DE10126664B4

DE10126664B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10126664B4
Application number: DE10126664A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Monzel (FH)
Original assignee: NuCellSys GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: US6884532B2; DE10126664A1; US20020187381A1

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit sowie Mitteln zur Detektion von Wasserstoffleckagen in dem Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine Gaserzeugungssystem-Box (1) aufweist, in der Komponenten (11) mit erhöhter Betriebstemperatur zusammengefasst sind, wobei die Gaserzeugungssystem-Box (1) mit einer Unterdruckleitung (2) verbunden ist, und wobei die Unterdruckleitung (2) mit einer in einer Hochdruckleitung (7) angeordneten passiven Unterdruckpumpe (6) in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen besteht das Problem, zündfähige Wasserstoffansammlungen im System möglichst zu vermeiden.
In der DE 100 01 717 C1 ist ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen worden, bei dem Coanda-Strömungsverstärker an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems zum Einsatz kommen können, um gefährliche Wasserstoffanreicherungen oder Anreicherungen von Brenngasen oder Kraftstoffdämpfen zu vermeiden.
Aus der WO 99/57335 A1 ist eine Anordnung mit Brennstoffzellen bekannt, bei der die Verwendung von explosionsgeschützten Bauteilen vermieden werden kann. Zum Schutz elektrischer Komponenten gegen eine Wasserstoff-Leckage wird der entsprechende Bereich des Systems mit erhöhtem Druck beaufschiagt, so daß ein Einsickern von Wasserstoff verhindert wird.
Die JP 07 325 075 A offenbart ein System zur Erfassung einer Wasserstoffleckage einer im Inneren eines Gehäuses angeordneten Komponente, wie z. B. einer Brennstoffzelle. Das Innere des Gehäuses ist über eine Auslassleitung mit einer Saugleitung verbunden, in der eine Saugpumpe angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei dem Wasserstoffleckagen von in einem Gehäuse angeordneten Komponenten zuverlässig erkannt werden können und das speziell für mobile Anwendungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem ein Gehäuse auf, in dem Komponenten angeordnet sind, welche bei erhöhter Betriebstemperatur arbeiten. Das Gehäuse kann thermisch isoliert sein. Das Gehäuseinnere wird dabei über eine Saugleitung abgesaugt, wobei ein Wasserstoffsensor in der Saugleitung angeordnet sein kann. Der Vorteil ist, daß die Atmosphäre im Gehäuseinnern im wesentlichen unverdünnt an den Wasserstoffsensor gelangt, so daß auch geringe Wasserstoffleckagen im Gehäuse sicher erkannt werden können, bevor eine kritische Konzentration auftritt.
Die Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems ist erhöht, und die Ansammlung unerwünschter Wasserstoffmengen und/oder oder Anreicherungen von Brenngasen oder Kraftstoffdämpfen im System kann/können wirkungsvoll vermieden werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigt
1 eine schematische Darstellung einer absaugbaren Gaserzeugungssystem-Box eines Brennstoffzellensystems,
2 eine bevorzugte Ausgestaltung einer Gaserzeugungssystem-Box und
3 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Anordnung der Saugleitung in einer Gaserzeugungssystem-Box mit Wasserstoff-Sensoren.
Die 1 veranschaulicht ein Detail eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist eine oder mehrere Brennstoffzelleneinheiten bzw. Brennstoffzellenmodule auf. Diese können in einer umgebenden, weitestgehend geschlossenen Brennstoffzeilenbox angeordnet sein, ebenso können weitere Komponenten des Systems in entsprechenden Boxen zusammengefasst sein.
Gemäß der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem eine Gaserzeugungssystem-Box 1 auf, deren Atmosphäre durch eine insgesamt mit 2 bezeichneten Saugleitung abgesaugt werden kann. In der Gaserzeugungssystem-Box 1 sind Komponenten 11 zusammengefasst, deren Betriebstemperatur erhöht ist, vorzugsweise oberhalb von 80°C liegen. Vorzugsweise ist die Gaserzeugungssystem-Box 1 thermisch isoliert. Das Gaserzeugungssystem weist übliche Komponenten wie Reformer, Wärmetauscher, Reformatreinigung auf, welche in Brennstoffzellensystemen mit Reformierung übliche sind.
