DE102008058960A1

DE102008058960A1 - Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit Brenngas

Info

Publication number: DE102008058960A1
Application number: DE102008058960A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Stefan Gerhardt; Oliver Dipl.-Ing. Harr; Matthias Dipl.-Ing. Jesse; Andreas Maier; Cosimo Dipl.-Ing. Mazzotta; Patrick L. Padgett; Hans-Jörg Dipl.-Ing. Schabel; Klaus Dipl.-Ing. Scherrbacher (Fh); Thomas Winkeler
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff. Das Brennstoffzellensystem (1) umfasst zumindest die folgenden Bauelemente:
- eine Rezirkulationsfördereinrichtung (13), durch welche unverbrauchtes Brenngas aus einem Bereich nach einer Anode (3) der Brennstoffzelle (2) in einen Bereich vor der Anode (3) zurückführbar ist;
- einen Mischbereich (7.4), in welchem sich unverbrauchtes Brenngas mit frischem Brenngas mischt;
- einen Wasserabscheider (7.3);
- eine elektrische Heizung (7.2); und
- Sensoren zur Erfassung von Zustandsgrößen und/oder chemischen Größen des zur Anode (3) strömenden Brenngases.
Erfindungsgemäß sind all diese Bauelemente in einem integrierten Bauteil (7) zusammengefasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Grundsätzlich sind Brennstoffzellensysteme, welche typischerweise mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas als Brenngas betrieben werden, aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Bennstoffzellensysteme bestehen dabei im Wesentlichen aus einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle mit einer Polymermembran als Elektrolyt, einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wird dabei im Allgemeinen aus einem Stapel an Einzelzellen bestehen. Sie wird daher auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Bei derartigen Systemen wird eine Anodenseite der Brennstoffzelle mit dem Brenngas und typischerweise einem Anteil an unverbrauchtem Brenngas, welches aus einem Bereich nach einer Anodenseite der Brennstoffzelle in den Bereich vor der Anodenseite der Brennstoffzelle zurückgeführt wird, versorgt. Die Kathodenseite der entsprechenden Brennstoffzelle wird mit einem sauerstoffhaltigen Gas, typischerweise Luft, versorgt. Derartige Brennstoffzellen dienen dann zur Erzeugung von elektrischer Energie aus eben diesem Brenngas und dem Sauerstoff in der Luft. Ein typischer Einsatzzweck ist beispielsweise im Rahmen von elektrischen Antriebssträngen von Fahrzeugen gegeben.
Insbesondere beim Aufbau eines solchen Fahrzeugantriebsstrangs in dem Brennstoffzellensystem spielen Bauraum und Gewicht von derartigen Brennstoffzellensystemen eine entscheidende Rolle. Aus der DE 10 2004 049 623 A1 ist daher eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel beschrieben, welche eine Fördereinrichtung für einen Reaktanten, ein Reaktionsprodukt und/oder ein Kühlmittel in eine Endplatte eines solchen Brennstoffzellenstapels integriert.
Nachteilig bei diesem Aufbau ist es, dass durch die Pumpe entsprechende Vibrationen in den Brennstoffzellenstapel eingetragen werden, welche sich nachteilig auf dessen Dichtheit auswirken können. Außerdem steht muss für eine Wartung der Pumpe immer ein Zerlegen des hinsichtlich seiner Dichtungen ohnehin sensiblen Brennstoffzellenstapels erfolgen. Auch der Austausch beispielsweise des Brennstoffzellenstapels oder der Pumpe erfordert immer das Öffnen des Brennstoffzellenstapels mit einer anschließenden Wiederabdichtung desselben, was insbesondere bei Wasserstoff als gefördertem Brenngas vergleichsweise aufwendig ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches bei minimalem Bauraum einen praxistauglichen und leicht zu wartenden Aufbau ermöglicht, welcher insbesondere für kompakte und hochbelastete Brennstoffzellensysteme geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Integration aller brenngasrelevanten Komponenten, also insbesondere die Integration der Rezirkulationsfördereinrichtung, des Mischbereichs, eines Wasserabscheiders, einer elektrischen Beheizung und diverser Sensoren in das eine integrierte Bauteil, bietet entscheidende Vorteile bei der Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Das integrierte Bauteil ermöglicht eine platzsparende Ausgestaltung der wesentlichen brenngasführenden Elemente sowie kurze Leitungslängen und damit entsprechend geringe Druckverluste in dem Brenngas. Außerdem wird durch das integrierte Bauteil, welches unabhängig vom Brennstoffzellenstack ausgeführt werden kann, erreicht, dass sich ein vom Brennstoffzellenstack unabhängig montierbares und für Wartungen auch leicht demontierbares integriertes Bauteil realisieren lässt. Auch eventuelle Vibrationen oder Temperaturschwankungen in dem integrierten Bauteil werden nicht auf den Brennstoffzellenstack übertragen und können somit dessen Dichtheit durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen oder Vibrationen nicht nachteilig beeinflussen.
