
  • the wastegate conduit 37 allows the operating pressure of the cathode operating medium to be reduced in the fuel cell stack 10 at short notice without shutting down the compressor 33.
  • An in the wastegate line 37 arranged adjusting means 38 allows control of the amount of the fuel cell stack 10 bypassing the cathode operating medium.
  • All adjusting means 24, 26, 38 of the fuel cell system 100 may be designed as controllable or non-controllable valves or flaps.
  • Corresponding further adjusting means can be arranged in the lines 21, 22, 31 and 32 in order to be able to isolate the fuel cell stack 10 from the environment.
  • the fuel cell system 100 may further include a humidifier module 39.
  • Humidifier module 39 is on the one hand arranged in the cathode supply path 31 in such a way that it can be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is in that
  • the humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane in the cathode operating gas, which is moistened in this way.
  • a water separator may be installed in order to condense and discharge the product water resulting from the fuel cell reaction.
  • anode exhaust gas line 22 may open into the cathode exhaust gas line 32, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.
  • Figures 2 and 3 each show an exemplary membrane-electrode assembly 14 and bipolar plate 15 in a plan view.
  • the active area AA is characterized by the fact that the fuel cell reactions take place in this area.
  • the membrane-electrode unit 14 has a catalytic electrode 143 in the active region AA on both sides of the polymer electrolyte membrane.
  • the inactive areas IA can each be divided into supply areas SA and distribution areas DA divide. Within the supply areas SA are supply openings 144 to 147 on the part of the membrane-electrode unit 14 and 154 to 159 on the part of
  • Bipolar plate 15 are arranged, which are substantially aligned with each other in the stacked state and form main supply channels in the fuel cell stack.
  • the anode inlet openings 144 and 154 serve to supply the anode operating gas, ie the
  • Fuel for example hydrogen.
  • the cathode inlet openings 146 and 156 serve to supply the
  • Cathode operating gas in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air.
  • the cathode outlet openings 147 and 157 serve to discharge the cathode exhaust gas after overflowing the active area AA.
  • Coolant inlet openings 148 and 158 serve for the supply and the
  • Coolant outlet openings 149 and 159 of the discharge of the coolant are provided.
  • the MEA 14 has an anode side 141, which is visible in FIG.
  • the illustrated catalytic electrode 143 is formed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane.
  • the cathode side 142 which is not visible in FIG. 2, has a corresponding catalytic electrode, here the cathode.
  • the polymer electrolyte membrane may extend over the entire spread of the membrane-electrode assembly 14, but at least over the active region AA. In the inactive regions IA, a reinforcing carrier foil can be arranged, which encloses the membrane.
  • the bipolar plate 15 shown in FIG. 3 likewise has a cathode side 152, which is visible in the illustration, and a non-visible anode side 151.
  • the bipolar plate 15 is composed of two joined plate halves, the anode plate and the cathode plate.
  • working fluid channels 153 are formed as open channel-like channel structures, which form the cathode inlet opening
  • FIG. 4 shows a sectional view of a fuel cell stack 10 according to the prior art.
  • the fuel cell stack 10 has a multiplicity of stacked individual cells 11, which are formed by alternately stacked membrane-electrode units 14 and bipolar plates 15.
  • the single cells 1 1 are pressed by two end plates 16 and held together fluid-tight. For this they can be clamped together by means not shown clamping means.
  • the left-hand end plate 16 is designed as a media supply plate, in that it has corresponding connections for the supply and discharge of the various operating media.
  • the left-hand end plate 16, which has been flown by the operating medium, is also referred to below as the downstream end plate 16.
  • FIG. 4 also shows, by way of example, a main supply channel 17 for supplying a
  • the operating medium 19 enters through a corresponding connection of the media supply plate 16 shown on the left
  • Main supply channel 17 and flows through this. From there it is distributed in the individual single cells 1 1 of the stack. After overflowing the catalytic areas of the
  • Membrane electrode unit 14 of the individual cells 1 1, the operating medium 19 flows as exhaust gas from the individual cells 1 1 in the main supply channel 18, from where it is discharged via the end plate 16 from the stack 10. For example, it is in the
  • the main supply channel 18 is one
  • the operating medium 19 is in particular air.
