DE102004039417A1

DE102004039417A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102004039417A1
Application number: DE102004039417A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Kurrle; Matthias Dipl.-Ing. Lederbogen; Gerald Dipl.-Ing. Post; Volker Dipl.-Ing. Schempp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23
Also published as: FR2874458A1; US20060035126A1; JP2006054184A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Umschaltmittel (16, 17, 18) zur Richtungsumkehr einer Strömungsrichtung von wenigstens einem Betriebsmedium einer Brennstoffzelleneinheit (10), wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) in einem Gehäuse (26) eine Kathode (11), eine Anode (12) sowie eine Kühlwassereinrichtung (13) umfasst. Ein vorteilhaft weniger störungsanfälliger Betrieb mit geringerem Aufwand an Bauteilen ist möglich, wenn das Umschaltmittel (16, 17, 18) außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Es ist bekannt, bei Brennstoffzellensystemen von Zeit zu Zeit eine Richtungsumkehr von Betriebsmedien wie Kühlwasser, wasserstoffreichem Medium und sauerstoffreichem Medium, welche eine Brennstoffzelleneinheit durchströmen, vorzunehmen. Die Richtungsumkehr ermöglicht eine gleichmäßigere Belastung der Brennstoffzelleneinheit und homogenere Betriebsbedingungen. Üblicherweise sind dazu mittels Gestänge betätigbare Schieber und dergleichen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zu dessen Betreiben anzugeben, bei dem ein wenig störanfälliger Betrieb mit geringem mechanischem Aufwand für die Richtungsumkehr einer Strömung von Betriebsmedien möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Umschaltmittel zur Richtungsumkehr einer Strömung von wenigstens einem eine Brennstoffzelleneinheit durchströmenden Betriebsmedium, wobei die Brennstoffzelleneinheit in einem Gehäuse eine Kathode, eine Anode sowie eine Kühlwassereinrichtung umfasst, wird vorgeschlagen, dass das Umschaltmittel außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Üblicherweise ist eine Brennstoffzelleneinheit aus mehreren Brennstoffzellenstapeln gebildet, welche hinsichtlich ihrer Medienversorgung parallel und/oder in Reihe geschaltet sein können. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Aufbau der Brennstoffzellenstapel vereinfacht, da auf Schieber innerhalb des Gehäuses verzichtet werden kann. Da die Brennstoffzellenstapel erhebliche Längen aufweisen können, ist bei üblichen Brennstoffzelleneinheiten zur mechanischen Betätigung des Schiebers ein Gestänge notwendig, das bei entsprechender axialer Länge störungsanfällig ist. Dieses Problem entfällt bei der erfindungsgemäßen Anordnung. Weiterhin ist bei einem Defekt des Umschaltmittels dieses leichter zugänglich und kann repariert oder ausgetauscht werden, ohne die Brennstoffzelleneinheit zerlegen zu müssen. Die Erfindung kann bei unterschiedlichen Typen von Brennstoffzelleneinheiten angewendet werden. Der Aufwand für Bauteile der Umschaltmittel ist geringer. Vorzugsweise ist als Umschaltmittel ein Umschaltventil für das betreffende Betriebsmedium vorgesehen.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Umschaltmittel zur Richtungsumkehr einer Strömung von Kühlwasser außerhalb des Gehäuses angeordnet. Ebenso kann alternativ oder zusätzlich das Umschaltmittel zur Richtungsumkehr einer Strömung eines oxidierend wirkenden Betriebsmediums au ßerhalb des Gehäuses angeordnet sein und/oder das Umschaltmittel zur Richtungsumkehr einer Strömung eines reduzierend wirkenden Betriebsmediums. Vorzugsweise sind alle Umschaltmittel außerhalb des Gehäuses angeordnet. Ein Vorteil ist, dass eine gleichmäßige Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit über deren Betriebszeit mit gleichzeitig reduziertem Aufwand für Bauteile der Umschaltmittel möglich ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Umschaltmitteln mit denen eine Strömung von Betriebsmedien einer Brennstoffzelleneinheit in eine umgekehrte Strömungsrichtung umgeschaltet wird, wobei die Brennstoffzelleneinheit in einem Gehäuse eine Kathode, eine Anode sowie eine Kühlwassereinrichtung umfasst, wird vorgeschlagen, dass ein bei der Richtungsumkehr der Strömung von Betriebsmitteln eintretender kurzzeitiger Einbruch der elektrischen Spannung der Brennstoffzelleneinheit gepuffert wird. Dadurch wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems für einen Anwender, beispielsweise einen Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs, praktisch kaum beeinträchtigt.