Die Saugleitung 2 ragt in die Gaserzeugungssystem-Box 1 mit einer Ansaugmimik 3 hinein, welche durch geeignete Perforationen die Atmosphäre aus der Gaserzeu gungssystem-Box 1 ansaugen kann. In der Saugleitung ist ein Wasserstoffsensor 5 angeordnet, der Wasserstoff in der angesaugten Atmosphäre detektieren kann. Die Atmosphäre der Gaserzeugungssystem-Box 1 wird zur Detektion des darin enthaltenen Wasserstoffs angesaugt; ein Spülen des Inneren der Gaserzeugungssystem-Box 1, durch das die Atmosphäre mit einem zusätzlichen Spülmedium verdünnt würde, unterbleibt im wesentlichen. Die Saugleitung 2 führt zu einer vorzugsweise passiven Unterdruckpumpe 6 in der Art einer Wasserstrahlpumpe, wie etwa eine sogenannte Jet-Pump.
Der Unterdruck in der Saugleitung wird durch die Wirkung einer Hochdruckleitung, in der die Pumpe 6 angeordnet ist, erzeugt. Die Hochdruckleitung ist insgesamt mit 7 bezeichnet. Zur Erzeugung eines Hochdrucks in der Hochdruckleitung 7 kann eine separate Pumpe oder auch ein in dem Brennstoffzellensystem vorhandener Kompressor oder Verdichter verwendet werden.
In der Hochdruckleitung 7 stromauf der Pumpe 6 können weitere Komponenten angeordnet sein, wie etwa ein Nadelventil 8 und/oder ein Rückschlagventil 9 und/oder ein Partikelfilter 10. Mit dem Nadelventil 8 kann der Druck bzw. der Mediendurchfluß in der Hochdruckleitung 7 eingestellt werden. Mit dem Rückschlagventil 9 kann ein unerwünschter Eintrag von Partikeln, Flüssigkeitströpfchen und dergleichen aus dem dem Ventil 9 vorgelagerten Leitungssystem in das Teilstück der Hochdruckleitung 7 stromauf der Pumpe 6 und stromab des Ventils 9 verhindert werden, sobald der Druck in diesem Teilstück etwa beim Abschalten der Anlage sinkt. Dadurch könnte ohne Rückschlagventil 9 das Medium in der Hochdruckleitung 7 der Pumpe 6 in die Unterdruckleitung der Pumpe 6, welche mit der Saugleitung 2 verbunden ist, gelangen. Besonders bei Verwendung der Hochdrucksseite eines brennstoffzellensystemseitigen Verdichters oder Kompressors zur Versorgung der Hochdruckleitung 7 besteht die Gefahr, daß durch notwendigerweise befeuchtete Prozessluft Feuchtigkeit in die Atmosphäre der Gaserzeugungssystem-Box 1 eingetragen wird, welche die Messung des Wasserstoffsensors 5 verfälschen könnte.
Ebenso besteht dann die Gefahr, daß feine Abriebpartikel aus dem vorgelagerten Leitungssystem in die Gaserzeugungssystem-Box 1 gesaugt werden, wobei solche Partikel auch das Nadelventil 8 zusetzen und verstopfen können. Der Partikelfilter 10 kann verwendet werden, um den Eintrag von solchen Partikeln zu unterbinden.
Besonders die Kombination von in Strömungsrichtung des Hochdruckmediums in der Hochdruckleitung 7 nacheinander angeordneten Partikelfilter 10, Rückschlagventil 9, Nadelventil 8 stromauf der Hochdruckpumpe 6 vermeidet solche Probleme vorteilhaft. Auch sehr feine Partikel und Feuchtigkeit, welche den Partikelfilter 10 noch passieren können, werden durch das Rückschlagventil 9 beim Abschalten des Brennstoffzellensystems oder der Hochdruckversorgung der Hochdruckleitung 7 der Pumpe 6 sicher zurückgehalten und gelangen so nicht in die Gaserzeugungssystem-Box 1 bzw. den Wasserstoffsensor 5. Vorzugsweise schließt das Rückschlagventil, wenn der Druck in der Hochdruckleitung unter eine vorgegebene Schwelle absinkt und öffnet, wenn eine vorgegebene Druckschwelle überschritten wird.
Das Hochdruckmedium in der Hochdruckleitung 7 kann Luft sein oder Inertgas, vorzugsweise Brennstoffzellenabgas.