  • the particles 191 store as sediment in a downstream end of the channel 17 from. This can lead to a blockage of the fine channel structures of the corresponding individual cells 1 1 and thus to loss of performance and unwanted
  • the present invention contemplates providing or disposing particulate retention means within at least one of the main supply channels 17, 18, particularly in one of the main supply supply channels 17. Examples of this are with reference to FIGS. 5 and 6 illustrated by a detail of inventive fuel cell stack 10. In the section, only a lower portion of the fuel cell stack 10 and the downstream end plate 16 are shown.
  • the particles retaining means 40 comprise a cavity (pocket) 41 arranged in a downstream end of the feeding main supply channel 17.
  • the cavity 41 is formed in the form of a recess of the downstream end plate 16.
  • the recess 41 is arranged with respect to an axial extent of the main supply channel 17 at a radial circumference of the channel 17, in particular according to the installation position of the stack 10 on a lower side of the channel 17.
  • Particles 191 which together with the
  • Operating medium 19 enter the channel 17 are braked at the downstream end plate 16, lose kinetic energy and accumulate within the recess 41 at. At this point, the sediment does not lead to any blockage or blockage of the fine access channels in the individual single cells 1 1 of the stack 10, which extend above the main supply channel 17.
  • the volume of the recess / cavity 41 is preferably such that it is suitable for receiving the whole of the
  • the cavity 41 can be connected to an outlet channel into the environment, but preferably into the corresponding main outlet channel 18, bypassing the active areas of the individual cells (not shown in FIG. 5).
  • this outlet channel passes through the end plate 16.
  • Such an outlet improves on the one hand, the targeted accumulation of Particles 191 in the recess 41, since these are selectively transported via the bypass flow in the recess 41. Furthermore, a certain increase in the storage capacity for the sediments can be achieved through the outlet channel.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the fuel cell stack 10 according to the invention.
  • the means 40 are for retaining particles
  • Projections 42 which protrude into the main supply channel 17.
  • the projections 42 are formed by the membrane-electrode assemblies 14 in the illustrated example. In particular, the projections 42 are thereby produced by the corresponding
  • Supply openings 144, 146, 148 of the membrane electrode assembly 14 are formed slightly smaller than the corresponding supply openings 154, 156 and 158 of the bipolar plate 15 (see Figure 3).
  • the membrane electrode unit 14 in the corresponding inactive region IA substantially exclusively by the carrier film are formed so that it also forms the projections 42.
  • the projections 42 can also by correspondingly smaller
  • Projections 42 thus each one of the particles 191 receiving cavity 43 is formed.
  • the height of the projections 42 or depth of the cavities 43 can be in the range of 0.1 to 5 mm, in particular in the range of 0.3 to 2 mm, preferably in the range of 0.5 to 1, 0 mm.
  • the main supply channel 17 according to the installation position of the fuel cell stack 10 extends below the active areas AA of the individual cells 1 1 and the operating medium 19 thus flows into the individual cells 1 1 from below, it comes to 19 due to accumulated in the pockets 43 particles no blockade of
  • the projections 42 and cavities 43 extend over the entire extent of the main supply channel 17. This allows the use of uniformly tailored membrane electrode assemblies 14 for the entire stack 10. In addition, in this way a particularly high degree of retention and storage capacity for get the particles 191.
  • corresponding projections 42 and cavities 43 can be arranged specifically only in predetermined sections of the channel 17.
  • special "collecting cells" may be provided between the regular fuel cells 1 1, which are arranged between two protrusions 42 and serve exclusively to receive particles 191. In this case, the collecting cells may have a greater layer thickness than the fuel individual cells 11 to store a correspondingly large storage volume in the cavities 43.
  • the integrated arrangement of the means 40 for retaining particles within the fuel cell stack 10 according to the invention leads to a reduction of the construction volume and the complexity of the fuel cell system 100, since a separate treatment device for the operating medium, in particular a particle filter, can be dispensed with.
