AT528564A1 - Betriebsmedienversorgungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsmedienversorgungseinheit (100) für einen Brennstoffzellenstapel (300). Die Betriebsmedienversorgungseinheit (100) weist Betriebsmedien-Abführleitungen (121, 122, 123) zur Abfuhr fluider Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) sowie Betriebsmedien-Zuführleitungen (111, 112, 113) zur Zufuhr fluider Betriebsmedien zu den Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) auf. Die Betriebsmedien-Zuführleitungen (111, 112, 113) weisen dabei eine Kühlmittel- Zuführleitung (113) und eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) auf, welche über einen Wärmeübertragungsabschnitt (130) wärmeübetragend miteinander gekoppelt sind, um die Temperatur eines Kathodenzuführgases (KZG), das in der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) als eines der Betriebsmedien zu dem Brennstoffzellenstapel (300) geführt wird, zu ändern. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (400) mit einem Brennstoffzellenstapel (300), der zur Zufuhr und Abfuhr der Betriebsmedien mit der Betriebsmedienversorgungseinheit (100) fluidkommunizierend verbunden ist. Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum Temperieren des Kathodenzuführgases in der Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gerichtet.

Description

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Beschreibung

BETRIEBSMEDIENVERSORGUNGSEINHEIT FÜR EINEN BRENNSTOFFZELLENSTAPEL

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsmedienversorgungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem solchen Brennstoffzellenstapel.

[0002] Brennstoffzellen spielen eine wichtige Rolle in der emissionsfreien Erzeugung elektrischer Energie. In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umgewandelt und dabei thermische und elektrische Energie freigesetzt. Die elektrische Energie kann als elektrischer Strom abgegriffen und verwendet werden. Zur Erhöhung der Abgabeleistung werden mehrere Brennstoffzellen als Stapel angeordnet, seriell verschaltet und parallel betrieben. Dabei kann auf verschiedene Brennstoffzellentypen zurückgegriffen werden, wie PEM-Brennstoffzellen, die eine Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz: PEM) aufweisen, oder Festoxid-Brennstoffzellen (kurz: SOFC für Englisch "Solid Oxide Fuel Cell“), die als Elektrolyt eine Membran aus einem keramischen Werkstoff aufweisen, der für Sauerstoffionen durchlässig ist.

[0003] Für den Betrieb von Brennstoffzellen ist es notwendig, Betriebsmedien, wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel zur Stapelkühlung zur Verfügung zu stellen. In einem Brennstoffzellensystem sind daher neben den Brennstoffzellen noch weitere Bauteil-Komponenten vorgesehen, die von den Betriebsmedien durchströmt werden.

[0004] So ist neben einer Zufuhr der Betriebsmedien zu dem Brennstoffzellenstapel auch eine Abfuhr der Betriebsmedien nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen durch eine Komponente zu gewährleisten. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, sämtliche Zuführleitungen und Abführleitungen von Betriebsmedien gesammelt über eine sogenannte „Medienversorgungseinheit“ (kurz: MSU für Englisch: „Media Supply Unit“) an den Brennstoffzellenstapel anzuschließen. Die MSU funktioniert dabei allein als Adapter für unterschiedliche Leitungen sowie als Medienverteiler. Die MSU ist oft plattenartig ausgebildet und wird an einer der Endplatten des Brennstoffzellenstapels befestigt. Die MSU wird daher auch als „Medienadapterplatte“ bezeichnet. Die MSU hat oftmals einen recht einfachen Bauteil-Aufbau, bei dem sich mehrere kurze, voneinander getrennte Kanäle zwischen verschiedenen Bauteil-Seiten erstrecken.

[0005] Neben der Führung der Betriebsmedien zu und aus dem Brennstoffzellenstapel müssen die Betriebsmedien auch in einem jeweils definierten Zustand bereitgestellt werden. Um Betriebsmedien beispielsweise in definierter Menge, mit definierter Temperatur und mit definiertem Druck bereitzustellen, sind daher in einem Brennstoffzellensystem noch weitere Komponenten vorgesehen. So ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Luft zur Versorgung der Kathode mit Sauerstoff zunächst in einem Kompressor zu komprimieren und unmittelbar danach in einem Wärmetauscher, der über eine eigene Pumpe mit einem Kühlmittel versorgt wird, auf eine definierte Temperatur anzupassen.

[0006] Diese im Stand der Technik oft verwendete Architektur für Brennstoffzellensysteme hat den Nachteil, dass es relativ viele Komponenten gibt, die jeweils dasselbe Betriebsmedium führen, aber einer eigenen Regelung und Versorgung mit Ressourcen bedürfen. Dies wird anhand des vorgenannten Wärmetauschers für die komprimierte Luft klar. In einem solchen Brennstoffzellensystem wird die komprimierte Luft zunächst durch den Wärmetauscher und dann durch die MSU zur Kathode geführt. Für den Wärmetauscher ist hierzu neben dem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzellen ein weiterer paralleler Kühlmittelkreislauf nötig, durch den der Kühlmittelbedarf, der Leitungsbedarf und der Energiebedarf zum Umwälzen des Kühlmittels erhöht wird. Auch folgt ein Gewichts- und Bauraumanstieg.

[0007] Es ist Aufgabe der Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verteilung und Führung von Betriebsmedien bereitzustellen, die die Komplexität, den Bauraumbedarf und das Gewicht von Brennstoffzellensystemen reduziert und deren Effizienz erhöht.

[0008] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Betriebsmedienversorgungseinheit mit

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den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.

[0009] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Betriebsmedienversorgungseinheit beschrieben sind, natürlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. Bezug genommen werden kann.

[0010] Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Betriebsmedienversorgungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel. Die Betriebsmedienversorgungseinheit weist Betriebsmedien-Leitungen auf, die sich jeweils mit einem Leitungsabschnitt zwischen einem Stapelanschluss und einem Außenanschluss erstrecken. Die Betriebsmedien-Leitungen weisen Betriebsmedien-Abführleitungen auf, um fluide Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels von dem jeweiligen Stapelanschluss zu dem jeweiligen Außenanschluss abzuführen. Die BetriebsmedienLeitungen weisen ferner Betriebsmedien-Zuführleitungen auf, um fluide Betriebsmedien von dem jeweiligen Außenanschluss zu dem jeweiligen Stapelanschluss den Brennstoffzellen zuzuführen. Die Betriebsmedien-Zuführleitungen weisen dabei wenigstens eine Kühlmittel-Zuführleitung und eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung auf. Die Kühlmittel-Zuführleitung und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung sind miteinander über einen Wärmeübertragungsabschnitt wärmeübetragend gekoppelt, um die Temperatur eines Kathodenzuführgases, das in der Kathodenzuführgas-Zuführleitung als eines der Betriebsmedien zu dem Stapelanschluss geführt wird, zu ändern.

[0011] Mit anderen Worten wird von der Erfindung eine Betriebsmedienversorgungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel bereitgestellt.

[0012] Hierbei kann insbesondere eine in sich geschlossene Vorrichtung zur Führung und Leitung fluider Betriebsmedien als eine „Betriebsmedienversorgungseinheit“ verstanden werden. Die Betriebsmedienversorgungseinheit kann beispielsweise eine MSU sein. Die Betriebsmedienversorgungseinheit kann ferner bevorzugt als ein einzelnes, in sich funktionell abgeschlossenes Bauteil verstanden werden, das unabhängig von anderen Bauteilen die ihm vorgesehene Funktion erfüllen kann.

[0013] Die Betriebsmedienversorgungseinheit weist Betriebsmedien-Leitungen mit einem Stapelanschluss und einem Außenanschluss auf.

