DE10104503B4

DE10104503B4 - Verfahren zur Verhinderung der Bildung explosiver Gemische im Einbauraum von mit Wasserstoff/Luft-betriebenen Brennstoffzellenanlagen und zugehörige Anordnung

Info

Publication number: DE10104503B4
Application number: DE10104503A
Authority: DE
Inventors: Walter STÜHLER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: DE10104503A1

Abstract

Verfahren zur Verhinderung der Bildung explosiver Gemische im Einbauraum von Wasserstoff/Luft-betriebenen Brennstoffzellen-Anlagen mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, wobei ein Verdichter über einen in einem Filterkasten angeordneten Luftfilter Umgebungsluft ansaugt, mit folgenden Maßnahmen:
– Es wird eine fluidische Verbindung zwischen dem Bereich des Einbauraums über dem Brennstoffzellenmodul und dem Filterkasten hergestellt,
– infolge des Saugunterdruckes im Filterkasten wird der Leckage-Wasserstoff abgesaugt,
– der Leckage-Wasserstoff gelangt mit dem Luftstrom an die Kathode der Brennstoffzellen und wird durch thermische Umsetzung vernichtet.

Description

Verfahren zur Verhinderung der Bildung explosiver Gemische im Einbauraum von mit Wasserstoff/Luft-betriebenen Brennstoffzellenanlagen und zugehörige Anordnung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verhinderung der Bildung explosiver Gemische im Einbauraum von Wasserstoff/Luft-betriebenen Brennstoffzellenanlagen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Anordnung, mit einer Brennstoffzellenanlage, die in ein Fahrzeug eingebaut ist, wobei das Fahrzeug Mittel zur Ansaugung von Reaktionsluft aufweist, die über einen Verdichter der Brennstoffzellenanlage zugeführt wird.

Brennstoffzellenbetriebene Kraftfahrzeuge werden derzeit in vielerlei Ausbildungen erprobt. Für einen lokalen Versuchsbetrieb sind auch bereits Omnibusse mit Elektroantrieb, die durch Wasserstoff/Luft-betriebene Brennstoffzellenanlagen elektrisch versorgt und insbesondere als Flottenfahrzeuge zentral mit Wasserstoff betankt werden, im Einsatz (sh. Internet: www.brennstoffzellenbus.de).

Üblicherweise ist die Brennstoffzellenanlage an geeigneter Stelle im Fahrzeug angeordnet. Insbesondere in Omnibussen, bei denen vergleichsweise viel Stauraum vorhanden ist, bietet es sich an, die Brennstoffzellenanlage, die im Wesentlichen aus wenigstens einem Brennstoffzellenmodul mit hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen und der zugehörigen Anlagenperipherie besteht, im Heck anzuordnen, so dass sie von außen über die Heckklappe zugänglich ist.

Bei derartigen Anwendungen von mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenanlagen ist nicht auszuschließen, dass Wasserstoff, der aus Leckagen im Brennstoffzellenstack oder anderen Anlagenkomponenten heraustritt, sich in schlecht belüfteten Einbauräumen ansammelt. Deswegen ist es vor geschrieben, solche Einbauräume zu belüften, was beispielsweise durch Lüftungsschlitze im Einbauraum und/oder explosionsgeschützte Lüfter erfolgen kann. Weiterhin sind Überwachungsgeräte für Wasserstoff vorgesehen. Derartige Maßnahmen sind vergleichsweise aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, verfahrensmäßig für Verbesserungen zu sorgen und eine zugehörige Anordnung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Maßnahmen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Anordnung ist im Anspruch 2 angegeben. Weiterbildungen der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Sachansprüche.

Mit der Erfindung ist erreicht, dass die Bildung explosiver Gemische durch austretenden Wasserstoff bei laufender Brennstoffzellenanlage ohne zusätzliche elektrische Komponenten vermieden wird. Bei abgeschalteter Brennstoffzellenanlage, d.h. bei nicht laufendem Verdichter, befindet sich dagegen im Einbauraum der Brennstoffzellenanlage kein Wasserstoff.

