DE10001717C1

DE10001717C1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10001717C1
Application number: DE10001717A
Authority: DE
Inventors: Jochen Sang
Original assignee: Xcellsis AG
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: US20010024747A1; US6444345B2; EP1119065A2; EP1119065A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit, die in einer Brennstoffzellenbox untergebracht ist und/oder der eine Kathodengas- oder Kaltstartgas-Zufuhrleitung oder eine Kathodenabgas- oder Anodenabgasrückführleitung zugeordnet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das System mit wenigstens einem Coanda-Strömungsverstärker ausgerüstet, um den Luftstrom für die Belüftung einer Brennstoffzellenbox, einen Kathodengasstrom oder einen Kaltstartgasstrom, einen rückgeführten Kathodenabgasstrom oder einen rückgeführten Anodenabgasstrom zu verstärken und/oder das System ist mit einem Belüftungsmittel für ein Gehäuse außerhalb der Brennstoffzellenbox, in welchem Komponenten des Brennstoffzellensystems zusammengefaßt sind, ausgerüstet, wobei die Belüftungsmittel einen Coanda-Strömungsverstärker aufweisen. DOLLAR A Verwendung z. B. in Brennstoffzellenfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Brennstoffzellensysteme, bei denen die eine oder mehreren Brennstoffzelleneinheiten in eine Brenn stoffzellenbox eingebracht sind und/oder der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit eine Kathodengas- und/oder Kaltstartgas- Zufuhrleitung und/oder eine Kathodenabgasrückführleitung und/oder eine Anodenabgasrückführleitung zugeordnet sind. Derar tige Brennstoffzellensysteme sind z. B. in Brennstoffzellenfahr zeugen im Einsatz.

Soweit in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen eine Zu- oder Abführung von Gasströmen durch einen Gasstromantrieb vorgesehen ist, erfolgt dies üblicherweise durch Lüfter, Gebläse, Ventila toren, Verdichter und Kompressoren.

Auf anderen Fachgebieten ist die Verwendung von Coanda-Strö mungsverstärkern bekannt, die durch Zuführung eines antreibenden Strömungsmediums mit relativ hohem Druck in relativ geringer Menge eine Strömung eines weiteren Strömungsmediums mit relativ niedrigem Druck, jedoch hohem Strömungsvolumen unter Ausnutzung des Coanda-Effektes treiben können, wozu der düsenspaltartig ge staltete Coanda-Strömungsverstärker eine geeignete innere oder auch äußere Strömungswandfläche für die Wandströmung des unter höherem Druck zugeführten, antreibenden Mediums aufweist.

Derartige Coanda-Strömungsverstärker werden z. B. als Luftverstärker oder "air amplifier" vertrieben, deren abgegebene Luftströmung zum Kühlen, Trocknen, Reinigen oder Belüften dienen kann, oder deren angesaugte Luftströmung zum Absaugen von Abga sen, Dämpfen, Rauch und Stäuben dienen kann. Die Offenlegungs- schrift WO 98/32964 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit Abgas rückführung, in deren Abgasrückführleitung ein Coanda- Strömungsverstärker vorgesehen ist, der mit seinem Hochdruckan schluß an die Druckluftquelle eines Druckluft-Bremssystems eines Kraftfahrzeuges angeschlossen ist. Eine spezielle Gestaltung ei nes Coanda-Strömungsverstärkers zur Erzeugung einer helixartigen Fluidströmung ist in der Patentschrift EP 0 456 931 B1 angege ben.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art zugrun de, das mit vergleichsweise wenig elektrisch anzutreibenden Kom ponenten auskommt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 2, 4 oder 5. Erfindungsgemäß ist das Brennstoffzellensystem mit einem oder mehreren Coanda-Strömungsverstärkern ausgerüstet. Beim Sy stem nach Anspruch 1 befindet sich ein Coanda- Strömungsverstärker speziell in einer Spülgasleitung, über die Spülluft in eine Brennstoffzellenbox eingeleitet und aus dieser abgeführt werden kann, um selbige zu belüften. Gemäß Anspruch 2 ist ein Coanda-Strömungsverstärker speziell in einer Zufuhrlei tung zur Zuführung eines kathodenseitigen Gasstroms in die Brennstoffzelle und/oder in einer Zufuhrleitung angeordnet, über die ein Kaltstartgas der wenigstens einen Brennstoffzellenein heit zugeführt wird, wobei das Kaltstartgas zur Speisung einer Kaltstartkomponente dient, mit der das System bei einem Kalt start möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird. Beim System nach Anspruch 4 ist ein Coanda-Strömungsverstärker speziell in einer Kathodenabgasrückführleitung vorgesehen, über die wenigstens ein Teil des Kathodenabgases zur Kathodenein trittsseite zurückgeführt werden kann, was die Wasserbilanz des Systems verbessert. Beim Brennstoffzellensystem von Anspruch 5 ist ein Coanda-Strömungsverstärker speziell in einer Anodenab gasrückführleitung angeordnet und mit einem Druckgaseinlaß an einen Gasspeicher angeschlossen, in welchem der eingesetzte Brennstoff unter Druck bevorratet ist, z. B. Wasserstoff. In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist dem Co anda-Gasverstärker, der sich in der Kathodengas- und/oder Kalt startgas-Zufuhrleitung befindet, auf seiner Druckseite ein Hoch druckverdichter vorgeschaltet, der das im Coanda-Strömungsver stärker zur Gasverstärkung dienende, antreibende Gas auf einen ausreichenden Druck bringt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensy stems mit belüftbarer Brennstoffzellenbox und Coanda- Strömungsverstärker in der zugehörigen Spülluftleitung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Einsatzes eines Coanda- Strömungsverstärkers für eine Kaltstartkomponente eines Brennstoffzellensystems,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit teilweiser, von einem Coanda-Strömungsverstärker getrie bener Kathodenabgasrückführung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit von einem Coanda-Strömungsverstärker getriebener Anoden gaszirkulierung.