[0014] Der „Stapelanschluss“ und der „Außenanschluss“ können dabei insbesondere jeweils als ein dem Brennstoffzellenstapel zugewandter oder abgewandter Ein- oder Ausgang verstanden werden. Bevorzugt sind die beiden Anschlüsse dabei zur Verbindung mit Ein- oder Ausgängen anderer Fluidsysteme koppelbar. Beispielsweise können die Anschlüsse ein freies Leitungsende mit einem Kupplungselement, wie einer Rohrkupplung oder einem Gewindeabschnitt, sein. Die „Betriebsmedien-Leitungen“ können insbesondere als Fluidverbindungen zwischen dem Stapelanschluss und dem Außenanschluss verstanden werden. Beispielsweise kann eine Betriebsmedien-Leitung ein Schlauch, Rohr, Schlitz, oder eine Rille sein.

[0015] Die Betriebsmedien-Leitungen weisen Betriebsmedien-Abführleitungen und Betriebsmedien-Zuführleitungen auf, um fluide Betriebsmedien zu oder aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels zuführen.

[0016] Dabei können die „Betriebsmedien-Abführleitungen“ insbesondere als Leitungen verstanden werden, die die Betriebsmedien von den Brennstoffzellen wegführen. Hingegen können die „Betriebsmedien-Zuführleitungen“ insbesondere als Leitungen verstanden werden, die die Betriebsmedien zu den Brennstoffzellen hinführen. Als „Betriebsmedium“ kann insbesondere ein Fluid verstanden werden, das für den Betrieb der Brennstoffzellen notwendig ist. Beispielsweise kann das Betriebsmedium ein Prozessgas, ein Reaktionsprodukt und/oder ein Kühlmittel sein. Beispielsweise kann das Betriebsmedium ein der Anode zuzuführendes Anodenzuführgas, wie Wasserstoff oder ein anderer Brennstoff bzw. Brennstoffgemisch, sein. Das Betriebsmedium

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kann ferner ein der Kathode zuzuführendes Kathodenzuführgas, wie Sauerstoff oder Luft sein. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung sein.

[0017] Die Betriebsmedien-Zuführleitungen weisen wenigstens eine Kühlmittel-Zuführleitung und eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung auf, welche miteinander über einen Wärmeübertragungsabschnitt wärmeübetragend gekoppelt sind, um die Temperatur eines Kathodenzuführgases, das in der Kathodenzuführgas-Zuführleitung als eines der Betriebsmedien zu dem Stapelanschluss geführt wird, zu ändern.

[0018] Die „Kühlmittel-Zuführleitung“ und die „Kathodenzuführgas-Zuführleitung“ können dabei insbesondere als Leitungen verstanden werden, welche während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels geeignet sind, die jeweiligen Betriebsmedien in Richtung der Brennstoffzellen zu führen. Unter einer „wärmeübertragenden Kopplung“ kann insbesondere eine Struktur zur konduktiven und/oder konvektiven Wärmeübertragung zwischen den Kopplungsteilnehmern verstanden werden.

[0019] Mit der erfindungsgemäßen wärmeübertragenden Kopplung zwischen der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung kann somit im Betrieb des Brennstoffzellenstapels Wärme des Kathodenzuführgas auf das Kühlmittel übertragen werden. Somit kann in die Betriebsmedienversorgungseinheit die Funktionalität eines von Kühlmittel durchströmten Wärmetauschers für das Kathodenzuführgas integriert werden. Anders als im Stand der Technik wird es damit möglich, auf den üblicherweise direkt nach dem Kompressor plazierten Wärmetauscher des Brennstoffzellensystems verzichten zu können. Dabei stellt sich als weiterer Vorteil ein, dass kein separater Wärmetauscher in der Betriebsmedienversorgungseinheit verbaut werden zu braucht, sondern es möglich ist, allein über die Führung der beiden ohnehin benötigten Zuführleitungen den erforderlichen Wärmeaustausch zu bewerkstelligen. Somit können Bauraum-, Gewichts- und Resourceneinsparungen erreicht werden und die Effizienz des Brennstoffzellensystem kann erhöht werden.

[0020] Zusätzlich wird es möglich, den Ort und Zeitpunkt der Wärmeübertragung zwischen Kathodenzuführgas und Kühlmittel näher in Richtung unmittelbar vor Eintritt der Betriebsmedien in den Brennstoffzellenstapel zu verlegen. Hierdurch können Temperaturschwankungen mit Eintritt in den Brennstoffzellenstapel verringert werden und eine Stabilisierung der Prozesstemperaturen erreicht werden. Neben den vorgenannten Vorteilen stellen sich somit auch prozessrelevante Vorteile ein.

[0021] Zur Verbesserung konduktiven Wärmetransports ist es vorstellbar, dass der Wärmeübertragungsabschnitt sich jeweils an wenigstens einem Abschnitt der Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung erstrecken kann. Alternativ kann der Wärmeübertragungsabschnitt sich auch im Wesentlichen vollständig an den beiden Leitungsabschnitten erstrecken.

[0022] Zur Verbesserung des konduktiven Wärmetransports ist es weiterhin vorstellbar, dass der Wärmeübertragungsabschnitt sich wenigstens abschnittsweise als ein Wärmeleitelement zwischen der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung erstrecken und mit den jeweiligen Leitungsabschnitten jeweils verbunden sein kann. Das Wärmeleitelement kann dabei eine Wärmeleitstruktur, wie eine Rippe, oder eine Wärmeleitpaste aufweisen.

[0023] Zur Verbesserung des konduktiven Wärmetransports und Vereinfachung der Herstellung ist es vorstellbar, dass der Wärmeübertragungsabschnitt sich wenigstens abschnittsweise als ein gemeinsamer Wandabschnitt der Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung erstrecken kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmeübertragungsabschnitt sich wenigstens abschnittsweise als Kontaktflächen von der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung erstrecken, über die die Leitungsabschnitte miteinander in einem thermisch leitenden Kontakt stehen.

[0024] Zur Verbesserung der übertragbaren Wärmemenge aufgrund gemeinsamer Laufwege kann es von Vorteil sein, wenn die Kühlmittel-Zuführleitung und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung sich wenigstens abschnittsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander inner-

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halb der Betriebsmedienversorgungseinheit erstrecken.

[0025] Ebenfalls zur Verbesserung der übertragbaren Wärmemenge durch Verlängerung der Laufwege der Leitungsabschnitte kann es von Vorteil sein, wenn der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung und/oder der Kathodenzuführgas-Zuführleitung sich wenigstens abschnittsweise eine mänderförmige mehrfachgewundene flächige Erstreckung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens einer der genannten Leitungsabschnitte sich wenigstens abschnittsweise geradlinig erstrecken.

[0026] Zur Vereinfachung der Herstellung sowie zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann es von Vorteil sein, wenn die Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung sich wenigstens abschnittsweise unmittelbar benachbart voneinander erstrecken.

[0027] Ferner kann es von Vorteil sein, wenn der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung und/oder der Kathodenzuführgas-Zuführleitung sich mit einem ringförmigen, kreisförmigen oder rechteckigen Querschnittsprofil erstreckt. Hierbei kann das Querschnittsprofil entlang der Erstreckung des Leitungsabschnitts einen wenigstens abschnittsweise konstanten oder variablen Durchmesser aufweisen.

[0028] Zur Steuerung der Wärmeabgabe, mit der sich beispielsweise eine konstante Wärmeabgabe zwischen den Betriebsmedien, welche in den beiden Leitungsabschnitten geführt werden, einstellen kann, kann es von Vorteil sein, wenn der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung ein Querschnittsprofil aufweist, dessen Querschnittsfläche mit zunehmender Annäherung an den Stapelanschluss bezüglich der Querschnittsfläche an dem Außenanschluss abnimmt, und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung ferner ein Querschnittsprofil aufweist, dessen Querschnittsfläche mit zunehmender Annäherung an den Stapelanschluss bezüglich der Querschnittsfläche an dem Außenanschluss zunimmt.