  • MEA Cathode Room Membrane Electrode Unit

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10), ein Brennstoffzellensystem (100) sowie ein Fahrzeug mit einem solchen. Der Brennstoffzellenstapel (10) umfasst einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten (14) und Bipolarplatten (15) sowie Hauptversorgungskanäle (17, 18) zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien für den Brennstoffzellenstapel (10), welche den Stapel in seiner Stapelrichtung (S) durchsetzen. Es ist vorgesehen, dass in zumindest einem der Hauptversorgungskanäle (17, 18) Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191) vorgesehen sind.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenstapel mit interner Partikelzurückhaltefunktion sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit interner Partikelzurückhaltefunktion sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Stapel. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das ein solches Brennstoffzellensystem beziehungsweise einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist getragene Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein Wasserstoff haltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e"). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu 2 02~ unter Aufnahme der Elektronen stattfindet ( 2 02 + 2 e" -> 02~). Gleichzeitig reagieren im
Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2" + 2 H+ -> H20).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem
Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Bei dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels können partikuläre Verunreinigungen der
Betriebsmedien dazu führen, dass diese sich innerhalb der Hauptversorgungskanäle des Stapels ansammeln (sedimentieren) und zu Verstopfungen und Blockaden der feinen, von den Hauptversorgungskanälen in die Einzelzellen abzweigenden Kanalstrukturen führen. Dieses Problem tritt insbesondere an dem Strömungsende der Hauptversorgungskanäle auf. Auf Dauer kann dies zu einer Abnahme der Leistung oder sogar zu einer dauerhaften Schädigung des Stapels führen.
Um Brennstoffzellenstapel von partikulären Verunreinigungen, beispielsweise vor dem in der Luft enthaltenen Staub, zu schützen, ist bekannt, externe Filter in den entsprechenden
Versorgungspfaden des Brennstoffzellensystems zu integrieren (zum Beispiel EP1349638B1 , EP2159865A1 , US8808932B2, US2015004502A1 ). Derartige Filtervorrichtungen nehmen jedoch vergleichsweise viel Bauraum ein und stellen ein erhöhtes Gewicht dar.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches eine kompaktere und gewichtsreduzierte Bauweise ermöglicht und gleichzeitig den Brennstoffzellenstapel vor partikulären Verunreinigungen der Betriebsmedien schützt.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung umfasst einen Stapel abwechselnd
angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten sowie zwei endständige Endplatten, zwischen denen der Stapel angeordnet ist. Der Stapel umfasst ferner
Hauptversorgungskanäle zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien für den
Brennstoffzellenstapel, welche den Stapel in seiner Stapelrichtung durchsetzen.
Erfindungsgemäß sind in zumindest einem der Hauptversorgungskanäle Mittel zum
Zurückhalten von Partikeln vorgesehen.
Durch die Anordnung von Mitteln zum Zurückhalten von Partikeln innerhalb mindestens eines der Hauptversorgungskanäle, das heißt innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, entfällt das Erfordernis eines gesonderten Bauteils zur Aufbereitung des jeweiligen Betriebsmediums. Auf diese Weise verringern sich die Komplexität des Brennstoffzellensystems sowie das
Bauraumerfordernis. Gleichzeitig wird Gewicht eingespart, was insbesondere in mobilen Einsätzen des Brennstoffzellensystems von Vorteil ist. Zudem kann die Effektivität der
Partikelabtrennung sogar verbessert werden.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter„Mittel zum Zurückhalten von
Partikeln" jegliche Ausgestaltung oder Anordnung verstanden, die geeignet ist, Partikel, also feste Verunreinigungen der Betriebsmedien, gezielt vor einem Weitertransport zu bewahren und zu sammeln. Dabei sind die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln vorzugsweise so
ausgebildet, dass sich die Partikel an vorbestimmten Orten im Bereich des jeweiligen
Hauptversorgungskanals gezielt ansammeln.
Der Brennstoffzellenstapel verfügt vorzugsweise über zumindest sechs
Hauptversorgungskanäle, nämlich jeweils einen Kanal zur Zuführung des
Anodenbetriebsmediums (nachfolgend Anodeneinlasskanal), einen Kanal zur Abführung des Anodenabgases (Anodenauslasskanal), einen Kanal zur Zuführung des
Kathodenbetriebsmediums (Kathodeneinlasskanal), einen Kanal zur Abführung des
Kathodenabgases (Kathodenauslasskanal), einen Kanal zur Zuführung des Kühlmittels (Kühlmitteleinlasskanal) sowie einen Kanal zur Abführung des Kühlmittels
(Kühlmittelauslasskanal). Jeder dieser Hauptversorgungskanäle durchsetzt den aus Membran- Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten gebildeten Stapel in seiner Stapelrichtung, das heißt orthogonal zur Erstreckung der Einzelzellen.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung sind die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln in zumindest einem der Hauptversorgungskanäle zur Zuführung von Betriebsmedien angeordnet, das heißt dem Anodeneinlasskanal, dem Kathodeneinlasskanal und/oder dem
Kühlmitteleinlasskanal. Dies verhindert einerseits, dass partikuläre Verunreinigungen des jeweiligen Betriebsmediums in die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels eindringen oder sich innerhalb des Hauptversorgungskanals ablagern und dort zu Blockaden führen. Auf diese Weise kann eine separate Aufbereitungseinrichtung für das jeweilige Betriebsmedium, beispielsweise ein Partikelfilter, entfallen, zumindest aber kleiner dimensioniert werden.