Ansonsten sind in dem integrierten Bauteil alle relevanten Elemente zusammengefasst, so dass das Brenngas, insbesondere der Wasserstoff, mit vorgegebenem Druck, Volumenstrom, vorgegebener Temperatur sowie vorgegebener Gaszusammensetzung (beispielsweise Wasserstoffkonzentration und Feuchtigkeit) bereitgestellt werden kann. Aus dem rezirkulierten unverbrauchten Brenngas wird außerdem flüssig vorliegendes Wasser abgeschieden. Auch eine Beheizung, insbesondere für den Kaltstart des Systems, wird in dem integrierten Bauteil mit verwirklicht. Dies hat ferner den Vorteil, dass das integrierte Bauteil selbst und alle in ihm befindlichen Komponenten aufgetaut werden können, so dass beispielsweise das Rezirkulationsgebläse frei drehen kann und das eine entsprechende Ablassleitung für das Wasser, über welche auch überschüssige Inertgase abgeblasen werden können, bereits beim Start des Systems aufgetaut und voll funktionsfähig ist.
Außerdem kann das integrierte Bauteil so ausgeführt werden, dass es keinen zusätzlichen Tragrahmen benötigt, so dass nochmals entsprechend Bauraum eingespart werden kann. Neben der Reduzierung von Masse, Bauvolumen und damit letztlich auch Kosten wird außerdem das Gasvolumen der brenngasführenden Elemente deutlich reduziert. Die verkürzten Leitungslängen ermöglichen neben dem kompakten Aufbau eine Reduzierung der Druckverluste auch eine Reduzierung der benötigten Dichtungsstellen, was insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff ein erheblicher Vorteil ist. Das integrierte Bauteil kann aufgrund der Integration und der wegfallenden Schnittstelle außerdem deutlich kostengünstiger hergestellt werden, da die Anforderung an Fertigungstoleranzen entsprechend gesenkt werden können.
Die bevorzugte Verwendung eines derartigen kostengünstigen, kleinen und kompakten sowie hinsichtlich seiner Masse vergleichsweise leichten Bauteils, ist sicherlich die Verwendung in einem Fahrzeug zu Lande, zu Wasser oder in der Luft, insbesondere jedoch in einem schienenlosen Landfahrzeug. Hier können die oben genannten Vorteile besonders effektiv genutzt werden, dabei spielt es keine Rolle, ob die Vorrichtung Teil einer Zusatzenergieerzeugung oder Teil des Antriebsstrangs eines solchen Fahrzeugs ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes aus einem Brennstoffzellensystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist ein Teil eines Brennstoffzellensystems 1 prinzipmäßig dargestellt. Als wesentliche Komponente des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 2 zu erkennen, welche typischerweise als Brennstoffzellenstapel, beispielsweise als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein kann. Die Brennstoffzelle 2 weist dabei einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 auf. Der Kathodenbereich 4 wird durch hier nicht näher dargestellte Förderungsmittel mit einem sauerstoffhaltigen Oxydationsmittel, beispielsweise Luft, versorgt. Die Versorgung des Anodenbereichs 3 mit dem Brenngas, hier insbesondere Wasserstoff, erfolgt aus einem Wasserstoffdrucktank 5, welcher mit zugeordneter Ventileinrichtung 6 hier beispielhaft dargestellt ist. Von dem Drucktank 5 strömt der Wasserstoff nun über die Ventileinrichtung 6 in ein integriertes Bauteil 7 und von dort weiter in den Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2. Nicht umgesetztes Wasserstoffgas wird über eine Rezirkulationsleitung 8 ebenfalls in den Bereich des integrierten Bauteils 7 zurückgeführt.