[0029] Zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads bei der Wärmeübertragung kann es von Vorteil sein, wenn die Leitungsabschnitte der Kathodenzuführgas-Zuführleitung und der Kühlmittel-Zuführleitung sich jeweils wenigstens an einem Leitungsteilabschnitt in entgegengesetzten Richtungen von dem jeweiligen Außenanschluss in Richtung zu dem jeweilgen Stapelanschluss erstrecken, um die jeweiligen Betriebsmedien wenigstens in den Leitungsteilabschnitten gegenläufig zu führen. Dabei können wenigstens die Leitungsteilabschnitte miteinander über den Wärmeübertragungsabschnitt wärmeübertragend gekoppelt sein. Neben dieser Gegenstrom-Führung der beiden Betriebsmedien ist es natürlich auch vorstellbar, die beiden Betriebsmedien im Gleichstrom zu führen.

[0030] Zur besseren Montage und Anbringung der Betriebsmedienversorgungseinheit an einem Brennstoffzellenstapel kann es von Vorteil sein, wenn die Betriebsmedienversorgungseinheit ferner ein Gehäuse aufweist, von dem die Betriebsmedien-Leitungen eingeschlossen sind. Bevorzugt kann das Gehäuse dabei eine Gehäuse-Stapelseite und mehrere von der Gehäuse-Stapelseite verschiedene Gehäuse-Außenseiten aufweisen, wobei die Stapelanschlüsse jeweils an der Gehäuse-Stapelseite angeordnet sein können und die Außenanschlüsse jeweils an den Gehäuse-Außenseiten angeordnet sein können. Ferner bevorzugt kann der Außenanschluss der Kathodenzuführgas-Zuführleitung und der Außenanschluss der Kühlmittel-Zuführleitung an unterschiedlichen Gehäuse-Außenseiten angeordnet sein.

[0031] Unter einer „Gehäuse-Stapelseite“ kann dabei insbesondere eine Körperseite des Gehäuses verstanden werden, welche im montierten Zustand an dem Brennstoffzellenstapel anliegt. Beispielsweise kann die Gehäuse-Stapelseite eine Stirnseite des Gehäuses sein. Als „GehäuseAußenseiten“ können entsprechend Körperseiten des Gehäuses verstanden werden, welche nicht die Gehäuse-Stapelseite sind. Beispielsweise kann eine der Gehäuse-Stapelseite entgegengerichtete Körperseite des Gehäuses eine Gehäuse-Außenseite sein. Bevorzugt kann das Gehäuse eine quaderartige oder plattenartige Form mit sechs Körperseiten aufweisen.

[0032] Zur Bereitstellung der Betriebsmedienversorgungseinheit, mit der eine Vielzahl von Betriebsmedien gesammelt angeschlossen werden können, kann die Betriebsmedienversorgungs-

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einheit wie folgt vorgesehen werden. So kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Anodenzuführgas-Zuführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Anodenzuführgas-Außenanschluss und einem Anodenzuführgas-Stapelanschluss erstreckt. Ferner kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Kathodenzuführgas-Außenanschluss und einem Kathodenzuführgas-Stapelanschluss erstreckt. Ferner kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Kühlmittel-Zuführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Kühlmittel-Zufuhr-Außenanschluss und einem Kühlmittel-Zufuhr-Stapelanschluss erstreckt. Zudem kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Anodenabgas-Abführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Anodenabgas-Stapelanschluss und einem Anodenabgas-Außenanschluss erstreckt. Die Betriebsmedienversorgungseinheit kann ferner auch eine Kathodenabgas-Abführleitung aufweisen, welche sich zwischen einem Kathodenabgas-Stapelanschluss und einem Kathodenabgas-Außenanschluss erstreckt. Auch kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Kühlmittel-Abführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Kühlmittel-Abfuhr-Stapelanschluss und einem Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss erstreckt.

[0033] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus Brennstoffzellen. Der Brennstoffzellenstapel weist dabei einen Anodenabschnitt auf, der einen Anodenzuführabschnitt für eine Zufuhr von Anodenzuführgas und einen Anodenabführabschnitt für eine Abfuhr von Anodenabgas aufweist. Der Brennstoffzellenstapel weist ferner einen Kathodenabschnitt auf, der einen Kathodenzuführabschnitt für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas und einen Kathodenabführabschnitt für eine Abfuhr von Kathodenabgas aufweist. Der Brennstoffzellenstapel weist zudem einen Kühlabschnitt zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels auf, der einen Kühlmittelzuführabschnitt für eine Zufuhr von Kühlmittel und einen Kühlmittelabführabschnitt für eine Abfuhr von Kühlmittel aufweist. Das Brennstoffzellensystem weist ferner die zuvor beschriebene Betriebsmedienversorgungseinheit auf, die mit dem Brennstoffzellenstapel fluiudkommunizierend und mechanisch verbunden ist.

[0034] Dabei kann unter einem „Brennstoffzellensystem“ insbesondere eine Anordnung von Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verstanden werden. Ein Brennstoffzellenstapel kann insbesondere eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisen, welche entlang einer Stapelrichtung aneinander gereiht angeordnet sind. Bevorzugt kann der Brennstoffzellenstapel an seinen StapelEnden jeweils eine Endplatte aufweisen.

[0035] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich für die erfindungsgemäße Betriebsmedienversorgungseinheit erläutert worden sind. Insbesondere kann erreicht werden, dass das Gewicht und die Systemkomplexität des Brennstoffzellensystems reduziert werden können und zugleich die Effizienz des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann. Ferner kann eine verbesserte Prozessführung erreicht werden.

[0036] Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels können dabei als PEM-Brennstoffzellen oder als Festoxidbrennstoffzellen vorgesehen sein.

[0037] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Anodenzuführgas-Zuführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Anodenzuführgas-AuBenanschluss und einem Anodenzuführgas-Stapelanschluss erstreckt. Ferner kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Kathodenzuführgas-Außenanschluss und einem Kathodenzuführgas-Stapelanschluss erstreckt. Ferner kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Kühlmittel-Zuführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Kühlmittel-Zufuhr-Außenanschluss und einem Kühlmittel-ZufuhrStapelanschluss erstreckt. Zudem kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Anodenabgas-Abführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Anodenabgas-Stapelanschluss und einem Anodenabgas-Außenanschluss erstreckt. Die Betriebsmedienversorgungseinheit kann ferner auch eine Kathodenabgas-Abführleitung aufweisen, welche sich zwischen einem Kathodenabgas-Stapelanschluss und einem Kathodenabgas-Außenanschluss erstreckt. Auch kann die Betriebsmedienversorgungseinheit eine Kühlmittel-Abführleitung aufweisen, die sich zwischen einem Kühlmittel-Abfuhr-Stapelanschluss und einem Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss erstreckt.