Fig. 1 veranschaulicht ein Brennstoffzellensystem mit einer oder mehreren Brennstoffzelleneinheiten bzw. -modulen, die in einer umgebenden, weitestgehend geschlossenen Brennstoffzellenbox 1 angeordnet sind. Dieser Box 1 sind Belüftungsmittel zugeordnet, durch die sie mit Spülluft belüftet werden kann, insbesondere zu dem Zweck, eine Anreicherung von eventuell leckbedingt aus einem Brennstoffzellenmodul austretendem Wasserstoff im Boxvolumen zu vermeiden.

Dazu beinhalten die Boxbelüftungsmittel eine in die Box 1 ein mündende Spülgaszufuhrleitung 2 und eine an der gegenüberliegen den Seite oder an geeigneter Stelle aus der Box 1 ausmündende Spülgasauslaßleitung 3. In der Spülgaszufuhrleitung 2 befindet sich ein Coanda-Strömungsverstärker 4, der hochdruckseitig an eine Druckluftleitung 5 angeschlossen ist, über die Spülluft z. B. in Form von Leckluft des Systems oder Überströmluft eines Hochdruckverdichters des Systems oder von einer anderen Druck luftquelle des Systems zugeführt werden kann. Unter der Coanda- Wirkung der eingespeisten Druckluft saugt der Coanda- Strömungsverstärker 4 an seiner Saugseite 4a Spülluft mit hohem Strömungsvolumen aus der Umgebung an. Im gezeigten Beispiel ist in der Spülgaszufuhrleitung 2 vor dem Coanda-Strömungsverstärker 4 noch eine weitere Box 6 vorgesehen, in der periphere Komponen ten des Brennstoffzellensystems untergebracht sind und die da durch ebenfalls belüftet wird.

Alternativ zu der gezeigten Anordnung des Coanda-Strömungsver stärkers 4 zwischen den beiden Boxen 1, 6 kann ein Coanda-Strö mungsverstärker 4' im Abschnitt der Spülgaszufuhrleitung 2 stromaufwärts der Peripherie-Box 6 oder ein Coanda-Strömungsver stärker 4" in der Spülgasauslaßleitung 3 der Brennstoffzellen box 1 vorgesehen sein, wie in Fig. 1 jeweils gestrichelt ange deutet. In jedem Fall läßt sich eine Anreicherung von Leck- Wasserstoff in der Brennstoffzellenbox 1 und damit in den in ihr angeordneten Brennstoffzellenmodulen durch das Spülen mit Luft wirksam verhindern, das allein vom Coanda-Strömungsverstärker 4, 4', 4" getrieben werden kann, ohne daß elektrische Strömungsan triebskomponenten zwingend erforderlich sind.

Die Boxen 1 und 6 können auch vertauscht angeordnet sein.

