[发明专利]具有可变的分段的燃料电池堆叠以及具有这样的燃料电池堆叠的燃料电池系统和车辆

说明书

本发明涉及燃料电池堆叠，该燃料电池具有在流体侧并联地布置的单燃料电池的、至少两个相对彼此在流体侧串联布置的分段。规定为：燃料电池堆叠被设立用于，改变在至少一个分段中的单燃料电池的数量。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠具有在流体侧并联地布置的单燃料电池的分段（Segmenten），这些分段相对彼此在流体侧串联布置，其特征在于，该燃料电池堆叠被设立用于，改变在至少一个分段中的单燃料电池的数量。

背景技术

燃料电池利用燃料与氧成为水的化学转化，以便产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜-电极-单元（MEA：膜电极组件）作为核心部件，该膜-电极-单元是由离子导通（大多质子导通）的膜和分别在膜两侧上布置的催化电极（阳极和阴极）组成的结构。后者大多包括负载型的贵金属、尤其铂。此外，气体扩散层（GDL）可以在膜-电极-单元的两侧被布置在电极的与膜背离的一侧上。通常，通过多个以堆叠（stack）方式所布置的MEA来构造燃料电池，这些MEA的电功率相加。在各个膜-电极-单元之间通常布置有双极板（也称流场板），这些双极板确保以运行介质、也即反应物来供应单电池并且通常也用于冷却。此外，双极板负责与膜-电极-单元的导电接触。

在燃料电池的运行中，经由双极板的在阳极侧的开放的流场来给阳极输送燃料、尤其氢H₂或含氢的气体混合物，在阳极那里在释放电子的情况下发生从H₂到H⁺的电化学氧化。通过将反应室气密地相互分离和电隔离的电解质或膜来进行质子H⁺从阳极室到阴极室中的（水结的或无水的）传输。在阳极上所提供的电子经由电线路被传送给阴极。经由双极板的在阴极侧的开放的流场来将氧或含氧的气体混合物（例如空气）输送给阴极，使得在接纳电子的情况下发生O₂到2O^2-的还原，。同时，在阴极室中氧负离子与经由膜所运输的质子发生反应，以形成水。

通常，大量单个的燃料电池连接组装成燃料电池堆叠，以便提高燃料电池系统的功率。在此情况下，各个燃料电池彼此电串联连接。为了给燃料电池堆叠供给运行介质，运行介质通道沿着堆叠方向贯穿这些单燃料电池。更准确地说，针对每种运行介质设置两个运行介质通道，这两个运行介质通道经由单燃料电池来处于流体连接。运行介质通道给单燃料电池供给运行介质，并且通常与此平行地布置的运行介质通道将反应产物和/或未转化的运行介质从所供给的单燃料电池排出。

为了在每个运行点给燃料电池系统提供足够的运行剂、例如阳极或阴极气体，燃料电池系统可以利用过量的阳极或阴极气体来运行。这避免了对单个燃料电池的供给不足，并且保证稳定的运行。因此，如今的燃料电池系统利用过量的阳极或阴极气体来运行。例如，可以利用再循环鼓风机实现这样的超化学计量供给。然而，由于对运行剂的提高的损耗，系统效率不是最佳的。

所谓的级联（Kaskadierung）证明适合用于对从燃料电池排散出去的运行剂进行利用，在该级联情况下，相应的运行剂接连流过多个级联等级，级联等级具有减少的数量的、气体侧并联连接的燃料电池。通过级联，未利用的运行剂从第一级联等级馈送到第二级联等级中，并且在那里尽可能地被耗用。剩余运行剂被馈送到包含更少燃料电池的第三级联等级中，并以此类推。由此们可以实现良好地充分利用所使用的运行剂。DE 103 93 164B4，EP 1 577 972 B1和 EP 2 122 737 B1描述相同类型的燃料电池系统。

对于给定的级联而言，在相应的级联等级中得到的化学计量基本上与从外部装入到第一级联等级中的化学计量（=全局化学计量）相关。如果任意的级联等级的化学计量（=局部化学计量）应当被提高，那么全局化学计量必须被提高，由此，所有级联等级的化学计量增大。由此，又降低了燃料电池系统的效率。因此视运行状态而定地，在这样的燃料电池系统的情况下可能值得期望的是，一个级联等级的化学计量与其他级联等级的化学计量无关地改变。

发明内容