Es zeigt sich, daß ein geringer Überdruck stromauf der passiven Hochdruckpumpe 6 von etwa 100 mbar bereits ausreicht, um die Atmosphäre der Gaserzeugungssystem-Box 1 anzusaugen. Dabei sind 6–7 l Volumenstrom durch die Pumpe 6 ausreichend, um rund 500 ml Leckage in der Gaserzeugungssystem-Box 1 innerhalb von weniger als 2 Sekunden sicher zu detektieren; dies entspricht der Detektion einer Leckrate bis hinunter zu etwa 250 ml/sec.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung gelingt es, auch schleichende Leckagen der Komponenten in der Gaserzeugungssystem-Box 1 zu entdecken. Selbst im Fahrtwind, wenn aufgrund der Strömungsbedingungen vermehrt Außenluft durch die Gehäuse-Undichtigkeiten in die Gaserzeugungssystem-Box 1 gelangt, ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung eine hohe Zuverlässigkeit bei der Detektion von Wasserstoff-Leckagen in der Gaserzeugungssystem-Box 1.
In 2 ist ein weiteres Detail der Anordnung dargestellt. Die Gaserzeugungssystem-Box 1 weist ein Gehäuse 13 auf, welches Komponenten des Systems umschließt, die insgesamt mit 11 bezeichnet sind. Die Komponenten 11 sind möglichst kompakt angeordnet, um einerseits eine günstige Temperaturverteilung innerhalb der Komponenten 11 zu erreichen und andererseits wenig Hohlräume zu verursachen, die sich mit Wasserstoff füllen könnten. Die Ansaugmimik 3 ragt in den leeren Raum 12 zwischen dem Gehäuse 13 und den kompakt angeordneten Komponenten 11 hinein, vorzugsweise im oberen Bereich des Gehäuses 13, wo sich aufsteigender Wasserstoff ansammeln könnte.
3 zeigt in einer Draufsicht ein weiteres Detail der Anordnung. Die Ansaugmimik kann sich in der Gaserzeugungssystem-Box 1 verzweigen und in etwa T-förmig ausgebildet sein, wobei auch mehrere senkrecht zur Hauptachse der Ansaugmimik 3 sich erstreckende Äste der Ansaugmimik 3 vorgesehen sein können. Vorzugsweise ist die Ansaugmimik aus Röhren gebildet, welche Bohrungen aufweisen, durch die die Atmosphäre aus der Gaserzeugungssystem-Box 1 in das Innere der Ansaugmimik 3 gesaugt wird.
Dabei kann in der Gaserzeugungssystem-Box 1 ein geringer Unterdruck eingestellt werden. Dies ist jedoch nicht unabdingbar, da mit Vorteil sogar eine geringe vorhandene Undichtigkeit des Gehäuses 13 der Gaserzeugungssystem-Box 1 vorteilhaft genutzt werden kann. Der Druck in der Gaserzeugungssystem-Box 1 bleibt dann in etwa auf Umgebungsdruck, da die das Gehäuse 13 umgebende Außenluft durch die Gehäuse-Undichtigkeiten gesaugt und damit eine eventuell vorhandene Wasserstoffleckage ohne wesentliche Verdünnung zum Wasserstoffsensor 5 transportiert wird.
Zweckmäßig ist, die thermische Entkopplung in der Saugleitung 2 vorzusehen, so dass die Pumpe 6 thermisch von der Gaserzeugungssystem-Box 1 getrennt ist. Diese kann stromauf oder stromab des Wasserstoffsensors 5 angeordnet sein.
Die Abluft der Pumpe 6 wird vorzugsweise der Umgebung zugeführt. Bei einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug kann die Abluft dem Fahrzeugabgasstrom zugeführt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit sowie Mitteln zur Detektion von Wasserstoffleckagen in dem Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine Gaserzeugungssystem-Box (1) aufweist, in der Komponenten (11) mit erhöhter Betriebstemperatur zusammengefasst sind, wobei die Gaserzeugungssystem-Box (1) mit einer Unterdruckleitung (2) verbunden ist, und wobei die Unterdruckleitung (2) mit einer in einer Hochdruckleitung (7) angeordneten passiven Unterdruckpumpe (6) in Verbindung steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruckleitung (7) ein Nadelventil (8) und/oder ein Partikelfilter (10) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruckleitung (7) ein Rückschlagventil (9) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruckleitung (7) in Strömungsrichtung des Hochdruckmediums ein Partikelfilter (10), daran anschließend ein Rückschlagventil (9), daran anschließend ein Nadelventil (8) stromauf der Pumpe (6) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckleitung (7) mit einer Hochdruckseite eines zur Luftversorgung der Brennstoffzelleneinheit vorgesehenen Kompressors und/oder Verdichters und/oder mit einer Brennstoffzellenabgasleitung verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Unterdruckleitung (2) ein Wasserstoffsensor (5) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckleitung (2) mit einer Ansaugmimik (3) in die Gaserzeugungssystem-Box (1) hineinragt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugmimik (3) durch ein Rohr mit Bohrungen gebildet ist.