[0038] In dem Brennstoffzellensystem kann die Anodenzuführgas-Zuführleitung den Anodenzu-

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führgas-Außenanschluss über den Anodenzuführgas-Stapelanschluss mit dem Anodenzuführabschnitt fluudkommunizierend verbinden für eine Versorgung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit Anodenzuführgas aus einer Anodenzuführgasversorgung. Ferner kann die Kathodenzuführgas-Zuführleitung den Kathodenzuführgas-Außenanschluss über den Kathodenzuführgas-Stapelanschluss mit dem Kathodenzuführabschnitt fluidkommunizierend verbinden für eine Versorgung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit Kathodenzuführgas aus einer Kathodenzuführgasversorgung. Weiterhin kann die Kühlmittel-Zuführleitung den KühlmittelZufuhr-Außenanschluss über den Kühlmittel-Zufuhr-Stapelanschluss mit dem Kühlmittelzuführabschnitt fluidkommunizierend verbinden für eine Versorgung des Kühlabschnitts mit Kühlmittel aus einer Kühlmittelversorgung. Die Anodenabgas-Abführleitung kann ferner den Anodenabgas-Außenanschluss über den Anodenabgas-Stapelanschluss mit dem Anodenabführabschnitt fluidkommunizierend verbinden für eine Entsorgung des Anodenabgas aus den Brennstoffzellen. Zudem kann die Kathodenabgas-Abführleitung den Kathodenabgas-Außenanschluss über den Kathodenabgas-Stapelanschluss mit dem Kathodenabführabschnitt fluidkommunizierend verbinden für eine Entsorgung des Kathodenabgases aus den Brennstoffzellen. Die Kühlmittel-Abführleitung kann ferner den Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss über den Kühlmittel-Abfuhr-Stapelanschluss mit dem Kühlmittelabführabschnitt fluidkommunizierend verbinden für eine Entsorgung des Kühlmittels aus dem Kühlabschnitt.

[0039] Unter „Entsorgen“ kann dabei insbesondere ein Ab- bzw. Wegführen oder Entfernen aus den Brennstoffzellen verstanden werden. Unter einer „fluidkommunizierenden Verbindung“ kann insbesondere eine Verbindung verstanden werden, durch die ein Fluid zu den jeweiligen Verbindungspartnern transportierbar wird.

[0040] Zur Vereinfachung der Montage der Betriebsmedienversorgungseinheit an dem Brennstoffzellenstapel kann der Brennstoffzellenstapel an einer Stapel-Anschluss-Seite Betriebsmedien-Anschlüsse zum Zuführen zu und zum Abführen von Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels aufweisen. Die Betriebsmedienversorgungseinheit kann dabei mit den Stapelanschlüssen an der Stapel-Anschluss-Seite angeordnet sein und mit den Betriebsmedien-Anschlüssen fluiddicht verbunden sein.

[0041] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Kathodenzuführgas mit einer definierten Kathodenzuführgas-Temperatur an einen Kathodenzuführabschnitt eines Brennstoffzellenstapels. Dabei wird das zuvor beschriebene Brennstoffzellensystem sowie Betriebsmedien an den jeweiligen Außenanschlüssen bereitgestellt. Speziell wird ein Kühlmittel zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt, welches eine definierte KühlmittelAußenanschlusstemperatur mit Eintritt in den entsprechenden Außenanschluss aufweist. Ferner wird ein Kathodenzuführgas, insbesondere Luft, bereitgstellt, welche mit Eintritt in den entsprechenden Außenanschluss eine definierte Kathodenzuführgas-Außenanschlusstemperatur aufweist. Die beiden Betriebsmedien werden simultan durch die jeweiligen Betriebsmedien-Zuführleitungen zu den jeweiligen Stapelanschlüssen geführt, um die Temperatur des Kathodenzuführgases durch Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf eine Stapeleintritts- Temperatur zu ändern.

[0042] Das erfindungsgemäße Verfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich für die erfindungsgemäße Betriebsmedienversorgungseinheit und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Insbesondere kann erreicht werden, dass das Kathodenzuführgas mit Eintritt in den Brennstoffzellenstapel zuverlässig und konsistent über die Betriebsdauer in der Temperatur geändert wird.

[0043] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben werden. Es zeigen schematisch:

[0044] Fig. 1 Ausführungsformen einer Betriebsmedienversorgungseinheit und eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung,

[0045] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

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[0046] Figs. 3A, 3C-3E verschiedene Querschnittsdarstellungen der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung unterschiedlicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betriebsmedienversorgungseinheit,

[0047] Figs. 3B eine Längsschnittsdarstellung der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betriebsmedienversorgungseinheit, und

[0048] Figs. 4 Leitungsverlaufsprofile der Kühlmittel-Zuführleitung und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung unterschiedlicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betriebsmedienversorgungseinheit.

[0049] Die Figuren zeigen jeweils unterschiedliche Ansichten und Aspekte der vorliegenden Erfindung.

[0050] Die Erfindung betrifft eine Betriebsmedienversorgungseinheit 100 für einen in einer Stapelrichtung 301 gestapelten Brennstoffzellenstapel 300 sowie ein Brennstoffzellensystem 400. Figur 1 und 2 zeigen jeweils Beispiele für den Aufbau der Betriebsmedienversorgungseinheit 100. In den Figuren 1 und 2 wird von der Betriebsmedienversorgungseinheit 100 die Funktion einer MSU übernommen, mittels der Brennstoffzellen 360 des Brennstoffzellenstapels 300 mit Betriebsmedien versorgt werden. Auch werden über die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 die Betriebsmedien nach Durchlaufen der Brennstoffzellen 360 wieder abgeführt. Die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 kann an beliebige Brennstoffzellenstapel 300 angeschlossen werden, wie Stapel aus PEM-Brennstoffzellen oder aus Festoxidbrennstoffzellen. Wahlweise kann dabei die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 unmittelbar an den Brennstoffzellenstapel 300 (Figur 1) oder an eine der Endplatten 370 des Brennstoffzellenstapel 300 (Figur 2) angeschlossen werden.

[0051] Typische Betriebsmedien des Brennstoffzellenstapels 300 sind Luft als der Kathode zuzuführendes Gas, Wasserstoff als der Anode zuzuführendes Gas und ein Kühlmittel wie Wasser, duch das die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel 300 weggeleitet werden kann. Auch in den Brennstoffzellen 360 erzeugte Substanzen, wie Wasser, können ein Betriebsmedium sein.

[0052] Zur Leitung der Betriebsmedien in und aus dem Brennstoffzellenstapel 300 weist die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 mehrere Betriebsmedien-Leitungen auf, die sich in der Betriebsmedienversorgungseinheit 100 jeweils mit einem Leitungsabschnitt zwischen einem Stapelanschluss 150 und einem Außenanschluss 140 erstrecken. Die Stapelanschlüsse 150 sind dabei bevorzugt für den Anschluss mit Leitungsein- und Ausgängen des Brennstoffzellenstapels 300 vorgesehen. Der Brennstoffzellenstapel 300 kann hierzu an einer Stapel-Anschluss-Seite SAS eine Reihe von Betriebsmedien-Anschlüsse zum Zuführen zu und zum Abführen von Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen 360 aufweisen, wie in Figur 1 exemplarisch angedeutet. Die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 kann bevorzugt mit den Stapelanschlüssen 150 an der Stapel-Anschluss-Seite SAS angeordnet werden. Die Stapelanschlüsse 150 können beispielsweise Leitungskupplungen oder Gewinde aufweisen, um einen schnellen und zuverlässigen Anschluss an die Betriebsmedien-Anschlüsse des Brennstoffzellenstapels 300 zu gewähreleisten. Die Außenanschlüsse 140 sind hingegen bevorzugt für einen Anschluss an Leitungsein- und Ausgänge externer Vorrichtungen des Brennstoffzellensystems 400 vorgesehen.

[0053] In den Figuren 1 und 2 ist die für den Betrieb typischerweise vorgesehene Ausrichtung und Betriebsposition exemplarisch gezeigt. Auch sind die im Betrieb typischerweise vorliegenden Fließrichtungen der Betriebsmedien in den Betriebsmedien-Leitungen beispielhaft in diesen Figuren angedeutet. Die Fließrichtungen werden zur Vereinfachung des Verständnisses entsprechend auch in den Figuren 4 verwendet.