Durch die Erfindung ist es möglich, auf zusätzliche Lüftungsschlitze am Einbauraum zu verzichten. Derartige Lüftungsschlitze sind deshalb unerwünscht, da durch sie unter Umständen Schmutzwasser in die Brennstoffzellenanlage eindringen könnte.

Weiterhin ist aufgrund der Erfindung ein aufwendiges Wasserstoffüberwachungsgerät zur Warnung vor zu hohem Wasserstoffgehalt überflüssig. Durch den Wegfall des Gaswarngerätes entfällt die zum Hochheizen des bei solchen Geräten vorhandenen Sensors notwendige Zeit von mehr als 30 s. In dieser Zeit war bisher der Start der Brennstoffzellenanlage blockiert. Nunmehr kann die Brennstoffzellenanlage unmittelbar gestartet werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in Schnittdarstellung den Heckbereich eines Omnibusses mit darin integrierter Brennstoffzellenanlage und zugehörigen Nebenaggregaten.

In der Figur ist ein Omnibus 1 in Rückansicht dargestellt, dessen Umrisse nur schematisch angedeutet sind. Bekanntermaßen befindet sich auf einem Fahrgestell 2 ein Chassis 3, das einen Fahrgastraum umschließt. In der Heckansicht ist eine großflächige Heckklappe 5 dargestellt und im oberen Bereich eine Heckscheibe 6, die üblicherweise über die gesamte Heckbreite des Omnibusses 1 verläuft.
Für einen Brennstoffzellen-angetriebenen Bus ist eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul als Stapel 10 aus elektrisch hintereinander geschalteten Brennstoffzellen vorhanden. In der Figur ist angedeutet, dass ein solcher Brennstoffzellenstapel 10, der in der Fachterminologie kurz als Stack bezeichnet wird, aus einzelnen Brennstoffzellen 11 mit endseitigen Abschlussplatten 12 besteht. Zum Luft/Wasserstoff-Betrieb eines solchen Stacks sind Gaseinlässe 16 und 17 angedeutet, wobei der Einlass 16 für Luft und der Einlass 17 für Wasserstoff dient. Ein Tank für Wasserstoff ist auf dem Dach des Omnibusses 1 angeordnet, aber in der Figur nicht im Einzelnen dargestellt.
Bei Omnibussen ist der Antrieb üblicherweise im Heck unterhalb der hinteren Sitzreihen angeordnet. Anhand der schematischen Darstellung wird verdeutlicht, dass im hinteren Bereich neben oder über dem in der Figur nicht dargestellten Elektroantrieb der Brennstoffzellenstapel 10 positioniert ist, so dass er einschließlich der Nebenaggregate von der Heckklappe 5 aus gut zugänglich ist. Wie bereits erwähnt, dient als Brennstoff Wasserstoff(H₂)-Gas, das in einen Vorratsbehälter unter Druck, ggf. auch flüssig, gespeichert ist. Das für die Brennstoffzellenreaktion zugehörige Oxidans ist üblicherweise nicht separates, im Bus mitgeführten Sauerstoff(O₂)-Gas, sondern wird vielmehr aus der Umgebungsluft gewonnen. Dazu ist ein Filterkasten 20 vorhanden, der einen Luftfilter 21 aufweist, über den die Reaktionsluft von außen angesaugt wird. Der Luftfilter 21, der zur Reinigung der Reaktionsluft dient, ist über eine Leitung 22 mit einem Verdichter 25 verbunden, der ein Luftgemisch geeigneter Sauerstoffkonzentration erzeugt. Vom Verdichter 25 gelangt die Reaktionsluft als Oxidans über die Leitung 26 zum Lufteinlass 16 des Brennstoffzellenstapels 10.
Wie erwähnt befindet sich der Wasserstoffvorratsbehälter vorteilhafterweise auf dem Dach des Omnibusses 1. Über ein Ventil 31 erfolgt die Wasserstoffversorgung mittels der Leitung 32 zum Einlass 17 des Brennstoffzellenstapels 10.
Durch unvermeidbare Leckagen im System können unerwünschterweise geringe Mengen Wasserstoff austreten, der entfernt werden muss. Hierzu ist in der Figur eine Einrichtung zur Wasserstoffabsaugung vorhanden, die aus einer Haube 50 über dem Brennstoffzeilenmodul 10 und einer Fluid-Leitung 51 zum Filterkasten 20 besteht. Da im Filterkasten Unterdruck herrscht, wird der aus dem System nach oben entweichende Wasserstoff aufgefangen und gelangt aufgrund des Unterdruckes in den Filterkasten 20.
Insgesamt ergibt sich nunmehr folgender Funktionsablauf: Der in der luftbetriebenen Brennstoffzellenanlage integrierte Verdichter 25 saugt die Umgebungsluft über den Luftfilter 21 an. Infolge des Saugunterdruckes im Filterkasten 20 wird austretender Leckage-Wasserstoff über die Haube 50 und die Fluid-Leitung 51 sofort abgesaugt.
Die Einrichtung zur Wasserstoffabsaugung ist dabei mit der Haube 50 so ausgebildet, beispielsweise trichterförmig, dass austretender, gegenüber Luft leichterer Wasserstoff komplett aufgenommen wird und kein Wasserstoff in andere Einbauräume gelangen kann.
Der Leckagewasserstoff, der vom Filterkasten 20 angesaugt wird, gelangt über die Leitungen 22 und 26 zusammen mit dem Luftstrom an die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen 11 und wird dort durch thermische Umsetzung vernichtet.
Mit der anhand der Figur beschriebenen Anordnung kann die Bildung explosiver Gemische durch austretenden Wasserstoff bei laufender Brennstoffzellenanlage wirksam ausgeschlossen werden. Dabei sind zusätzliche Komponenten nicht notwendig. Bei abgeschalteter Brennstoffzellenanlage, d.h. bei nicht laufendem Verdichter, befindet sich im Einbauraum der Brennstoffzellenanlage dagegen kein Wasserstoff. Durch ein geeignetes Abschaltverfahren kann dann erreicht werden, dass sämtlicher Wasserstoff bis zum Magnetventil vor dem Wasserstoffvorratsbehälter an einem Entladewiderstand elektrisch umgesetzt wird.

