Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZellenanordnung mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten.

BrennstoffZellenanordnungen mit mehreren Brennstoffzellen o- der einzelne Brennstoffzellen dienen einer schadstoffarmen Erzeugung von Elektrizität. Hierbei werden die jeweils eine Anode und Kathode aufweisenden Brennstoffzellen einerseits mit einem Wasserstoff enthaltenen Reaktionsstoff als Brennstoff und andererseits mit einem Sauerstoff enthaltenen Reaktionsstoff als Oxidationsmittel beaufschlagt. Als Reaktionsprodukt der Oxidationsvorgänge in der Brennstoffzelle ist ein aus der Brennstoffzelle austretender Luftstrom mit Wasserdampf und auskondensiertem Wasser befrachtet.

Dabei wird bei der Gasversorgung der Kathode Frischluft als Oxidationsmittel zunächst in einem Verdichter komprimiert und dann in einem Ladeluftkühler abgekühlt. Im Weiteren strömt die Luft in ein Befeuchtermodul, in welchem sie Wasserdampf aus einem kathodenseitig ausströmenden Kathodenabgas der Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels aufnimmt. Danach wird die befeuchtete Frischluft in die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstapel geleitet und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Das kathodenseitig aus ^¬ strömende Kathodenabgas wird dann dem Befeuchtermodul zugeführt, wo es Wasserdampf an die der Kathode zuführende Luft abgibt. Anschließend wird das Kathodenabgas einer Abgasturbi- ne zugeführt. Der Anode der BrennstoffZellenanordnung wird beispielsweise über ein Dosierventil überstöchiometrischer Wasserstoff als Brennstoff aus einem WasserstoffSpeicher zugeführt. Nicht umgesetzter Wasserstoff und an der Kathode ü- bergetretener Stickstoff und Wasserdampf werden mittels eines Gebläses (auch Rezirkulationsgebläse genannt) wieder auf das Druckniveau des Frischgases verdichtet und über eine Rückführung erneut in den WasserstoffZustrom eingespeist.

Üblicherweise sind einzelne oder mehrere der Komponenten - Wasserspeicher, einzelne Brennstoffzellen, zu einem Stapel zusammengeschaltete Brennstoffzellen, Befeuchter, Ladeluftkühler, BrennstoffSpeicher, Kühlmittelspeicher und/oder e- lektronische Steuerungen - von einem gemeinsamen oder jeweils von einem separaten Gehäuse zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen und/oder Umwelteinflüssen wie beispielsweise Spritzwasser oder Schutz umgeben.

Je nach Aufbau und Art der BrennstoffZeilenanordnung werden die erforderlichen Komponenten im zur Verfügung stehenden Bauraum entsprechend positioniert und über Strömungsleitungen, insbesondere Rohrleitungen miteinander verbunden. Dabei verlaufen die Strömungsleitungen sowohl geradlinig als auch gekrümmt, insbesondere mit 90° Umlenkungen.

Entlang der Strömungsleitungen kommt es zu Druckverlusten und im Bereich von Umlenkungen zu Strömungswiderständen. Zum Ausgleich der Druckverluste und/oder Reduzieren der Strömungswiderstände weist die jeweilige Komponente, d. h. der Ladeluft- kühler, der Befeuchter, der Abscheider, ein Heizelement, der Brennstoffzellenstapel und/oder die Brennstoffzellen, strö- mungseingangs- und -ausgangsseitig so genannte Aufweitungs ^¬ und Verengungsbereiche (auch Ports, Eingangsport und Ausgangsport genannt) auf, welche die Strömungsleitungen mit der jeweiligen Funktionseinheit der Komponente verbinden. Hierdurch bedarf die Brennstoffzellenanordnung eines großen Bauraums. Darüber hinaus kommt es zu ungleichmäßiger Anströmung der jeweiligen Komponente und zu höheren Druckverlusten.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenanordnung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten sind ein oder mehrere der Komponenten und/oder der Brennstoffzellenstapel zu einer Baueinheit integriert. Auf diese Weise sind aufwändige Rohrleitungsverbindungen vermieden, wodurch geringere Druckverluste an Übergangsbereichen zwischen den Komponenten auftreten. Auch werden die Funktionseinheiten der Komponenten besser angeströmt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung erhöht. Der benötigte Bauraum ist durch die integrierte und somit kompakte Ausführung der Baueinheit mit mehreren Komponenten gegenüber herkömmlichen einzelnen Komponenten deutlich reduziert. Da zwischen den Komponenten keine Rohrleitungen benötigt werden, ist der Montageaufwand deutlich reduziert.