Bevorzugt wird der Einbruch gepuffert, indem ein elektrisches Speichermittel kurzzeitig zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung stellt. Bei einer beispielhaften Anwendung in einem bevorzugten Brennstoffzellenfahrzeug kann damit sichergestellt werden, dass ein von dem Brennstoffzellensystem versorgter Traktionsantrieb nicht unterbrochen wird oder kurzzeitig in der Leistung nachlässt, was als störend empfunden werden kann. Ein solches Speichermittel kann ein Kondensator, eine Batterie mit entsprechender hoher Spannung und/oder ein so genannter Supercap sein.

Der Einbruch kann gepuffert werden, indem in einer Betriebsphase mit abfallender Leistungsanforderung an die Brennstoff zelleneinheit umgeschaltet wird. Nimmt beispielsweise in besagtem Brennstoffzellenfahrzeug der Fahrer das Gas zurück oder bremst das Fahrzeug sogar ab, kann die Richtungsumkehr des oder der Betriebsmedien zweckmäßigerweise in dieser Phase stattfinden. Ein Leistungseinbruch der Brennstoffzelleneinheit wird vom Fahrer nicht wahrgenommen.

Der Einbruch kann auch gepuffert werden, indem in einer Betriebsphase mit steigender Leistungsanforderung an die Brennstoffzelleneinheit eine Leistungsbegrenzung vorgenommen. Gibt der Fahrer des besagten Brennstoffzellenfahrzeugs Gas, kann eine Richtungsumkehr des oder der Betriebsmedien dann erfolgen, was sich lediglich in einer kurzzeitig geringeren Beschleunigung bemerkbar macht.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung können die verschiedenen Verfahren des Pufferns des Spannungseinbruchs der Brennstoffzelleneinheit auch einzeln oder insgesamt miteinander kombiniert werden und bedarfsabhängig angewendet werden.

Bevorzugt ist ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, das erfindungsgemäß betrieben wird. Das Brennstoffzellensystem kann zur Traktion oder auch als elektrische Versorgung von Aggregaten eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder Brennkraftmaschine genutzt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigt die einzige Figur schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung, wie es beispielsweise in einem bevorzugten Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt werden kann. Details des Brennstoffzellensystems wie Gasversorgung, ein etwaiges Gaserzeugungssystem und dergleichen, sind nicht dargestellt, sind dem Fachmann jedoch geläufig.
Wie aus der Figur ersichtlich, umfasst ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem als Umschaltventile ausgebildete Umschaltmittel 16, 17, 18 zur Richtungsumkehr einer Strömung von Betriebsmedien, die einer Brennstoffzelleneinheit 10 zugeführt werden und die außerhalb eines Gehäuses 26 der Brennstoffzelleneinheit 10 angeordnet sind. Dadurch werden die jeweiligen Eingänge und Ausgänge der Betriebsmedien der Brennstoffzelleneinheit 10 vertauscht.
Anodenräume und Kathodenräume von in Brennstoffzellenstapeln angeordneten einzelnen Brennstoffzellen, die die Brennstoffzelleneinheit 10 bilden, sowie deren Kühlwasserräume sind vereinfacht als einzelne Kathode 11, Anode 12 und Kühlwassereinrichtung 13 dargestellt.
Kühlwasser wird über ein außerhalb des Gehäuses 26 angeordnetes Umschaltmittel 16 durch deren Eingang in die Kühlwassereinrichtung 13 geleitet und durch deren Ausgang und durch das Umschaltmittel 16 wieder abgeführt. Wird das Umschaltmittel 16 umgeschaltet, werden Eingang und Ausgang bezüglich der Strömung des Betriebsmediums vertauscht.
Das Umschaltmittel 17 zur Umschaltung einer Strömungsrichtung eines oxidierend wirkenden Betriebsmediums 22, insbesondere Luft, ist außerhalb des Gehäuses 26 angeordnet. Luft wird aus der Umgebung angesaugt, über einen Befeuchter 20 befeuchtet und Flüssigwasser in einem Kondensatabscheider 19 abgeschieden. Das befeuchtete Oxidationsmittel wird durch deren Eingang in die Kathode 11 geleitet, nimmt dort Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion mit, verlässt die Kathode 11 durch deren Ausgang und trägt als Kathodenabgas dieses zu einem Kondensatabscheider 23, bevor das Kathodenabgas als Abluft 25 entsorgt wird. Im Abgasstrang ist stromab des Kondensatabscheiders 23 eine Pumpe 24 angeordnet. Wird das Umschaltmittel 17 umgeschaltet, werden Eingang und Ausgang bezüglich der Strömung des Betriebsmediums vertauscht.
Dem außerhalb des Gehäuses 26 angeordneten Umschaltmittel 18 zur Umschaltung einer Strömungsrichtung eines reduzierend wirkenden Betriebsmediums, insbesondere Wasserstoffgas oder ein wasserstoffreiches Reformat, ist das Betriebsmedium aus einem nicht dargestellten Tank oder einem nicht dargestellten Gaserzeugungssystem zuführbar. Ein etwaiger überschüssiger Feuchtegehalt des Betriebsmediums kann in einem Kondensatabscheider 14 abgeschieden werden, bevor das Reduktionsmittel durch deren Eingang in die Anode 12 gelangt. Anodenabgas wird ausgangsseitig in einem Kondensatabscheider 15 entfeuchtet und entsorgt, beispielsweise einem nicht dargestellten Brenner oder dergleichen zugeführt. Wird das Umschaltmittel 18 umgeschaltet, werden Eingang und Ausgang bezüglich der Strömung des Betriebsmediums vertauscht.
Gemäß der Erfindung wird ein bei der Richtungsumkehr der Strömung der Betriebsmedien eintretender kurzzeitiger Einbruch der elektrischen Spannung der Brennstoffzelleneinheit 10 gepuffert, indem ein nicht dargestelltes elektrisches Speichermittel zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung stellt und/oder in einer Betriebsphase mit abfallender Leistungsanforderung an die Brennstoffzelleneinheit 10 umgeschaltet wird und/oder die Umschaltung in einer Betriebsphase mit steigender Leistungsanforderung an die Brennstoffzelleneinheit 10 eine Leistungsbegrenzung vorgenommen wird. Bei der Leistungsbegrenzung kann beispielsweise ein elektrischer Strom mit dem die Brennstoffzelleneinheit 10 maximal belastbar ist, begrenzt werden, der so bemessen ist, dass ein kurzzeitiger Spannungseinbruch beim Umschalten der Strömungsrichtung sich lediglich in einer etwas verlängerten Beschleunigungsphase bemerkbar macht, die von einem Fahrer praktisch nicht wahrgenommen wird.
Zweckmäßigerweise wird von einem geeigneten, nicht dargestellten Steuergerät überprüft, wann eine Umschaltung der Strömungsrichtung notwendig ist, beispielsweise abhängig von einer Betriebsdauer und/oder einer entnommenen Leistung oder dergleichen, und dann ein nächstliegender geeigneter Umschaltzeitpunkt gewählt, wenn eine der oben beschriebenen Betriebsphasen eintritt, oder es wird sofort umgeschaltet, wenn ein geeignetes nicht dargestelltes Speichermittel verfügbar ist, das einen Spannungseinbruch der Brennstoffzelleneinheit 10 elektrisch abfangen kann.