Claims

Verfahren zur Verhinderung der Bildung explosiver Gemische im Einbauraum von Wasserstoff/Luft-betriebenen Brennstoffzellen-Anlagen mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, wobei ein Verdichter über einen in einem Filterkasten angeordneten Luftfilter Umgebungsluft ansaugt, mit folgenden Maßnahmen: – Es wird eine fluidische Verbindung zwischen dem Bereich des Einbauraums über dem Brennstoffzellenmodul und dem Filterkasten hergestellt, – infolge des Saugunterdruckes im Filterkasten wird der Leckage-Wasserstoff abgesaugt, – der Leckage-Wasserstoff gelangt mit dem Luftstrom an die Kathode der Brennstoffzellen und wird durch thermische Umsetzung vernichtet.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einer Brennstoffzellen-Anlage, die in ein Fahrzeug eingebaut ist, wobei das Fahrzeug Mittel zur Ansaugung von Reaktionsluft aufweist, und mit einem Verdichter zur Zufuhr der Reaktionsluft zu wenigstens einem Brennstoffzellenmodul der Brennstoffzellenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Filterkasten (20) für die Reaktionsluft und dem Bereich des Einbauraums über dem Brennstoffzellenmodul (10) eine fluidische Verbindung (50, 51) besteht.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Unterdruck im Filterkasten (20) über die fluidische Verbindung (50, 51) Leckage-Wasserstoff in den Filterkasten (20) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (10) großflächig mit einer Haube (50) versehen ist, die in der fluidischen Verbindung (51) mündet.