Besonders bevorzugt sind die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln in dem
Kathodeneinlasskanal und/oder in dem Kühlmitteleinlasskanal angeordnet. Der
Kathodeneinlasskanal ist besonders von partikulären Ablagerungen betroffen, da als
Kathodenbetriebsmedium üblicherweise Luft eingesetzt wird, die aus der Umgebung angesaugt wird und somit verschiedenste partikuläre Verunreinigungen aufweisen kann. Auf der anderen Seite kann auch das üblicherweise zirkulierende Kühlmittel mit zunehmender Lebensdauer durch partikuläre Verunreinigungen betroffen sein.
Vorzugsweise sind die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln in einem Endabschnitt (bezogen auf die Strömungsrichtung des entsprechenden Betriebsmediums) des zumindest einen Hauptversorgungskanals vorgesehen, insbesondere an einem Abschnitt das Kanals, von dem keine Zuführungskanäle zu den individuellen Brennstoffeinzelzellen abzweigen. Auf diese Weise wird bewirkt, dass Partikel, die zu groß sind, um in die Einzelzellen einzuströmen, gezielt an dem Endabschnitt zurückgehalten und angesammelt werden, sodass sie dort zu keiner Blockade der Einzelzellen führen.
Insbesondere können die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln in einer stromabwärtigen Endplatte des Brennstoffzellenstapels vorgesehen oder ausgebildet sein. Auf diese Weise werden die zurückgehaltenen Partikel in oder an der stromabwärtigen Endplatte angesammelt, wo sie zu keiner Blockade der Einzelzellen führen und den Fluidstrom des Betriebsmediums nicht beeinträchtigen.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist der Brennstoffzellenstapel ausgebildet, in einer Einbaulage, in welcher die Hauptversorgungskanäle zur Zu- und Abführung der Betriebsmedien im Wesentlichen horizontal („liegend") verlaufen, betrieben zu werden. Dabei ist der zumindest eine, die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln aufweisende Hauptversorgungskanal unterhalb oder seitlich benachbart zu einem mit diesem Hauptversorgungskanal (strömungstechnisch) kommunizierenden Eingangsbereich der aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Einheiten angeordnet. Die aktiven Bereiche verlaufen im Falle der untenliegenden Anordnung des betreffenden Hauptversorgungskanals vertikal beziehungsweise bei seitlicher Anordnung horizontal. Dabei beziehen sich die Begriffe„unterhalb" oder„seitlich benachbart" auf die relative Anordnung im Schwerfeld. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass sich die zurückgehaltenen Partikel aufgrund ihrer Schwerkraft auf einer in Einbaulage unten liegenden Seite des entsprechenden Hauptversorgungskanals ansammeln und sich von dem nach oben oder seitlich in die Einzelzellen und in die aktiven Bereiche einströmenden Betriebsmedium trennen. Besonders bevorzugt sind in dieser Ausgestaltung die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln im oder an einem unten angeordneten Abschnitt des Hauptversorgungskanals angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die Mittel zum Zurückhalten von
Partikeln zumindest eine die Partikel aufnehmende Kavität auf. Diese kann, wie nachfolgend noch erläutert wird, beispielsweise als eine radiale (seitliche) Ausnehmung des
Hauptversorgungskanals ausgebildet sein oder als Aufnahmen, die zwischen zwei in den Hauptversorgungskanal hineinragenden Vorsprüngen ausgebildet werden. Die Anordnung einer solchen Kavität hat den Vorteil, ein Reservoir auszubilden, in welchem die Partikel zuverlässig und dauerhaft gesammelt werden können, ohne vom Strom des Betriebsmediums erneut mitgerissen zu werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung umfassen die Mittel zum Zurückhalten von Partikeln zumindest eine bezüglich der Erstreckung des Hauptversorgungskanals radial angeordnete Ausnehmung im Hauptversorgungskanal und/oder in der stromabwärtigen
Endplatte desselben. In dieser Ausgestaltung ist die vorstehend genannte Kavität somit als seitliche Ausnehmung verwirklicht. In einer solchen seitlichen Ausnehmung des
Strömungskanals beziehungsweise der Endplatte können sich Partikel ansammeln, ohne den entlangströmenden Fluss des Betriebsmediums zu beeinträchtigen. Insbesondere wenn die radiale Ausnehmung innerhalb der stromabwärtigen Endplatte vorgesehen ist, werden an dieser Stelle keine Zuführungen zu den einzelnen Zellen behindert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zum Zurückhalten der Partikel zumindest einen in den Hauptversorgungskanal hineinragenden Vorsprung insbesondere eine Mehrzahl solcher Vorsprünge. Der Vorsprung führt zu einem Abbremsen der Partikel, sodass diese sich stromauf des Vorsprungs innerhalb des Kanals ansammeln. Sofern mehrere Vorsprünge vorgesehen sind, wird zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen jeweils eine Kavität ausgebildet, in der sich die Partikel ansammeln können. Dabei sind die dort angesammelten Partikel weitestgehend von dem zuströmenden Betriebsmittelfluss geschützt.