[0054] Für die Zuleitung von fluiden Betriebsmedien während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 300 sind in der Betriebsmedienversorgungseinheit 100 mehrere Betriebsmedien-Zuführleitungen 111, 112, 113 vorgesehen. Durch diese Zuführleitungen 111, 112, 113 wird üblicher-

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weise ein Fluidstrom in Richtung des Brennstoffzellenstapels 300 geleitet, was mit einer Fließrichtung des Betriebsmediums von einem Außenanschluss 140 zu einem Stapelanschluss 150 korrespondiert.

[0055] Die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 in den Figuren 1 und 2 weist beispielsweise eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111, eine Anodenzuführgas-Zuführleitung 112 sowie eine Kühlmittel-Zuführleitung 113 auf.

[0056] Die Anodenzuführgas-Zuführleitung 112 kann sich zwischen einem Anodenzuführgas-AuBenanschluss 145 und einem Anodenzuführgas-Stapelanschluss 155 erstrecken. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 300 kann über die Anodenzuführgas-Zuführleitung 112 einem Anodenzuführabschnitt 321 eines Anodenabschnitts 320 des Brennstoffzellenstapels 300 ein Anodenzuführgas AZG, wie Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiger Brennstoff, zugeführt werden. Hierzu kann eine fluidkommunizierende und bevorzugt gasdichte Verbindung zwischen dem Anodenzuführabschnitt 321 und der Anodenzuführgas-Zuführleitung 112 vorgesehen sein. Das Anodenzuführgas AZG kann von einer Anodenzuführgasversorgung 420 bereitgestellt werden. Die Anodenzuführgasversorgung 420 kann beispielsweise ein Speicher oder Reformer sein.

[0057] Die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 kann sich zwischen einem KathodenzuführgasAußenanschluss 142 und einem Kathodenzuführgas-Stapelanschluss 152 erstrecken. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 300 kann über die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 ein Kathodenzuführgas KZG, wie Luft, einem Kathodenzuführabschnitt 311 eines Kathodenabschnitts 310 des Brennstoffzellenstapels 300 zugeführt werden. Hierzu kann die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 fluudkommunizierend und bevorzugt gasdicht mit dem Kathodenzuführabschnitt 311 verbunden sein. Das Kathodezuführgas KZG kann von einer Kathodenzuführgasversorgung 410 bereitgestellt sein, welche beispielsweise als Heißluftgebläse und/oder Kompressor ausgebildet sein kann.

[0058] Die Kühlmittel-Zuführleitung 113 wird zur Bereitstellung eines Kühlmittels KME zur Kühlung eines Kühlabschnitts 330 des Brennstoffzellenstapels 300 benötigt. Der Kühlabschnitt 330 kann dabei beispielsweise von Kühlkanälen in den Brennstoffzellen 360 des Brennstoffzellenstapels 300 gebildet werden. Die Kühlmittel-Zuführleitung 113 erstreckt sich zwischen einem Kühlmittel-Zufuhr-Außenanschluss 143 und einem Kühlmittel-Zufuhr-Stapelanschluss 153. Im Betrieb kann das Kühlmittel KME über die Kühlmittel-Zuführleitung 113 an einen Kühlmittelzuführabschnitt 331 des Kühlabschnitts 330 gefördert werden. Hierzu kann die Kühlmittel-Zuführleitung 113 mit dem Kühlmittelzuführabschnitt 331 fluidkommunizierend und bevorzugt gasdicht verbunden sein. Das einströmende Kühlmittel KME kann von einer Kühlmittelversorgung 430, wie einem Wassertank, bereitgestellt werden.

[0059] Zur Ausleitung von fluiden Betriebsmedien im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 300 sind ferner Betriebsmedien-Abführleitungen 121, 122, 123 vorgesehen. Durch diese Abführleitungen 121, 122, 123 wird somit üblicherweise ein Fluidstrom in einer Richtung weg von dem Brennstoffzellenstapel 300 geleitet. Solche Fließrichtungen korrespondieren beispielsweise mit einer Richtung von einem Stapelanschluss 150 zu einem zugehörigen Außenanschluss 140.

[0060] Zum Ausleiten der Betriebsmedien weist die Betriebsmedienversorgungseinheit 100 in den Figuren 1 und 2 beispielsweise eine Kathodenabgas-Abführleitung 121, eine AnodenabgasAbführleitung 122 und eine Kühlmittel-Abführleitung 123 auf.

[0061] Die Anodenabgas-Abführleitung 122 kann sich dabei zwischen einem Anodenabgas-Stapelanschluss 156 und einem Anodenabgas-Außenanschluss 146 erstrecken. Im Betrieb kann beispielsweise über die Anodenabgas-Abführleitung 122 ein Anodenabgas AAG, wie Wasser, über einen Anodenabführabschnitt 322 aus den Brennstoffzellen 360 entsorgt werden. Die Anodenabgas-Abführleitung 122 kann dabei fluidkommunizierend und bevorzugt gasdicht mit dem Anodenabführabschnitt 322 verbunden sein.

[0062] Die Kathodenabgas-Abführleitung 121 kann sich zwischen einem Kathodenabgas-Stapelanschluss 151 und einem Kathodenabgas-Außenanschluss 141 erstrecken. Im Betrieb kann beispielsweise über die Kathodenabgas-Abführleitung 121 ein Kathodenabgas KAG, wie Wasser,

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über einen Kathodenabführabschnitt 311 des Kathodenabschnitts 310 abgeführt werden. Hierzu kann die Kathodenabgas-Abführleitung 121 fluidkommunizierend und bevorzugt gasdicht mit dem Kathodenabführabschnitt 311 verbunden sein.

[0063] Zum Ausleiten des Kühlmittels aus dem Kühlabschnitt 330 ist in den Figuren 1 und 2 die Kühlmittel-Abführleitung 123 gezeigt, welche sich zwischen einem Kühlmittel-Abfuhr-Stapelanschluss 154 und einem Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss 144 erstrecken kann. Auch die Kühlmittel-Abführleitung 123 kann fluidkommunizierend und bevorzugt gasdicht mit einem Kühlmittelabführabschnitt 332 des Kühlabschnitts 330 verbunden sein.

[0064] Bevorzugt können sämtliche Betriebsmedien-Leitungen innerhalb eines Gehäuses 190 angeordnet sein (vgl. Figuren 1 und 2). Das Gehäuse 190 kann dabei eine Gehäuse-Stapelseite GSS und mehrere von der Gehäuse-Stapelseite GSS verschiedene Gehäuse-Außenseiten GAS aufweisen. Die Stapelanschlüsse 150 können bevorzugt alle an der Gehäuse-Stapelseite GSS angeordnet sein, um den Anschluss an den Brennstoffzellenstapel 300 zu erleichtern. Die AuBenanschlüsse 140 können hingegen alle an den Gehäuse-Außenseiten GAS angeordnet sein. Bevorzugt kann durch eine geschickte Anordnung der Außenanschlüsse 142, 143 der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 und der Kühlmittel-Zuführleitung 113 an unterschiedlichen Gehäuse-Außenseiten GAS kann eine vorteilhafte Stromführung sowie Verkürzungen oder Verlängerungen von Leitungslängen erreicht werden, welche einen Wärmeaustausch begünstigen können.

[0065] In der Betriebsmedienversorgungseinheit 100 sind ferner die Kühlmittel-Zuführleitung 113 und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 über einen Wärmeübertragungsabschnitt 130 wärmeübetragend miteinander gekoppelt, um die Temperatur des Kathodenzuführgases KZG zu ändern. Die Figuren 1, 3 und 4 zeigen unterschiedliche Beispiele der wärmeübetragenden Kopplung mittels des Wärmeübertragungsabschnitts 130.