Anstelle von aufwändigen Rohrleitungen sind aneinander angrenzende Komponenten und/oder der Brennstoffzellenstapel durch ineinander übergehende Eingangsbereiche und Ausgangsbe ^¬ reiche miteinander fluidisch verbunden. Dabei sind die Ein ^¬ gangs- und Ausgangsbereiche für eine homogene Anströmung und geringe Druckverluste entsprechend als Verengungs- und/oder AufWeitungsbereiche ausgebildet. Rohrleitungen und somit zusätzlicher Montageaufwand sind sicher vermieden. Ferner ist die Baueinheit mit mehreren integrierten Komponenten von einem einzelnen Gehäuse umgeben, so dass die Anzahl von Anbin- dungspunkten an Tragrahmen, insbesondere an den Fahrzeugrahmen reduziert ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine BrennstoffZeilenanordnung mit den fluidisch miteinander verbundenen Komponenten,

Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine aus mehreren Komponenten der Brennstoffzellenanordnung gebildete, integrierte Baueinheit, und

Fig. 3 in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der integrierten Baueinheit gemäß Figur 2.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt eine BrennstoffZellenanordnung 1 mit einer Brennstoffzelle 2. Alternativ kann die Brennstoffzellenanord- nung 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise ein Brenn ^¬ stoffzellenpaket oder einen Brennstoffzellenstapel umfassen. Die Brennstoffzelle 2 besteht aus einer Anode 3 und einer Kathode 4.

Der Brennstoffzelle 2 sind kathodenseitig zur Versorgung mit Oxidationsmittel in eine Kathodenzuleitung Zl eine Luftversorgungseinheit 5, insbesondere ein Luftverdichter, ein Lade- luftkühler 6 und ein Befeuchter 7 vorgeschaltet. Dabei kann der Befeuchter 7 über eine Umgehungsleitung Ll (= Bypass) umgangen werden. Hierzu ist in der Kathodenzuleitung Zl ein erstes Steuerelement Vl, insbesondere ein Steuerventil, angeordnet. Kathodenabgasseitig ist der Kathode 4 über eine Ab- gasleitung Al der Befeuchter 7 und eine Abgasturbine 8 nachgeschaltet. Die Luftversorgungseinheit 5 und die Abgasturbine 8 sind motorgetrieben. Hierzu ist ein Antriebsmotor 9 zum Antrieb sowohl der Luftversorgungseinheit 5 als auch der Abgasturbine 8 vorgesehen. Anodenseitig ist der Brennstoffzelle 2 zur Versorgung mit Brennstoff BS, insbesondere Wasserstoff ein Speicher 10 vorgeschaltet, von dem eine Anodenzuleitung Z2 in die Anode 3 mündet. Über ein Dosierventil V2 ist die Brennstoffzufuhr steuerbar. Anodenabgasseitig ist in eine Rückführleitung Rl ein Rezirkulationsgebläse 11 angeordnet, wobei die Rückführleitung Rl in die Anodenzuleitung Z2 mündet. In der Rückführung Rl ist darüber hinaus ein Abblasventil V3 zum Abblasen von Anodenabgas AG angeordnet.

Im Betrieb der Vorrichtung wird der Kathode 4 als Oxidationsmittel Luft L, insbesondere Frischluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Medium zugeführt. Dabei wird die Luft L von der Luftversorgungseinheit 5 gefördert und verdichtet. Die verdichtete Luft vL wird anschließend in dem Ladeluftkühler 6 gekühlt und im Befeuchter 7 befeuchtet, indem sie Wasserdampf aus dem kathodenseitig ausströmenden und den Befeuchter 7 e- benfalls durchströmenden Kathodenabgas KG aufnimmt. Die be ^¬ feuchtete Luft bL strömt durch die Kathode 4 zur Durchführung der elektrochemischen Reaktion und verlässt diese als Katho ^¬ denabgas KG, Wasser oder Wasserdampf, das bzw. der zur Befeuchtung der einströmenden verdichteten Luft vL dem Befeuchter 7 zugeführt wird und von diesem über die Abgasturbine 8 abgeführt wird.

Parallel dazu wird der Anode 3 vom Speicher 10 als Brennstoff BS beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Medium zugeführt, das anodenabgasseitig als Anodenabgas AG in die Rückführung Rl strömt und über das Rezirkula- tionsgebläse 11 in die Anodenzuleitung Z2 eingeströmt wird.

Zur Bauraumoptimierung der BrennstoffZellenanordnung 1 bei einer Verwendung beispielsweise in einem Fahrzeug können ein oder mehrere der Komponenten und/oder die Brennstoffzelle o- der der Brennstoffzellenstapel 2 der Brennstoffzellenanord- nung 1 zu einer kompakten Baueinheit 13 integriert sein. Figuren 2 und 3 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine derartige kompakte Baueinheit 13, in welche der Ladeluftkühler 6, der Befeuchter 7 und ein kathodenseitiger Abscheider 12 zu einer kompakten Baueinheit 13 integriert sind. Dabei sind die Komponenten derart stoffstromgünstig positioniert, dass Leitungen und Leitungsumlenkungen und damit verbundene Strömungswiderstände sowie Leitungslängendruckverlus- te sicher reduziert oder vermieden sind.