Vorzugsweise wird der zumindest eine in den Hauptversorgungskanal hineinragende Vorsprung durch einen in den Hauptversorgungskanal hineinragenden Abschnitt der Membran-Elektroden- Einheit oder der Bipolarplatte ausgebildet. Sowohl die Membran-Elektroden-Einheiten als auch die Bipolarplatten weisen Versorgungsöffnungen auf, die im gestapelten Zustand weitestgehend miteinander fluchten und somit die Hauptversorgungskanäle ausbilden. Indem die entsprechende Versorgungsöffnung der Membran-Elektroden-Einheit eine andere Größe aufweist als die der Bipolarplatte, kommt es zu der Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorsprünge. Auf diese Weise kann durch geringe bauliche Veränderungen eine die Partikel aufnehmende Kavität (hier zwischen zwei Vorsprüngen ausgebildet) erhalten werden.
Sofern die Vorsprünge durch die Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet werden, ist bevorzugt vorgesehen, dass der hineinragende Abschnitt durch eine Trägerfolie oder Dichtung der Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen
Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das
Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer
Traktionsbatterie bedient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Einheit;
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte;
Figur 4 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß Stand der Technik; Figur 5 eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung; und
Figur 6 eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 1 1 aufweist, die durch
abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 1 1 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der
Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 1 1 her. Optional können
Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das
Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21 , welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die
Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der
Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des
Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des
Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff- Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem
Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31 , welcher den
Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges
Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das
Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des
Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten
Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden
Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des
Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der
Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, den Betriebsdruck des Kathodenbetriebsmediums kurzfristig im Brennstoffzellenstapel 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21 , 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das
Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem
Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten.
Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Zur Verdeutlichung des internen Aufbaus des Brennstoffzellenstapels 10 zeigen die Figuren 2 und 3 jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Einheit 14 und Bipolarplatte 15 in einer Draufsicht.
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Einheit 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Einheit 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der
Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle im Brennstoffzellenstapel ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also den
Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise
155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des
Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die
Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die
Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in Figur 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in Figur 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Einheit 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst.