[0066] In Figur 1 ist der Wärmeübertragungsabschnitt 130 lediglich schematisch als ein Wärmeleitelement, wie eine Rippe, dargestellt. Ein solches Wärmeleitelement kann sich zwischen der Kühlmittel-Zuführleitung 113 und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 jeweils quer zur Erstreckungsrichtung der Leitungsabschnitts der Kühlmittel-Zuführleitung 113 und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 erstrecken. Der Wärmeübertragungsabschnitt 130 kann sich ferner vollständig entlang dieser Leitungsabschnitte erstrecken, wie ebenfalls in Figur 1 gezeigt. Figur SE zeigt ein ähnliches, weiteres Beispiel, bei dem der Wärmeübertragungsabschnitt 130 als wärmeleitfähiges Vollmaterial zwischen den beiden Zuführleitungen 111, 113 gezeigt ist.

[0067] Die Figuren 3A bis 3D zeigen weitere Beispiele für den Wärmeübertragungsabschnitt 130. In den Figuren 3A, 3C und 3D ist beispielsweise gezeigt, dass der Wärmeübertragungsabschnitt 130 sich wenigstens abschnittsweise als ein gemeinsamer Wandabschnitt der Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung 113 und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 erstrecken kann. In Figur 3C wird dabei der Wärmeübertragungsabschnitt 130 aus demselben Material gebildet wie das der Zuführleitungen 111, 113. In Figur 3A wird der Wärmeübertragungsabschnitt 130 von einer der Zuführleitungen 111, 113 selbst gebildet. In Figur 3D weist der Wärmeübertragungsabschnitt 130 ein anderes Material, bspw. Kupfer, auf als die, die Zuführleitungen 111, 113 einschließenden, Wandungen, wie ein Plastikmaterial. Zusätzlich ist in Figur 3D gezeigt, dass die Zuführleitungen 111, 113 bevorzugt als Rillen in zwei komplementären Gehäuseteilen 191, 192 des Gehäuses 190 ausgebildet sein können.

[0068] Figur 3E zeigt ferner ein Beispiel ähnlich zu Figur 3B. Jedoch sind in Figur 3B die Kühlmittel-Zuführleitung 113 und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 aufeinander aufgepresst, so dass der Wärmeübertragungsabschnitt 130 sich wenigstens abschnittsweise als Kontaktflächen der beiden Zuführleitungen 111, 113 erstreckt und so einen thermisch leitenden Kontakt herstellt. Bevorzugt kann hierbei noch zusätzlich eine Wärmeleitpaste zwischen den beiden Zuführleitungen 111, 113 vorgesehen werden.

[0069] Figur 3B zeigt ferner ein Beispiel, dass die Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung 113 und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 sich mit einem ringförmigen Querschnittsprofil

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erstrecken können, welches einen entlang der Erstreckung des Leitungsabschnitte variablen Durchmesser D aufweisen kann. In Figur 3B ist dabei beispielhaft gezeigt, dass sich die Querschnittsfläche der Kühlmittel-Zuführleitung 113 in Richtung zu dem Stapelanschluss 150 abnehmend und die Querschnittsfläche der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 hierzu konträr in Richtung des Stapelanschlusses 150 zunehmend vorgesehen sein kann. Hierdurch kann beispielsweise die Kühlleistung konstant über die Leitungslängserstreckung gehalten werden.

[0070] Die Figuren 4A bis 4D zeigen unterschiedliche Leitungsverlaufsprofile für die KühlmittelZuführleitung 113 und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111.

[0071] In Figur 4A ist die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 beispielsweise als Kühltasche ausgebildet, welche von der mäandernden Kühlmittel-Zuführleitung 113 als Kühlschlange überdeckt wird. Der Wärmeübertragungsabschnitt 130 kann dabei als gemeinsamer Wandabschnitt (beispielsweise bei einer in der Kühltasche eingetauchten Kühlschlange) oder als Kontaktfläche stehend ausgebildet sein.

[0072] In Figur 4D ist eine Gegenstrom-Führung der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 und der Kühlmittel-Zuführleitung 113 gezeigt. Hierbei weisen die jeweiligen Leitungsabschnitte jeweils Leitungsteilabschnitte auf, an denen Fließrichtungen zueinander entgegengesetzt angeordnet sind. Der Wärmeübertragungsabschnitt 130 kann dabei als gemeinsamer Wandabschnitt (wie in den Figuren 3C oder 3D) oder als Wärmeleitelement (wie in Figur 3E) ausgebildet sein.

[0073] In Figur 4B erstreckt sich der Leitungsabschnitt der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 geradlinig. Hingegen weist der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung 113 eine mänderförmige mehrfach-gewundene flächige Erstreckung auf sowie eine geradlinige Erstreckung, von welcher in Figur 4B ein Bypass-Leitungsabschnitt 1133 gebildet wird. Der Bypass-Leitungsabschnitt 1133 und der mänderförmige Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung 113 sind über eine Verzweigungsstelle 1131 und eine Verbindungsstelle 1132 miteinander verbunden. Wenigstens einer von Verzweigungsstelle 1131 und Verbindungsstelle 1132 kann ein Regelventil aufweisen, welches von einer Regeleinheit 500 gesteuert werden kann. Derart kann beispielsweise eine Regelung der Kathodenzuführgas-Temperatur erreicht werden, die je nach Bedarf zugeschaltet werden kann.

[0074] In Figur 4C erstrecken sich die Leitungsabschnitte der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 und der Kühlmittel-Zuführleitung 113 geradlinig, parallel, und unmittelbar benachbart zueinander. Ein Wärmeübertragungsabschnitt 130 zwischen der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 und der Kühlmittel-Zuführleitung 113 kann durch einen gemeinsamen Wandabschnitt (wie in den Figuren 3C oder 3D) gebildet werden. Ferner wird in Figur 4C noch ein weiterer Wärmeübertragungsabschnitt 130 gezeigt, welcher sich zwischen der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 und der Kühlmittel-Abführleitung 123 erstreckt. Die Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 wird dabei von einem Bypass-Leitungsabschnitt 1233 überdeckt, dessen Kühlmittel-Fluß KMA durch Regelventile an einer Verzweigungsstelle 1231 und/oder einer Verbindungsstelle 1232 geregelt werden kann. Hierzu kann bevorzugt in dem Brennstoffzellensystem 400 die Regeleinheit 500 vorgesehen sein. Derart kann das Kathodenzuführgas KZG in der Kathodenzuführgas-Zuführleitung 111 nicht nur von dem Kühlmittel KMA aus dem Brennstoffzellenstapel 300, sondern auch durch Kühlmittel KME aus der Kühlmittelversorgung 430 in seiner Temperatur geändert werden. Es ist natürlich auch vorstellbar, die Vorrichtungen aus Figur 4B und 4C miteinander zu kombinieren.

[0075] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Kathodenzuführgas KZG mit einer definierten Kathodenzuführgas-Temperatur an den Kathodenzuführabschnitt 311 in dem Brennstoffzellensystem 400. Hierbei wird das Kühlmittel KME mit einer definierten Kühlmittel-Außenanschlusstemperatur (bspw. 10 Grad Celsius) am Außenanschluss 143 bereitgestellt. Ebenso wird das Kathodenzuführgas KZG mit einer definierten Kathodenzuführgas-Außenanschlusstemperatur (bspw. 100 Grad Celsius) am Außenanschluss 142 bereitgestellt. Dann werden das Kühlmittel KME und das Kathodenzuführgas KZG durch die Zuführleitungen 111, 113 simultan zu den jeweiligen Stapelanschlüssen 150 geführt und dabei mittels Wärmeübertragung die Temperatur des Kathodenzuführgases KZG auf eine definierte Stapeleintritts-

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Temperatur (bspw. 80 Grad Celsius) geändert.