10: Brennstoffzelle
11: Kathode
12: Anode
13: Kühlwasser
14: Kondensatabscheider
15: Kondensatabscheider
16: Umschaltmittel
17: Umschaltmittel
18: Umschaltmittel
19: Kondensatabscheider
20: Befeuchter
21: Pumpe
22: Umgebung
23: Kondensatabscheider
24: Pumpe
25: Abluft
26: Gehäuse

Claims

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Umschaltmittel (16, 17, 18) zur Richtungsumkehr einer Strömungsrichtung von wenigstens einem Betriebsmedium einer Brennstoffzelleneinheit (10), wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) in einem Gehäuse (26) eine Kathode (11), eine Anode (12) sowie eine Kühlwassereinrichtung (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltmittel (16, 17, 18) außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltmittel (16) zur Richtungsumkehr einer Strömungsrichtung von Kühlwasser außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltmittel (17) zur Richtungsumkehr einer Strömungsrichtung eines oxidierend wirkenden Betriebsmediums außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltmittel (18) zur Richtungsumkehr einer Strömungsrichtung eines reduzierend wirkenden Betriebsmediums außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Umschaltmittel (16, 17, 18) zur Richtungsumkehr einer Strömungsrichtung von Betriebsmedien außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Umschaltmitteln (16, 17, 18), mit denen eine Strömungsrichtung von Betriebsmedien einer Brennstoffzelleneinheit (10) umgeschaltet wird, wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) in einem Gehäuse (26) eine Kathode (11), eine Anode (12) sowie eine Kühlwassereinrichtung (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei der Richtungsumkehr der Strömungsrichtung von wenigstens einem Betriebsmedium eintretender kurzzeitiger Einbruch der elektrischen Spannung der Brennstoffzelleneinheit (10) gepuffert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbruch gepuffert wird, indem ein elektrisches Speichermittel zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung stellt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbruch gepuffert wird, indem die Strömungsrichtung in einer Betriebsphase mit abfallender Leistungsanforderung an die Brennstoffzelleneinheit (10) umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbruch gepuffert wird, indem die Strömungsrichtung in einer Betriebsphase mit steigender Leistungsanforderung an die Brennstoffzelleneinheit (10) eine Leistungsbegrenzung vorgenommen wird.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 betrieben wird.