Fig. 2 veranschaulicht die Anwendung eines Coanda-Strömungsver stärkers 7 zu dem Zweck, einen Kaltstartgasstrom 8 zu verstär ken, der einer Kaltstartkomponente 9 eines Brennstoffzellensy stems zu dem Zweck zugeführt wird, das System bei einem Kalt start möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, wie dem Fachmann an sich geläufig. Dabei kann es sich z. B. um eine vermehrte Kathodenluftzufuhr und/oder um die Zufuhr eines spezi ell während der Kaltstartphase zu verwendenden Gasgemischs han deln. Im gezeigten Beispiel wird die Verstärkung des Kalt startgasstroms 8 von dem Coanda-Strömungsverstärker 7 dadurch bewirkt, daß seiner Hochdruckseite von einem Hochdruckverdichter 10 auf ausreichend hohen Druck verdichtete Umgebungsluft zuge führt wird. Insbesondere für kleinere Brennstoffzellensysteme kann die Kathodenluftzufuhr auch im warmgelaufenen Systemzustand auf Wunsch allein mit der Anordnung von Fig. 2 erfolgen, wobei dann der Coanda-Strömungsverstärker 7 die Funktion eines herkömmlichen Kathodenzuluftverdichters übernimmt.

Fig. 3 veranschaulicht schematisch eine Brennstoffzelle 11 mit einer Kathodenseite 12, einer Anodenseite 13 und einer zwischen liegenden Membran 14. Der Anodenseite wird über eine Brenngaszu fuhrleitung 15 ein Brenngas zugeführt, z. B. Wasserstoff. Das über eine Auslaßleitung 16 abgeführte Anodenabgas kann bei Be darf wenigstens teilweise zur Anodeneintrittsseite rückgeführt werden, wie mit einer gestrichelt gezeichneten Anodenabgasrück führleitung 17 angedeutet.

Der Kathodenseite 12 wird Zuluft aus der Umgebung über eine Zu fuhrleitung 18 unter Druck zugeführt, wozu ein Verdichter 19 vorgesehen ist. Außerdem wird ein Teil des über eine Kathodenab gasleitung 20 austretenden Kathodenabgases zur Kathodenein trittsseite rückgeführt, wozu eine entsprechende Kathodenabgas rückführleitung 21 dient, die über ein schaltbares Ventil 22 von der Kathodenabgasleitung 20 abzweigt. In der Kathodenabgasrück führleitung 21 befindet sich ein Coanda-Strömungsverstärker 23, der hochdruckseitig an eine Druckluftleitung 24 einer nicht nä her gezeigten Druckluftquelle des Systems angeschlossen ist.

In dieser Systemrealisierung bewirkt der Coanda-Strömungsver stärker 23 einen Gasströmungsantrieb für das rückzuführende Ka thodenabgas mittels Druckluftzudosierung, so daß auch für diese Funktion des Brennstoffzellensystems nicht unbedingt elektrisch gespeiste Strömungsantriebskomponenten erforderlich sind. Die teilweise Kathodenabgasrückführung verbessert kathodenseitig die Wasserbilanz des Systems.

Fig. 4 zeigt wiederum schematisch eine Brennstoffzelle 25 mit Kathodenseite 26, Anodenseite 27 und zwischenliegender Membran 28. In die Kathodenseite 26 wird wiederum Luft aus der Umgebung mit Überdruck durch einen Kompressor 29 eingespeist. Anodensei tig wird in diesem Beispiel das an der Anodengasaustrittsseite 27a austretende Anodenabgas über eine Anodengasrückführleitung 30 zur Anodeneintrittsseite 27b rückgeführt. In der Anodengas rückführleitung 30 befindet sich ein Coanda-Strömungsverstärker 31. Dieser ist hochdruckseitig über eine Brenngas-Druckleitung 32 an einen Brenngas-Druckspeicher 33 angeschlossen, in welchem das eingesetzte Brenngas, z. B. Wasserstoff, unter Druck bevorra tet wird. Der Wasserstoff kann dabei gasförmig oder flüssig sein.

Im Betrieb gelangt das Brenngas aus dem Druckspeicher 33 mit ausreichendem Druck in den Coanda-Strömungsverstärker 31, in welchem es den rückgeführten Anodengasstrom antreibt und dem zirkulierenden anodenseitigen Gasstrom der Brennstoffzelle 25, zudosiert wird. Der Coanda-Strömungsverstärker 31 macht in die sem Fall elektrische Brenngaszudosierkomponenten entbehrlich.