Die in Figur 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151 . In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung
156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf
exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in Figur 3 Dichtungen angedeutet. Figur 4 zeigt eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß Stand der Technik. Erkennbar weist der Brennstoffzellenstapel 10 eine Vielzahl gestapelter Einzelzellen 1 1 auf, welche durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden. Die Einzelzellen 1 1 werden durch zwei Endplatten 16 verpresst und fluiddicht zusammengehalten. Hierfür können sie über nicht dargestellte Spannmittel miteinander verspannt werden. Dabei ist in der Darstellung gemäß Figur 4 die linke Endplatte 16 als Medienversorgungsplatte ausgebildet, indem sie entsprechende Anschlüsse für die Zu- und Ableitung der verschiedenen Betriebsmedien aufweist. Die linke, von dem Betriebsmedium angeströmte Endplatte 16 wird nachfolgend auch als stromabwärtige Endplatte 16 bezeichnet. In Figur 4 sind ferner exemplarisch ein Hauptversorgungskanal 17 zur Zuführung eines
Betriebsmediums 19 für den Brennstoffzellenstapel 10 sowie ein Hauptversorgungskanal 18 zur Abführung des Betriebsmediums dargestellt. Somit tritt das Betriebsmedium 19 durch einen entsprechenden Anschluss der links dargestellten Medienversorgungsplatte 16 in den
Hauptversorgungskanal 17 ein und durchströmt diesen. Von dort wird es in die individuellen Einzelzellen 1 1 des Stapels verteilt. Nach Überströmen der katalytischen Bereiche der
Membran-Elektroden-Einheit 14 der Einzelzellen 1 1 strömt das Betriebsmedium 19 als Abgas aus den Einzelzellen 1 1 in den Hauptversorgungskanal 18, von wo es über die Endplatte 16 aus dem Stapel 10 abgeführt wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem
Hauptversorgungskanal 17 um einen Kathodeneinlasskanal, der durch die aufeinander gestapelten Kathodeneinlassöffnungen 146, 156 der Membran-Elektroden-Einheiten 14 beziehungsweise Bipolarplatten 15 ausgebildet wird (vergleiche Figur 2 und 3).
Dementsprechend handelt es sich bei dem Hauptversorgungskanal 18 um einen
Kathodenauslasskanal, der durch die aufeinander gestapelten Kathodenauslassöffnungen 147, 157 der MEA 14 und die Bipolarplatte 15 ausgebildet wird. In diesem Fall handelt es sich bei dem Betriebsmedium 19 insbesondere um Luft. Enthält das Betriebsmedium 19 nun partikuläre Verunreinigungen 191 , die zu groß sind, um in die Einzelzellen 1 1 einzutreten, so kommt es zu einer Sedimentation und Anreicherung der Partikel 191 innerhalb des Hauptversorgungskanals 17. Insbesondere lagern sich die Partikel 191 als Sediment in einem stromabwärtigen Ende des Kanals 17 ab. Hierdurch kann es zu einer Blockierung der feinen Kanalstrukturen der entsprechenden Einzelzellen 1 1 und somit zu Leistungseinbußen und unerwünschten
Druckabfällen des Brennstoffzellenstapels 10 kommen. Ein entsprechendes Phänomen kann auch bei dem Anodenbetriebsmedium und insbesondere dem Kühlmittel auftreten, also in dem hier nicht dargestellten Anodeneinlasskanal und Kühlmitteleinlasskanal.
Um dem Problem der Sedimentation und Verstopfung durch Partikel zu begegnen, sieht die vorliegende Erfindung vor, innerhalb mindestens eines der Hauptversorgungskanäle 17, 18, insbesondere in einem der zuführenden Hauptversorgungskanäle 17 Mittel zum Zurückhalten von Partikeln vorzusehen oder anzuordnen. Beispiele hierfür sind anhand der Figuren 5 und 6 mithilfe eines Detailausschnitts erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 10 dargestellt. In dem Ausschnitt sind dabei lediglich ein unterer Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 sowie der stromabwärtigen Endplatte 16 dargestellt.
In dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die erfindungsgemäßen Mittel 40 zum Zurückhalten von Partikeln 191 eine Kavität (Tasche) 41 , die in einem stromabwärtigen Ende des zuführenden Hauptversorgungskanals 17 angeordnet ist. Insbesondere ist die Kavität 41 in Form einer Ausnehmung der stromabwärtigen Endplatte 16 ausgebildet. Dabei ist die Ausnehmung 41 bezüglich einer axialen Erstreckung des Hauptversorgungskanals 17 an einem radialen Umfang des Kanals 17 angeordnet, insbesondere entsprechend der Einbaulage des Stapels 10 an einer unteren Seite des Kanals 17. Partikel 191 , die zusammen mit dem
Betriebsmedium 19 den Kanal 17 betreten, werden an der stromabwärtigen Endplatte 16 abgebremst, verlieren an kinetischer Energie und lagern sich innerhalb der Ausnehmung 41 an. An dieser Stelle führt das Sediment zu keinerlei Blockierung oder Verstopfung der feinen Zutrittskanäle in die individuellen Einzelzellen 1 1 des Stapels 10, die sich oberhalb von dem Hauptversorgungskanal 17 erstrecken. Das Volumen der Ausnehmung/Kavität 41 ist vorzugsweise so bemessen, dass dieses für die Aufnahme des gesamten für die
Betriebslebensdauer der Brennstoffzelle 10 zu erwartenden Sedimentvolumens ausreicht.
