DE102017220632A1

DE102017220632A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017220632A1
Application number: DE102017220632.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), mit einem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der durch Endplatten (4) begrenzt ist, mit einer Anodengasversorgung (18) und mit einer Kathodengasversorgung (17), die eine Kathodengaszuleitung (5) und eine Kathodenabgasleitung (6) umfasst, zur Durchleitung eines Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) in einer Strömungsrichtung (7). Zwischen der Kathodengaszuleitung (5) und der Kathodenabgasleitung (6) ist eine Bypassleitung (8) vorgesehen, durch die der Fluss des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) zumindest teilweise überbrückbar ist. Der Bypassleitung (8) ist ein thermostatisches Element (9) zugeordnet, das zwischen einer den Durchfluss durch die Bypassleitung (8) ermöglichenden Bypassstellung und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der die Bypassleitung (8) gesperrt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit einem eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der durch Endplatten begrenzt ist, mit einer Anodengasversorgung und mit einer Kathodengasversorgung, die eine Kathodengaszuleitung und eine Kathodenabgasleitung umfasst, zur Durchleitung eines Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel in einer Strömungsrichtung, wobei zwischen der Kathodengaszuleitung und der Kathodenabgasleitung eine Bypassleitung vorgesehen ist, durch die der Fluss des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise überbrückbar ist.
Aus der DE 11 2006 002 715 B4 ist ein derartiges Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem zwischen der kathodenseitigen Zuleitung und dem korrespondierenden Kathodenabgaskanal ein Bypasskanal mit einem korrespondierenden Ventil ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, kathodenseitig Luft von der Zuleitung direkt in den Abluftstrang umzuleiten, wodurch auf der Kathodenseite auftretender Wasserstoff verdünnt und dessen Konzentration im Abgas der Kathode reduziert wird. Zudem wird es durch die gezielte Luftverarmung auch möglich, die Brennstoffzellen mit einem verschlechterten Wirkungsgrad anzusteuern, wodurch beispielsweise bei einem Froststart eine beschleunigte Erwärmung des Brennstoffzellensystems erreicht wird.
Hierbei hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass bei dem aus dem Stand der Technik bekannten System eine Regelung und aktive Verstellung des Ventils erfolgen muss, was neben dem Einsatz eines Aktors, mit dem das Ventil verstellt wird, insbesondere eine aufwändige Steuerung erforderlich macht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, mit dem ein vereinfachter Bypass bereitgestellt ist.
Diese Aufgabe wird gemäß Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Bypassleitung ein thermostatisches Element zugeordnet ist, das zwischen einer den Durchfluss durch den Bypass ermöglichende Bypassstellung und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der der Bypass gesperrt ist.
Durch die Verwendung eines thermostatischen Elements ist es möglich, den Bypass zu sperren, ohne einen Aktor mit einer aufwendigen Steuerung verwenden zu müssen, da das thermostatische Element passiv ausgebildet ist. Somit muss lediglich in die Bypassleitung das thermostatische Element eingebracht werden.
Als besonders günstig hat es sich hierbei auch erwiesen, wenn das thermostatische Element bei der Überschreitung einer Grenztemperatur des Brennstoffzellenstapels aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt wird. Wenn das Brennstoffzellensystem unterhalb der Grenztemperatur - beispielsweise bei einem Froststart - mit reduziertem Wirkungsgrad betrieben wird, so wird hierdurch insbesondere sichergestellt, dass der von der Anode auf die Kathode geförderte Wasserstoff durch das durch die Bypassleitung strömende Kathodengas ausreichend verdünnt wird, um die gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich der Wasserstoffemission erfüllen zu können. Wird die Grenztemperatur erreicht, so wird das thermostatische Element aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt, wodurch der Bypass geschlossen wird und das System mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Da hierbei dann auch kein Wasserstoff von der Anode auf die Kathode gefördert wird, kann auf eine zusätzliche Verdünnung des Kathodenabgases mit dem Kathodengas verzichtet werden.
Bewährt hat es sich hierbei insbesondere auch, wenn das thermostatische Element thermisch leitend mit einem den Brennstoffzellenstapel kühlenden Kühlmittel verbunden ist. Insbesondere kann hierbei das thermostatische Element im Bereich des Kühlkopf-Headers angeordnet sein. Da die Temperatur des Kühlmittels mit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels korreliert ist, kann aus dem Temperaturanstieg des Kühlmittels auf die Temperaturerhöhung des Brennstoffzellenstapels selbst zurückgeschlossen werden, so dass das thermostatische Element bei einer mit der Grenztemperatur korrelierenden Kühlmitteltemperatur aus der Bypass- in die Verschlussstellung überführt werden kann.
Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich insbesondere dann erreichen, wenn die Bypassleitung in einer der Endplatten des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Hierdurch wird insbesondere auch gewährleistet, dass das thermostatische Element möglichst unmittelbar benachbart zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, so dass die Temperaturerhöhung des Brennstoffzellenstapels auf das thermostatische Element übergeleitet wird. Hierbei hat sich insbesondere die Ausgestaltung der Endplatte aus Metall bewährt aufgrund der hiermit verbundenen verbesserten Wärmeübertragung. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch vorgesehen, dass die Bypassleitung außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei in diesem Fall darauf zu achten ist, dass die thermisch leitende Verbindung zwischen dem thermostatischen Element und dem den Brennstoffzellenstapel kühlenden Kühlmittel gewährleistet ist.
Als besonders günstig hat es sich auch erwiesen, wenn dem thermostatischen Element ein Dichtelement zugeordnet ist, und wenn in der Bypassleitung ein zu dem Dichtelement korrespondierender Dichtungssitz ausgebildet ist, gegen den das Dichtelement in der Verschlussstellung abgedichtet ist. Hierdurch wird auf einfache, gleichwohl effektive Art und Weise gewährleistet, dass in der Verschlussstellung das Prozessmedium nicht durch die Bypassleitung abgeführt wird.
Als vorteilhaft hat es sich zudem auch erwiesen, wenn das thermostatische Element beim Verstellen in die Verschlussstellung in der Strömungsrichtung verstellbar ist. Somit wird durch das einströmende Prozessmedium die Verstellung des thermostatischen Elements in die Verschlussstellung begünstigt. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch vorgesehen, dass das thermostatische Element beim Verstellen in die Verschlussstellung senkrecht zu der Strömungsrichtung verstellbar ist. Hierdurch wird insbesondere eine besonders einfache Montage des thermostatischen Elements gewährleistet.
In diesem Zusammenhang hat es sich insbesondere bewährt, wenn in der Endplatte eine Aufnahme ausgebildet ist zur Aufnahme des thermostatischen Elements, somit kann das thermostatische Element einfach in der Endplatte befestigt werden, wobei sich hierzu insbesondere die Verwendung einer Schraubverbindung bewährt hat.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems,
2 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems, und
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems.

1 zeigt eine geschnittene Ansicht durch einen Brennstoffzellenstapel 2, der Teil eines Brennstoffzellensystems 1 ist. Der Brennstoffzellenstapel 2, in dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen 3 stapelweise angeordnet sind, ist durch Endplatten 4 begrenzt. In einer der Endplatten 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils das Ende einer Kathodengaszuleitung 5 und einer Kathodenabgasleitung 6 ausgebildet durch die ein Kathodengas - im vorliegenden Fall Luft - von einer Kathodengasversorgung 17 durch den Brennstoffzellenstapel 2 in einer Strömungsrichtung 7 geleitet werden können. Zwischen der Kathodengaszuleitung 5 und der Kathodenabgasleitung 6 ist eine Bypassleitung 8 in der Endplatte 4 ausgebildet, in der ein thermostatisches Element 9 angeordnet ist, das zwischen einer den Durchfluss durch die Bypassleitung 8 ermöglichenden Bypassstellung, die in der 1 dargestellt ist, und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der die Bypassleitung 8 gesperrt ist. Das thermostatische Element 9 ist dabei passiv ausgestaltet und wird, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 bzw. der darin zusammengefassten Brennstoffzellen 3 eine Grenztemperatur überschreitet, aus der Bypassstellung, bei der ein Teil des durch die Kathodengaszuleitung 5 einströmenden Kathodengases durch die Bypassleitung 8 hindurchströmt und somit den Brennstoffzellenstapel 2 umgeht, in die Verschlussstellung überführt. Das thermostatische Element 9 ist dabei mit dem durch den Brennstoffzellenstapel 2 strömenden Kühlmittel thermisch leitend verbunden, dessen Kühlmitteltemperatur einem Temperaturanstieg innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 folgt. Wenn daher die Kühlmitteltemperatur einen Grenzwert überschreitet, so wird das thermostatische Element 9 aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt. Hierbei wird das thermostatische Element 9 ausdehnt, wodurch ein Dichtelement 10, das diesem zugeordnet ist, gegen einen in der Bypassleitung 8 angeordneten Dichtungssitz 11 verstellt wird, wodurch eine Abdichtung zwischen dem thermostatischen Element 9 und der Bypassleitung 8 erfolgt, so dass diese gesperrt ist und kein Kathodengas mehr von der Kathodengaszuleitung 5 zu der Kathodenabgasleitung 6 strömen kann, ohne zuvor durch den Brennstoffzellenstapel 2 geleitet zu werden. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das thermostatische Element 9 beim Verstellen aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung in Strömungsrichtung 7 verstellt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 2, bei dem ebenfalls in einer der Endplatten 4 eine Bypassleitung 8 ausgebildet ist. Bei dem darin gezeigten Ausführungsbeispiel ist das thermostatische Element 9 jedoch senkrecht zu der Strömungsrichtung 7 verstellbar in der Bypassleitung 8 angeordnet und hierzu in einer Aufnahme 12 in der Wandung der Endplatte 4 aufgenommen und durch eine Schraubverbindung 13 darin gesichert. Durch die Aufnahme 12 lässt sich das thermostatische Element 9 einfach in der Endplatte 4 befestigen, wodurch - insbesondere wenn diese aus Metall gefertigt ist - auch eine thermisch leitende Verbindung mit dem den Brennstoffzellenstapel 2 kühlenden Kühlmittel erreicht wird.