Erste Erprobungen von Coanda-Strömungsverstärkern an den erfin dungsgemäßen Stellen eines Brennstoffzellensystems, von denen einige wichtige in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen illustriert sind, zeigen eine überraschend gute Wirkung, die es im allgemeinen erlaubt, an der betreffenden Stelle auf elektri sche Strömungsantriebskomponenten, wie Lüfter, Gebläse und Ven tilatoren, zu verzichten. Dies hat bei einem Einsatz in explosi onsgefährdeten Bereichen den günstigen Effekt, daß keine aufwen digen Schutzmaßnahmen nötig sind. Des weiteren entfällt ein ent sprechender Verkabelungs- und Steuerungsaufwand von elektrischen Strömungsantriebskomponenten. Das Ausfallrisiko von Coanda- Strömungsverstärkern ist äußerst gering, da sie keine bewegten Teile enthalten. Als weiteren Vorteil haben Verunreinigungen des Mediums, wie z. B. Wassertropfen, keinen nennenswerten Einfluß auf die Funktionsweise eines Coanda-Strömungsverstärkers. Der Coanda-Strömungsverstärker erlaubt üblicherweise eine Verstär kung des angetriebenen Gasmassenstroms um einen Faktor zehn bis dreißig. Es versteht sich, dass je nach Bedarf das Brennstoff zellensystem mit mehreren Coanda-Strömungsverstärkern an den in den Fig. 1 bis 4 veranschaulichten Positionen ausgerüstet sein kann.

Weiterhin können neben der Brennstoffzellenbox auch andere Ge häuse bzw. Boxen im Brennstoffzellensystem vorgesehen sein in denen Komponenten des Brennstoffzellensystems zusammengefaßt sind. Auch dort können Belüftungsmittel vorgesehen sein, welche vorteilhaft einen Coanda-Strömungsverstärker aufweisen, um ex plosionsgefährdete Bereiche bzw. Boxen durchzuspülen. So kann der Coanda-Strömungsverstärker auch im Bereich von Peripherieag gregaten der Brennstoffzelle und/oder im Bereich der Abgasreini gung des Brennstoffzellensystems außerhalb der Brennstoffzellen box eingesetzt werden.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit

- wenigstens einer in eine Brennstoffzellenbox (1) einge brachten Brennstoffzelleneinheit,

gekennzeichnet durch

- Boxbelüftungsmittel mit einer in die Brennstoffzellenbox (1) einmündenden Spülgaszufuhrleitung (2) und einer aus der Brennstoffzellenbox ausmündenden Spülgasauslassleitung (3), wo bei sich in der Spülgaszufuhrleitung und/oder in der Spülgasaus laßleitung ein Coanda-Strömungsverstärker (4, 4', 4") befindet und/oder
- Belüftungsmittel für ein Gehäuse außerhalb der Brennstoff zellenbox (1), in welchem Komponenten des Brennstoffzellensy stems zusammengefaßt sind, wobei die Belüftungsmittel einen Co anda-Strömungsverstärker aufweisen.

2. Brennstoffzellensystem, insbesondere nach Anspruch 1, mit

- wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit und einer zugeord neten Kathodengas- und/oder einer Kaltstartgas-Zufuhrleitung,

gekennzeichnet durch

- einen Coanda-Strömungsverstärker (7) in der Kathodengas- und/oder in der Kaltstartgas-Zufuhrleitung.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß dem Coanda-Strömungsverstärker (7) hochdruckseitig ein Hoch druckverdichter (10) vorgeschaltet ist.

4. Brennstoffzellensystem, insbesondere nach einem der Ansprü che 1 bis 3, mit

- wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (11) mit zugeord neter Kathodenabgasrückführleitung (21) zur wenigstens teilwei sen Rückführung von Kathodenabgas zur Kathodeneintrittsseite,

gekennzeichnet durch

- einen in der Kathodenabgasrückführleitung (21) angeordneten Coanda-Strömungsverstärker (23), der hochdruckseitig an eine Druckluftleitung (24) angeschlossen ist.

5. Brennstoffzellensystem, insbesondere nach einem der Ansprü che 1 bis 4, mit

- wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (25) mit zugeord neter Anodenabgasrückführleitung (30),

gekennzeichnet durch

- einen in der Anodenabgasrückführleitung (30) angeordneten Coanda-Strömungsverstärker (31), der hochdruckseitig an einen Brennstoff-Gasspeicher (33) angeschlossen ist.