In 2 ist nun das integrierte Bauteil 7 nochmals in einer möglichen Ausführungsform prinzipmäßig dargestellt. Das integrierte Bauteil 7 besteht dabei aus einem Gehäuse 9, welches alle brenngasführenden Elemente in sich vereint, sowie zwei angeflanschten Bauelementen 10, 11, welche zusammen mit dem Gehäuse 9 das integrierte Bauteil 7 bilden. Die Bauelemente 10, 11 sind dabei direkt an das Gehäuse 9 angeflanscht, so dass das integrierte Bauteil 7 an sich eine selbsttragende Einheit bildet, welche auf Tragelemente wie Rahmenstrukturen oder dergleichen, verzichten kann. Bei der beispielhaften, stark schematisierten Darstellung des integrierten Bauteils 7 in 2 soll das eine angeflanschte Bauelement 11 das Druckregelventil, also die Ventileinrichtung 6, umfassen, welche zwischen dem hier nicht dargestellten Hochdrucktank 5 und dem integrierten Bauteil 7 angeordnet ist. Dementsprechend enthält das hier mit 11 bezeichnete Bauelement die Ventileinrichtung 6 sowie eine entsprechende Anschlussleitung 12, welche vom Drucktank 5 kommt. Das zweite angeflanschte Bauelement 10 soll dabei den Motor sowie Elektronikkomponenten einer Rezirkulationspumpe 13 als Rezirkulationsfördereinrichtung für das unverbrauchte Anodengas umfassen. Je nach Bauart der Rezirkulationspumpe 13 wird der angeflanschte Teil neben den Elektronikkomponenten und dem Motor gegebenenfalls auch das Verdichterlaufrad selbst mit umfassen, während das Verdichterlaufradgehäuse in dem mit 7.1 bezeichneten Teil des Gehäuses 9 angeordnet ist. Alternativ hierzu kann bei der Ausführung beispielsweise als Spaltrohrmotor eine andere konstruktive Art und Weise der Integration gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Bauteil 7 eine hier nicht dargestellte Gasstrahlpumpe für die Rezirkulation des Anodenabgases vorgesehen werden.
Neben dem bereits beschriebenen Bereich 7.1, welcher das Laufradgehäuse für den Verdichter der Rezirkulationspumpe 13 umfasst, weist das Gehäuse 9 weitere integrierte Bereiche auf. So kann beispielsweise der mit 7.2 bezeichnete Bereich einen elektrischen Heizer umfassen. Grundsätzlich kann dabei ein einziger zentraler elektrischer Heizer vorgesehen werden, welcher über entsprechende Bereiche mit wärmeleitenden Materialien mit all den Bereichen oder Medien verbunden ist, die beheizt werden sollen. Alternativ hierzu kann der elektrische Heizer auch in Einzelelemente aufgeteilt sein, so dass bestimmte Bereiche innerhalb des Gehäuse 9 jeweils einzeln beheizt werden können, beispielsweise entsprechende Ventileinrichtungen, das Laufrad der Rezirkulationspumpe 13, entsprechende Sensoranschlüsse oder auch Teilbereiche eines Wasserabscheiders, welcher im Bereich 7.3 angeordnet sein soll.
Im Bereich 7.4 des Gehäuses 9 ist dann außerdem ein Mischbereich angeordnet, in dem sich der frische aus dem Drucktank 5 über die Leitung 12 zugeführte Wasserstoff mit dem über die Rezirkulationspumpe 13 rezirkulierten unverbrauchten Brenngas, welches das integrierte Bauteil 7 über die Rezirkulationsleitung 8 erreicht, vermischt. Über das Leitungselement 14 gelangt das entsprechende Brenngas dann zur Anode 3 der Brennstoffzelle 2. Zumindest in diesem Mischbereich 7.4 in dem Gehäuse 9 sind außerdem Sensoren beziehungsweise Aufnahmen für Sensoren angeordnet, so dass Zustandsgrößen und/oder chemische Größen des über die Leitung 14 zu der Anode 3 der Brennstoffzelle 2 geführten Brenngases erfasst werden können. Typischer Größen wären hier Druck, Temperatur und Volumenstrom, Feuchte und Wasserstoffkonzentration in dem Brenngas.