3 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung den Aufbau des Brennstoffzellensystems 1, bei dem außerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 die Bypassleitung 8 mit dem darin aufgenommenen thermostatischen Element 9, das als Ventil dient, angeordnet sind. Bei dem in der 3 gezeigten Brennstoffzellensystem 1 wird die als Kathodengas dienende Luft die durch die Kathodengasversorgung 17 von einem Verdichter 14 kommend über den Ladeluftkühler 15 einem Befeuchteter 16 zugeführt. Von dort strömt das Kathodengas durch den Brennstoffzellenstapel 2 und - sofern die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 unterhalb der Grenztemperatur liegt - auch durch das thermostatische Element 9, dass sich dann in der Bypassstellung befindet. Werden die Brennstoffzellen 3 luftarm betrieben, also mit einem verschlechterten Wirkungsgrad, so erwärmen sich die Brennstoffzellen 3 und es wird der anodenseitig durch eine Anodengasversorgung 18 dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Wasserstoff von der Anodenseite durch die Brennstoffzellen 3 hindurch auf die Kathodenseite gepumpt. Hierbei wird dann durch die Luft, die durch die Bypassleitung 8 strömt, der der Kathodenabgasleitung 6 zugeführte Wasserstoff verdünnt, um die gesetzlichen Anforderungen an die Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas erfüllen zu können.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzellenstapel
3: Brennstoffzelle
4: Endplatte
5: Kathodengaszuleitung
6: Kathodenabgasleitung
7: Strömungsrichtung
8: Bypassleitung
9: thermostatisches Element
10: Dichtelement
11: Dichtungssitz
12: Aufnahme
13: Schraubverbindung
14: Verdichter
15: Ladeluftkühler
16: Befeuchter
17: Kathodengasversorgung
18: Anodengasversorgung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112006002715 B4 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem (1), mit einem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der durch Endplatten (4) begrenzt ist, mit einer Anodengasversorgung (18) und mit einer Kathodengasversorgung (17), die eine Kathodengaszuleitung (5) und eine Kathodenabgasleitung (6) umfasst, zur Durchleitung eines Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) in einer Strömungsrichtung (7), wobei zwischen der Kathodengaszuleitung (5) und der Kathodenabgasleitung (6) eine Bypassleitung (8) vorgesehen ist, durch die der Fluss des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) zumindest teilweise überbrückbar ist, dadurch gekennzeichnet dass der Bypassleitung (8) ein thermostatisches Element (9) zugeordnet ist, das zwischen einer den Durchfluss durch die Bypassleitung (8) ermöglichenden Bypassstellung und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der die Bypassleitung (8) gesperrt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) bei der Überschreitung einer Grenztemperatur des Brennstoffzellenstapels (2) aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt wird.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) thermisch leitend mit einem den Brennstoffzellenstapel (2) kühlenden Kühlmittel verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) in einer der Endplatten (4) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) außerhalb des Brennstoffzellenstapels (2) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem thermostatischen Element (9) ein Dichtelement (10) zugeordnet ist, und dass in der Bypassleitung (8) ein zu dem Dichtelement (10) korrespondierender Dichtungssitz (11) ausgebildet ist, gegen den das Dichtelement (10) in der Verschlussstellung abgedichtet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) beim Verstellen in die Verschlussstellung in der Strömungsrichtung (7) verstellbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) beim Verstellen in die Verschlussstellung senkrecht zu der Strömungsrichtung (7) verstellbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Endplatte (4) eine Aufnahme (12) ausgebildet ist zur Aufnahme des thermostatischen Elements (9).
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) in der Aufnahme (12) durch eine Schraubverbindung (13) gesichert ist.