[0076] Bevorzugt können von der Betriebsmedienversorgungseinheit 100 Temperaturunterschiede zwischen der Kathodenzuführgas-Außenanschlusstemperatur und der StapeleintrittsTemperatur von 1 bis 2 Grad Celsius, 1 bis 5 Grad Celsius, 1 bis 10 Grad Celsius, 1 bis 20 Grad Celsius oder 1 bis 30 Grad Celsius erzeugt werden.

[0077] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0078] Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, auch andere Paarungen der Betriebsmedien-Leitungen in entsprechender Weise miteinander wärmeüberertragend zu koppeln. Beispielsweise könnte die Kühlmittel-Abführleitung 123 anstelle der Kühlmittel-Zuführleitung 113 mit der Kathodenzuführgas-Zuführleitung wärmeübertragend gekoppelt werden, um beispielsweise die Temperatur des Kathodenzuführgases zu ändern. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch vorstellbar, die Kühlmittel-Zuführleitung 113 mit der Anodenzuführgas-Zuführleitung 112 wärmeübertragend Zu koppeln. Auch ist es vorstellbar, dass beispielsweise mehr als nur zwei der BetriebsmedienLeitungen miteinander wärmeüberertragend gekoppelt sind. Insbesondere können drei oder mehr der Betriebsmedien-Leitungen miteinander wärmeübertragend gekoppelt sein.

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BEZUGSZEICHENLISTE

100 Betriebsmedienversorgungseinheit

111, 112, 113 Betriebsmedien-Zuführleitungen

111 Kathodenzuführgas-Zuführleitung 113 Kühlmittel-Zuführleitung

121-123 Betriebsmedien-Abführleitungen 121 Kathodenabgas-Abführleitung

122 Anodenabgas-Abführleitung

123 Kühlmittel-Abführleitung

130 Wärmeübertragungsabschnitt

140 Außenanschluss

141 Kathodenabgas-Außenanschluss 142 Kathodenzuführgas-Außenanschluss 143 Kühlmittel-Zufuhr-Außenanschluss 144 Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss 145 Anodenzuführgas-Außenanschluss 146 Anodenabgas-Außenanschluss 150 Stapelanschluss

151 Kathodenabgas-Stapelanschluss 152 Kathodenzuführgas-Stapelanschluss 153 Kühlmittel-Zufuhr-Stapelanschluss 154 Kühlmittel-Abfuhr-Stapelanschluss 155 Anodenzuführgas-Stapelanschluss 156 Anodenabgas-Stapelanschluss 190 Gehäuse

191, 192 Gehäuseteil

300 Brennstoffzellenstapel

301 Stapelrichtung

310 Kathodenabschnitt

311 Kathodenzuführabschnitt

312 Kathodenabführabschnitt

320 Anodenabschnitt

321 Anodenzuführabschnitt

322 Anodenabführabschnitt

330 Kühlabschnitt

331 Kühlmittelzuführabschnitt

332 Kühlmittelabführabschnitt

360 Brennstoffzelle

370 Endplatte

400 Brennstoffzellensystem

410 Kathodenzuführgasversorgung 420 Anodenzuführgasversorgung 430 Kühlmittelversorgung

500 Regeleinrichtung

1131 Verzweigungsstelle, Regelventil 1132 Verbindungsstelle

1133 Bypass-Leitungsabschnitt 1231 Verzweigungsstelle, Regelventil 1232 Verbindungsstelle

1233 Bypass-Leitungsabschnitt AAG Anodenabgas

AZG Anodenzuführgas

GAS Gehäuse-Außenseite

GSS Gehäuse-Stapelseite

KAG Kathodenabgas

KMA ausströmendes Kühlmittel KME einströmendes Kühlmittel

KZG Kathodenzuführgas

SAS Stapel-Anschlussseite

D Durchmesser

Claims (1)

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   Patentansprüche

   1. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) für einen Brennstoffzellenstapel (300), aufweisend:

   - Betriebsmedien-Leitungen, welche sich jeweils mit einem Leitungsabschnitt zwischen einem Stapelanschluss (150) und einem Außenanschluss (140) erstrecken, aufweisend:

   o Betriebsmedien-Abführleitungen (121, 122, 123) zur Abfuhr von fluiden Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) von dem jeweiligen Stapelanschluss (150) zu dem jeweiligen Außenanschluss (140), und

   o Betriebsmedien-Zuführleitungen (111, 112, 113) zur Zufuhr von fluiden Betriebsmedien zu den Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) von dem jeweiligen Außenanschluss (140) zu dem jeweiligen Stapelanschluss (150), wobei die Betriebsmedien-Zuführleitungen (111, 112, 113) wenigstens eine Kühlmittel-Zuführleitung (113) und eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) aufweisen,

   gekennzeichnet dadurch, dass

   die Kühlmittel-Zuführleitung (113) und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) über einen Wärmeübertragungsabschnitt (130) wärmeübetragend miteinander gekoppelt sind, um die Temperatur eines Kathodenzuführgases (KZG), das in der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) als eines der Betriebsmedien zu dem Stapelanschluss (150) geführt wird, zu ändern.

   2. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmeübertragungsabschnitt (130) sich jeweils an wenigstens einem Abschnitt der Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) erstreckt oder sich im Wesentlichen vollständig an den beiden Leitungsabschnitten erstreckt.

   3. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Wärmeübertragungsabschnitt (130) sich wenigstens abschnittsweise als ein Wärmeleitelement zwischen der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) erstreckt und mit den jeweiligen Leitungsabschnitten jeweils verbunden ist, wobei bevorzugt das Wärmeleitelement eine Wärmeleitstruktur, wie eine Rippe, oder eine Wärmeleitpaste aufweist.

   4. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeübertragungsabschnitt (130) sich wenigstens abschnittsweise als ein gemeinsamer Wandabschnitt der Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) erstreckt, und/oder

   wobei der Wärmeübertragungsabschnitt (130) sich wenigstens abschnittsweise als Kontaktflächen von der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) erstreckt, über die die Leitungsabschnitte miteinander in einem thermisch leitenden Kontakt stehen.

   5. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittel-Zuführleitung (113) und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) sich wenigstens abschnittsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander innerhalb der Betriebsmedienversorgungseinheit (100) erstrecken.

   6. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und/oder der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) sich wenigstens abschnittsweise geradlinig erstreckt und/oder eine mänderförmige mehrfachgewundene flächige Erstreckung aufweist.

   7. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitungsabschnitte der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und der KathodenzuführgasZuführleitung (111) sich wenigstens abschnittsweise unmittelbar benachbart voneinander erstrecken.

   8. Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung (113) und/oder der Kathodenzuführ-

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   gas-Zuführleitung (111) sich mit einem ringförmigen, kreisförmigen oder rechteckigen Querschnittsprofil erstreckt, wobei bevorzugt das Querschnittsprofil entlang der Erstreckung des Leitungsabschnitts einen wenigstens abschnittsweise konstanten oder variablen Durchmesser (D) aufweist.

   Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß Anspruch 8, wobei der Leitungsabschnitt der Kühlmittel-Zuführleitung (113) ein Querschnittsprofil aufweist, dessen Querschnittsfläche mit zunehmender Annäherung an den Stapelanschluss (150) bezüglich der Querschnittsfläche an dem Außenanschluss (140) abnimmt, und die Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) ein Querschnittsprofil aufweist, dessen Querschnittsfläche mit zunehmender Annäherung an den Stapelanschluss (150) bezüglich der Querschnittsfläche an dem Außenanschluss (140) zunimmt.

   Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitungsabschnitte der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) und der KühlmittelZuführleitung (113) sich jeweils wenigstens an einem Leitungsteilabschnitt in entgegengesetzten Richtungen von dem jeweiligen Außenanschluss (140) in Richtung zu dem jeweilgen Stapelanschluss (150) erstrecken, um die jeweiligen Betriebsmedien wenigstens in den Leitungsteilabschnitten gegenläufig zu führen, wobei wenigstens die Leitungsteilabschnitte miteinander über den Wärmeübertragungsabschnitt (130) wärmeübertragend gekoppelt sind.

   Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Gehäuse (190), von dem die Betriebsmedien-Leitungen eingeschlossen sind, wobei bevorzugt das Gehäuse (190) eine Gehäuse-Stapelseite (GSS) und mehrere von der Gehäuse-Stapelseite (GSS) verschiedene Gehäuse-Außenseiten (GAS) aufweist, wobei die Stapelanschlüsse (150) an der Gehäuse-Stapelseite (GSS) angeordnet sind und die Außenanschlüsse (140) an den Gehäuse-Außenseiten (GAS) angeordnet sind, wobei ferner bevorzugt der Außenanschluss (142) der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) und der Außenanschluss (143) der Kühlmittel-Zuführleitung (113) an unterschiedlichen Gehäuse-Außenseiten (GAS) angeordnet sind.

   Brennstoffzellensystem (400) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (300) aus Brennstoffzellen (360), wobei der Brennstoffzellenstapel (300) aufweist:

   - einen Anodenabschnitt (320), welcher einen Anodenzuführabschnitt (321) für eine Zufuhr von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (322) für eine Abfuhr von Anodenabgas (AAG) aufweist,

   - einen Kathodenabschnitt (310), welcher einen Kathodenzuführabschnitt (311) für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (312) für eine Abfuhr von Kathodenabgas (KAG) aufweist, und

   - einen Kühlabschnitt (330) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (300), welcher einen Kühlmittelzuführabschnitt (331) für eine Zufuhr von Kühlmittel (KME) und einen Kühlmittelabführabschnitt (332) für eine Abfuhr von Kühlmittel (KMA) aufweist,

   gekennzeichnet durch

   - eine Betriebsmedienversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend

   o eine Anodenzuführgas-Zuführleitung (112), welche sich zwischen einem Anodenzuführgas-Außenanschluss (145) und einem Anodenzuführgas-Stapelanschluss (155) erstreckt,

   o eine Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111), welche sich zwischen einem Kathodenzuführgas-Außenanschluss (142) und einem Kathodenzuführgas-Stapelanschluss (152) erstreckt,

   o eine Kühlmittel-Zuführleitung (113), welche sich zwischen einem Kühlmittel-ZufuhrAußenanschluss (143) und einem Kühlmittel-Zufuhr-Stapelanschluss (153) erstreckt,

   o eine Anodenabgas-Abführleitung (122), welche sich zwischen einem AnodenabgasStapelanschluss (156) und einem Anodenabgas-Außenanschluss (146) erstreckt,

   13.

   14.

   15.

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   o eine Kathodenabgas-Abführleitung (121), welche sich zwischen einem Kathodenabgas-Stapelanschluss (151) und einem Kathodenabgas-Außenanschluss (141) erstreckt, und

   o eine Kühlmittel-Abführleitung (123), welche sich zwischen einem Kühlmittel-AbfuhrStapelanschluss (154) und einem Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss (144) erstreckt,

   wobei die Anodenzuführgas-Zuführleitung (112) den Anodenzuführgas-Außenanschluss (145) über den Anodenzuführgas-Stapelanschluss (155) mit dem Anodenzuführabschnitt (321) fluldkommunizierend verbindet für eine Versorgung der Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) mit Anodenzuführgas (AZG) aus einer Anodenzuführgasversorgung (420),

   wobei die Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) den Kathodenzuführgas-Außenanschluss (142) über den Kathodenzuführgas-Stapelanschluss (152) mit dem Kathodenzuführabschnitt (311) fluldkommunizierend verbindet für eine Versorgung der Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) mit Kathodenzuführgas (KZG) aus einer Kathodenzuführgasversorgung (410),

   wobei die Kühlmittel-Zuführleitung (113) den Kühlmittel-Zufuhr-Außenanschluss (143) über den Kühlmittel-Zufuhr-Stapelanschluss (153) mit dem Kühlmittelzuführabschnitt (331) fluidkommunizierend verbindet für eine Versorgung des Kühlabschnitts (330) mit Kühlmittel (KME) aus einer Kühlmittelversorgung (430),

   wobei die Anodenabgas-Abführleitung (122) den Anodenabgas-Außenanschluss (146) über den Anodenabgas-Stapelanschluss (156) mit dem Anodenabführabschnitt (322) fluidkommunizierend verbindet für eine Entsorgung des Anodenabgas (AAG) aus den Brennstoffzellen (360),

   wobei die Kathodenabgas-Abführleitung (121) den Kathodenabgas-Außenanschluss (141) über den Kathodenabgas-Stapelanschluss (151) mit dem Kathodenabführabschnitt (312) fluidkommunizierend verbindet für eine Entsorgung des Kathodenabgases (KAG) aus den Brennstoffzellen (360), und

   wobei die Kühlmittel-Abführleitung (123) den Kühlmittel-Abfuhr-Außenanschluss (144) über den Kühlmittel-Abfuhr-Stapelanschluss (154) mit dem Kühlmittelabführabschnitt (332) fluidkommunizierend verbindet für eine Entsorgung des Kühlmittels (KMA) aus dem Kühlabschnitt (330).

   Brennstoffzellensystem (400) gemäß Anspruch 12, wobei der Brennstoffzellenstapel (300) an einer Stapel-Anschluss-Seite (SAS) Betriebsmedien-Anschlüsse zum Zuführen zu und zum Abführen von Betriebsmedien aus den Brennstoffzellen (360) des Brennstoffzellenstapels (300) aufweist, und

   die Betriebsmedienversorgungseinheit (100) mit den Stapelanschlüssen (150) an der StapelAnschluss-Seite (SAS) angeordnet ist und mit den Betriebsmedien-Anschlüssen fluiddicht verbunden ist.

   Brennstoffzellensystem (400) gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei die Brennstoffzellen (360) eine Polymerelektrolyti-Membran aufweisen oder die Brennstoffzellen (360) Festoxidbrennstoffzellen sind.

   Verfahren zum Bereitstellen von Kathodenzuführgas (KZG) mit einer definierten Kathodenzuführgas-Temperatur an einen Kathodenzuführabschnitt (311) eines Brennstoffzellenstapels (300), aufweisend:

   - Bereitstellen eines Brennstoffzellensystems (400) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, - Bereitstellen von Betriebsmedien an den jeweiligen Außenanschlüssen, umfassend:

   o Bereitstellen eines Kühlmittels (KME, KMA) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (300) mit einer definierten Kühlmittel-Außenanschlusstemperatur, und

   o Bereitstellen eines Kathodenzuführgases (KZG) mit einer definierten Kathodenzuführgas-Außenanschlusstemperatur,

   - simultanes Führen des Kühlmittels (KME) durch die Kühlmittel-Zuführleitung (113) und des Kathodenzuführgases (KZG) in der Kathodenzuführgas-Zuführleitung (111) zu den jeweiligen Stapelanschlüssen (150), um die Temperatur des Kathodenzuführgases (KZG) durch Wärmeübertragung von dem Kühlmittel (KME, KMA) auf eine Stapeleintritts-Temperatur zu ändern.

   Hierzu 3 Blatt Zeichnungen