Im Bereich 7.3, welcher den Wasserabscheider umfassen soll, kann insbesondere auch ein Ablassventil angeordnet sein, welches hier explizit nicht dargestellt ist. Über dieses Ablassventil kann sich ansammelndes Wasser über das Leitungselement 15 abgelassen werden. Zusammen mit dem Wasser kann über dieses Leitungselement 15 auch sich aufgrund der Rezirkulation mit der Zeit in dem System anreicherndes nicht brennbares Gas mit abgeblasen werden. Typischerweise wird hierfür ein Ventil vorgesehen sowie eine entsprechende Sensorik zum Erfassen des Füllstandes an Wasser in dem Wasserabscheider. Auch diese Elemente sind durch die Integration in den Bereich 7.4 des Gehäuses 9 so integriert, dass diese thermisch an das Gehäuse 9 mit angebunden sind und dadurch für den Fall sehr niedriger Temperaturen über den elektrischen Heizer im Bereich 7.2 mit beheizt werden können. Damit ist die Funktion dieser Bauelemente immer sichergestellt. Der Wasserabscheider kann dabei im Prinzip in dem Bereich 7.4 des Gehäuses 9 beliebig gebaut sein. Es ist jedoch auch denkbar, den Wasserabscheider mit dem Rezirkulationspumpe 13 so zu kombinieren, dass die Rotationsbewegung des Verdichterrades des Rezirkulationspumpe 13 eventuell anfallende Tröpfchen durch die Fliehkraft in den Bereich des Verdichterlaufradgehäuses transportiert, in dem über entsprechende Nuten oder dergleichen eine Abführung und Abscheidung dieser flüssigen Tröpfchen realisiert werden kann. Die Rotationsenergie des Verdichterlaufrades der Rezirkulationspumpe 13 kann somit zur Verbesserung der Wasserabscheidung mit genutzt werden.
In dem Gehäuse 9 kann es außerdem vorgesehen sein, dass alle flüssigkeitsführenden Teile, also insbesondere die Teile, in denen Wasser nach dem Abscheiden anlangt, so ausgebildet sind, dass sich ihre Wandungen in Richtung auf ein Brenngas beziehungsweise Luftpolster hin im Querschnitt kontinuierlich öffnen. Durch dieses sich in Richtung eines Luftpolsters, was im allgemeinen Einsatzfall typischerweise in eine Richtung entgegen der Schwerkraft sein wird, öffnen, wird ein Aufbau erreicht, welcher beim Einfrieren des in ihm befindlichen flüssigen Wasser nicht beschädigt wird. Durch die Ausgestaltung, so dass sich bildendes Eis in seiner Ausdehnung nicht blockiert wird, sondern sich in dem Bereich eines Luft- oder Brenngaspolsters hineinschieben kann, kann vermieden werden, dass durch die Ausdehnung des Eises entsprechende Spannungen auf das Material des Gehäuses 9 ausgeübt werden, welche zu einem Materialversagen führen können.