Hierzu sind die aneinander angrenzenden Komponenten wie Ladeluftkühler 6 und Befeuchter 7 oder Befeuchter 7 und Abscheider 12 durch ineinander übergehende Eingangsbereiche E und Ausgangsbereiche A verbunden. Rohrleitungen zwischen den Korn- ponenten innerhalb der Baueinheit 13 entfallen. Die ineinan ^¬ der übergehenden Eingangsbereiche E und Ausgangsbereiche A der in der Baueinheit 13 integrierten Komponenten weisen zur Einstellung einer homogenen Anströmung und zur Reduzierung von Druckverlusten einen weitgehend gleichen Strömungsquerschnitt auf und ersetzen die üblicherweise als Verengungs- und/oder Aufweitungsbereiche ausgebildeten und an Rohrleitun ^¬ gen 14 angebundenen Ein- und Ausgänge. Hierdurch ist der Mon- tageaufwand reduziert, da lediglich die äußeren Schnittstellen der Baueinheit 13 als äußere Eingänge Ea und Ausgänge Aa der betreffenden Komponenten ausgebildet sind und mit Rohrleitungen 14 verbunden werden müssen. Gegenüber einer herkömmlichen BrennstoffZeilenanordnung mit einzelnen, rohrlei- tungsverbundenen Komponenten reduziert sich die Anzahl von benötigten Rohrleitungen bei der hier dargestellten integrierten Baueinheit 13 mit drei integrierten Komponenten dem Ladeluftkühler, dem Befeuchter 7 und dem Abscheider 12 von sechs auf vier. Die üblicherweise erforderlichen Umlenkungen sind in die ineinander übergehenden Ein- und Ausgangsbereiche E, A integriert. Zudem ist durch die ineinander übergehenden Ein- und Ausgangsbereiche E, A ein im Stand der Technik erforderlicher Verengungsbereich vermieden.

In Figur 3 sind die zwischen den Komponenten ineinander übergehenden Ein- und Ausgangsbereiche E, A mit gleich bleibendem Querschnitt und die äußeren, als Aufweitungs- oder Verengungsbereiche ausgebildeten Ein- und Ausgänge Ea, Aa deutlich zu erkennen. Darüber hinaus können die in der Baueinheit 13 integrierten Komponenten von einem einzelnen Gehäuse 15 oder einem aus mehreren Teilen gebildeten Gehäuse umgeben sein. Ferner ist der Befeuchter 7 über eine als Rohrleitung 14 ausgebildete Bypass-Leitung mit darin angeordneter Drosselklappe 16 umgehbar. Die Bypass-Leitung ist dabei nicht in die Baueinheit 13 integriert. Die Figuren 2 und 3 zeigen ein mögliches Beispiel für eine Anzahl von in eine Baueinheit 13 integrierten Komponenten der Brennstoffzellenanordnung. Alternativ können andere Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 1 zu einer Baueinheit integriert werden. Beispielsweise können in nicht näher darge ^¬ stellter Art und Weise der Brennstoffzellenstapel und ein ka- thodenseitiger Abscheider, der Brennstoffzellenstapel und ein anodenseitiger Abscheider, der Brennstoffzellenstapel und ein Befeuchter, der Brennstoffzellenstapel und ein Heizelement, der Ladeluftkühler und der Befeuchter, der Befeuchter und ein kathodenseitiger Abscheider und/oder eine Abgasturbine und ein Abscheider oder eine andere beliebige Kombination von Komponenten jeweils zu einer separaten Baueinheit integriert sein.

Durch die Integration mehrerer Komponenten in eine Baueinheit 13 kommt es zu einer verbesserten Abkühlkurve, da die Gesamtwärmekapazität steigt. Zudem kann der durch Leitungsverlegung erforderliche Montageaufwand durch Reduzierung der Anzahl von Rohrleitungen und/oder der Anzahl von Rohrumlenkungen vermindert werden. Auch wird der Bauraum optimiert, da die Anzahl von große Bauräume benötigenden Aufweitungs- und Verengungsbereichen deutlich reduziert ist. Durch die nicht erforderlichen Aufweitungs- und Verengungsbereiche entstehen weniger Strömungsquerschnittssprünge und somit geringere Druckverluste. Hierdurch und durch daraus resultierendes geringeres Medienvolumen auf der Kathoden- und Anodenseite verbessern sich unter anderem die Kathodenrezirkulation und der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung. Insbesondere beim Abschalten wird weniger Wasserstoff benötigt. Darüber hinaus wird die Kaltstartproblematik bei Temperaturen kleiner 0°C deutlich verbessert. Daimler AG

Bezugs zeichenliste

1 Brennstoffzellenanordnung

2 Brennstoffzelle

3 Anode

4 Kathode

5 Luftversorgungseinheit

6 Ladeluftkühler

7 Befeuchter

8 Abgasturbine

9 Antriebsmotor

10 Speicher

11 Rezirkulationsgebläse

12 kathodenseitiger Abscheider

13 integrierte Baueinheit

14 Rohrleitung

AG Anodenabgas

AZl Abzweigleitung

Al Abgasleitung bL befeuchtete Luft

BS Brennstoff

KG Kathodenabgas

L Luft vL verdichtete Luft

Vl erstes Steuerelement

V2 Dosierventil

V3 Abblasventil

V4 zweites Steuerelement

Zl Kathodenzuleitung

Z2 Anodenzuleitung