Optional kann die Kavität 41 mit einem Auslasskanal in die Umgebung, vorzugweise jedoch in den entsprechenden abführenden Hauptversorgungskanal 18 unter Umgehung der aktiven Bereiche der Einzelzellen verbunden sein (in Figur 5 nicht dargestellt). Auf diese Weise gelangt ein geringer Anteil des Stroms des Betriebsmediums durch die Ausnehmung 41 über den Auslasskanal unter Umgehung der Zellen 1 1 direkt in den abführenden Kanal 18. Vorzugsweise verläuft dieser Auslasskanal durch die Endplatte 16. Ein solcher Auslasskanal verbessert zum einen die gezielte Ansammlung der Partikel 191 in der Ausnehmung 41 , da diese über den Bypass-Strom gezielt in die Ausnehmung 41 transportiert werden. Weiterhin kann eine gewisse Vergrößerung der Speicherkapazität für die Sedimente durch den Auslasskanal erzielt werden.
Figur 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10. Gemäß dieser Ausgestaltung weisen die Mittel 40 zum Zurückhalten von Partikeln
Vorsprünge 42 auf, welche in den Hauptversorgungskanal 17 hineinragen. Die Vorsprünge 42 werden im dargestellten Beispiel durch die Membran-Elektroden-Einheiten 14 ausgebildet. Insbesondere werden die Vorsprünge 42 dadurch erzeugt, indem die entsprechenden
Versorgungsöffnungen 144, 146, 148 der Membran-Elektroden-Einheit 14 (siehe Figur 2) geringfügig kleiner ausgebildet sind als die korrespondierenden Versorgungsöffnungen 154, 156 und 158 der Bipolarplatte 15 (siehe Figur 3). Beispielsweise kann die Membran-Elektroden- Einheit 14 in dem entsprechenden inaktiven Bereich IA im Wesentlichen ausschließlich durch die Trägerfolie ausgebildet werden, sodass diese auch die Vorsprünge 42 ausbildet. In alternativer Ausführung können die Vorsprünge 42 auch durch entsprechend kleinere
Versorgungsöffnungen der Bipolarplatte 14 dargestellt werden. Zwischen jeweils zwei
Vorsprüngen 42 wird somit jeweils eine die Partikel 191 aufnehmende Kavität 43 ausgebildet. Die Höhe der Vorsprünge 42 beziehungsweise Tiefe der Kavitäten 43 kann im Bereich von 0,1 bis 5 mm liegen, insbesondere im Bereich von 0,3 bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 ,0 mm.
Da in diesem Ausführungsbeispiel sich der Hauptversorgungskanal 17 gemäß der Einbaulage des Brennstoffzellenstapels 10 unterhalb der aktiven Bereiche AA der Einzelzellen 1 1 erstreckt und das Betriebsmedium 19 somit in die Einzelzellen 1 1 von unten einströmt, kommt es aufgrund der in den Taschen 43 angesammelten Partikel 191 zu keiner Blockade der
Einzelzellen 1 1 .
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Vorsprünge 42 und Kavitäten 43 über die gesamte Ausdehnung des Hauptversorgungskanals 17. Dies ermöglicht die Verwendung einheitlich zugeschnittener Membran-Elektroden-Einheiten 14 für den gesamten Stapel 10. Zudem wird auf diese Weise ein besonders hoher Zurückhaltegrad und Speicherkapazität für die Partikel 191 erhalten. Alternativ können jedoch auch entsprechende Vorsprünge 42 und Kavitäten 43 nur in vorbestimmten Abschnitten des Kanals 17 gezielt angeordnet werden. In noch einer anderen Ausführung können spezielle„Sammelzellen" zwischen den regulären Brennstoffeinzelzellen 1 1 vorgesehen sein, die zwischen zwei Vorsprüngen 42 angeordnet sind und ausschließlich der Aufnahme von Partikeln 191 dienen. Dabei können die Sammelzellen eine größere Schichtdicke als die Brennstoffeinzelzellen 1 1 aufweisen, um ein entsprechend großes Speichervolumen in den Kavitäten 43 vorzuhalten.
Mit besonderem Vorteil können die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele auch in Kombination miteinander eingesetzt werden.