Das Gehäuse 9 weist in 2 zwei zusätzliche Leitungselemente 16, 17 auf. Über diese Leitungselemente 16, 17 kann das integrierte Bauteil 9 optional an den Kühlkreislauf 18 des Brennstoffzellensystems 1 angeschlossen werden, welcher in 1 exemplarisch angedeutet ist. Der Kühlkreislauf 18 umfasst dabei eine Fördereinrichtung 19 sowie einen Kühlwärmetauscher 20, durch welchen überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Außerdem verläuft er durch die Brennstoffzelle 2 und, wie bereits angedeutet, optional durch das integrierte Bauteil 7. Der Kühlkreislauf 18 weist außerdem eine Ventileinrichtung 21 auf, über welche ein Bypass um den Kühlwärmetauscher 20 realisiert werden kann. Im Kaltstart wird über diese Ventileinrichtung 21 der Kühlwärmetauscher 20 aus dem Kühlkreislauf 18 herausgeschaltet. Da es hier um eine schnelle Aufheizung des Systems geht, ist man daran interessiert, dass sich das Kühlwasser in dem Kühlkreislauf 18 schnellstmöglich erwärmt. Wird der Kühlkreislauf 18 nun durch das integrierte Bauteil 7 geführt, so kann dieser mit dem elektrischen Heizer im Bereich 7.2 ebenfalls mit aufgeheizt werden. Dies hat den Vorteil, dass mit einem einzigen elektrischen Heizer für den Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems 1 thermische Energie in das System eingetragen werden kann. In dem integrierten Bauteil werden durch den elektrischen Heizer im Bereich 7.2, welcher auch in 1 nochmals exemplarisch dargestellt ist, alle relevanten brenngasführenden Bereiche, welche in dem Gehäuse 9 angeordnet sind oder an dieses angeflanscht sind, sowie das zu dem Anodenbereich 3 strömende Brenngas entsprechend erwärmt. Durch die Erwärmung des Kühlwassers in dem Kühlkreislauf 18 kann außerdem eine Verteilung dieser Wärme in dem gesamten System einschließlich der Brennstoffzelle 2 erreicht werden. Dadurch wird ein sehr schnelles Aufheizen des Brennstoffzellensystems 1 ermöglicht, wobei hier lediglich ein einziger elektrischer Heizer im Bereich 7.2 des integrierten Bauteils 7 benötigt wird. Dies ist hinsichtlich der Ansteuerung und der Leitungsführung ausgesprochen vorteilhaft.
Da, wie bereits erwähnt, in dem in 2 dargestellten Bereich 7.4 des Gehäuses 9 die entsprechenden Sensoren integriert sind, kann das integrierte Bauteil 7 außerdem mit einer elektrischen Regelungseinrichtung 22 korrespondieren, wie dies in 1 exemplarisch angedeutet ist. Diese elektronische Regelungseinheit kann dann über entsprechende Leitungselemente mit dem integrierten Bauteil 7 verbunden werden, es ist jedoch auch denkbar, dass diese elektronische Steuereinheit 22 ebenfalls an das integrierte Bauteil 7 beziehungsweise das Gehäuse 9 desselben mit angeflanscht wird und ebenfalls zu dem integrierten Bauteil 7 zählt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004049623 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle (2) in einem Brennstoffzellensystem (1) mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff, wobei das Brennstoffzellensystem (1) zumindest die folgenden Bauelement umfasst: 1.1 eine Rezirkulationsfördereinrichtung (13), durch welche unverbrauchtes Brenngas aus einem Bereich nach einer Anode (3) der Brennstoffzelle (2) in einen Bereich vor der Anode (3) zurückführbar ist; 1.2 einen Mischbereich (7.4), in welchem sich unverbrauchtes Brenngas mit frischem Brenngas mischt; 1.3 einem Wasserabscheider (7.3); 1.4 einer elektrischen Heizung (7.2); und 1.5 Sensoren zur Erfassung von Zustandsgrößen und/oder chemischen Größen des zur Anode (3) strömenden Brenngases; dadurch gekennzeichnet, dass 1.6 diese Bauelemente in einem integrierten Bauteil (7) zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Bauteil (7) vom Kühlwasser des Brennstoffzellensystems (1) durchströmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Beheizung (7.2) durch ein zentrales elektrisches Heizelement realisiert ist, welches über Bereiche aus wärmeleitendem Material mit den zu beheizenden Bereichen des integrierten Bauteils (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Bauteil (7) so ausgebildet ist, dass alle brenngasführenden Teile in einem Gehäuse (9) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle wasserführenden Bereiche in dem Gehäuse (9) so ausgebildet sind, dass deren Wandungen sich in Richtung von Gaspolstern über dem flüssigen Wasser hin erweitern.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ventileinrichtungen, insbesondere Ventileinrichtungen zum Ablassen von Wasser aus dem Wasserabscheider in das Gehäuse (9) integriert ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische/elektronische Baueinheiten an das Gehäuse (9) angeflanscht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Bauteil (7) als selbsttragende Einheit ausgebildet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug, insbesondere in einem schienenlosen Landfahrzeug.