Die integrierte Anordnung der erfindungsgemäßen Mittel 40 zum Zurückhalten von Partikeln innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 führt zu einer Verringerung des Bauvolumens und der Komplexität des Brennstoffzellensystems 100, da auf eine gesonderte Aufbereitungsvorrichtung für das Betriebsmedium, insbesondere einen Partikelfilter, verzichtet werden kann. Ein
Druckabfall aufgrund zusetzender Zuführungskanalstrukturen in die Einzelzellen 1 1 kann wirkungsvoll verhindert werden. Gegebenenfalls kann die Filtrationswirkung gegenüber separaten Partikelfiltern sogar verbessert werden. Die konstruktiven Maßnahmen zu
Umsetzung der Erfindung sind mit einem äu ßerst geringen Aufwand verbunden, sodass auch ein Kostenvorteil entsteht. Bezugszeichenliste Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenstapel
Einzelzelle
Anodenraum
Kathodenraum Membran-Elektroden-Einheit (MEA)
Anodenseite
Kathodenseite
katalytische Elektrode / Anode
Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung
Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
Anodenseite
Kathodenseite
Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)
Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung
Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Endplatte / Medienversorgungsplatte / stromabwärtige Platte Hauptversorgungskanal / Kathodeneinlasskanal
Hauptversorgungskanal / Kathodenauslasskanal
Betriebsmedium / Kathodenbetriebsmedium / Luft 191 Partikel / partikuläre Verunreinigung
20 Anodenversorgung
21 Anodenversorgungspfad
22 Anodenabgaspfad
23 Brennstofftank
24 Stellmittel
25 Brennstoffrezirkulationsleitung
26 Stellmittel
30 Kathodenversorgung
31 Kathodenversorgungspfad
32 Kathodenabgaspfad
33 Verdichter
34 Elektromotor
35 Leistungselektronik
36 Turbine
37 Wastegate-Leitung
38 Stellmittel
39 Befeuchtermodul
40 Mittel zum Zurückhalten von Partikeln
41 Kavität / Ausnehmung
42 Vorsprung
43 Kavität
AA Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA Inaktiver Bereich (inactive area)
SA Versorgungsbereich {supply area)
DA Verteilerbereich {distribution area)
S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzellenstapel (10), umfassend einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten (14) und Bipolarplatten (15) sowie Hauptversorgungskanäle (17, 18) zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien für den Brennstoffzellenstapel (10), welche den Stapel in seiner Stapelrichtung (S) durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der
Hauptversorgungskanäle (17, 18) Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) vorgesehen sind.
2. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) in einem Hauptversorgungskanal (17) zur Zuführung von Betriebsmedien (19), insbesondere in einem Kathodeneinlasskanal und/oder einem Kühlmitteleinlasskanal, angeordnet sind.
3. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) in einem Endabschnitt des zumindest einen der Hauptversorgungskanäle (17, 18) vorgesehen sind.
4. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) in einer stromabwärtigen Endplatte (16) des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehen oder ausgebildet sind.
5. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (10) ausgebildet ist, in einer
Einbaulage, in welcher die Hauptversorgungskanäle (17, 18) zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien im Wesentlichen horizontal verlaufen, betrieben zu werden, wobei der zumindest eine die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) aufweisende Hauptversorgungskanal (17, 18) unterhalb oder seitlich benachbart zu einem mit diesem Hauptversorgungskanal (17, 18) kommunizierenden Eingangsbereich aktiver Bereiche (AA) der Membran-Elektroden-Einheiten (14) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) zumindest eine die Partikel aufnehmende Kavität (41 , 42) aufweisen.
7. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) zumindest eine bezüglich der Erstreckung des Hauptversorgungskanals (17, 18) radial
angeordnete Ausnehmung (41 ) im Hauptversorgungskanal (17, 18) und/oder in einer stromabwärtigen Endplatte (16) des Hauptversorgungskanals (17, 18) umfassen.
8. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zum Zurückhalten von Partikeln (191 ) zumindest einen in den Hauptversorgungskanal (17, 18) hineinragenden Vorsprung (42) umfassen, insbesondere eine Mehrzahl solcher Vorsprünge (42).
9. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
zumindest eine Vorsprung (42) durch einen in den Hauptversorgungskanal (17, 18) hineinragenden Abschnitt der Membran-Elektroden-Einheit (14) oder der Bipolarplatte (15) ausgebildet ist.
10. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100), das einen Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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