DE10150385A1

DE10150385A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10150385A1
Application number: DE10150385A
Authority: DE
Inventors: Stefan Boneberg; Bernd Monzel; Thomas Stark
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: US20030082428A1; DE10150385B4; US7413820B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, insbesondere mit einem Gaserzeugungssystem zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas aus kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen, ist so aufgebaut, daß die Komponenten des Brennstoffzellensystems in wenigstens einem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse ist berührungsdicht ausgebildet und in dem Gehäuse sind Rekombinatoren zur Rekombination von Wasser- und Sauerstoff zu Wasser angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere mit einem Gaserzeugungssystem zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas aus kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen, wobei die Komponenten des Brennstoffzellensystems in wenigstens einem Gehäuse angeordnet sind.

Brennstoffzellensysteme, insbesondere solche, welche mit einem Gaserzeugungssystem ausgerüstet sind, welches aus flüssigen kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt, sind häufig in entsprechenden Gehäusen angeordnet, um sie gegenüber der Umgebung abzudichten. Sollte im Gaserzeugungssystem oder in der Brennstoffzelle sowie in den in diesen Systemen befindlichen Leitungselementen eine Leckage auftreten, so sammelt sich der austretenden Wasserstoff im Bereich dieses Gehäuses.

Außerdem wird sich in diesem Gehäuse immer eine geringe Wasserstoffmenge ansammeln, da aufgrund von Permeation des Wasserstoffs Leckagen praktisch nicht zu vermeiden sind.

In der älteren DE 100 31 238 ist ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems beschrieben. Bei diesem Brennstoffzellensystem sind die Gehäuse als belüftete Gehäuse ausgeführt, wobei als Belüftungsmittel explosionsgeschützte Gebläse eingesetzt werden. Damit läßt sich vermeiden, daß sich zündfähige Wasserstoff/Sauerstoffgemische im Bereich des Brennstoffzellensystems ansammeln und dementsprechend ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Außerdem ist in einer weiteren älteren Anmeldung, nämlich der DE 100 01 717 ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen worden, bei dem Strömungsverstärker an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems zum Einsatz kommen, um gefährliche Anreicherungen an Wasserstoff zu vermeiden.

Aus der Fachzeitschrift "Journal of Power Sources" 8(1982) 211-227 ist aus dem Fachartikel "Katalytischer Wasserstoff-/Sauerstoff-Rekombinator mit Selbstbegrenzung" bekannt, daß in Bleiakkumulatoren Rekombinatoren verwendet werden, welche bei der Reaktion entstehende Batteriegase - im allgemeinen Wasserstoff und Sauerstoff - zu Wasser rekombinieren. Durch die Rekombination dieses stöchiometrischen Knallgases werden die Nachfüllintervalle für Wasser in den mit derartigen Rekombinatoren ausgerüsteten Bleiakkumulatoren drastisch verringert. Die Rekombinatoren selbst bestehen dabei aus mehreren Komponenten: Säureabscheider, Kohlefilter, Katalysator, Kondensator, Gasspeicher und Ventile.

Des weiteren sind vergleichbare Rekombinatoren, welche anfallenden Wasserstoff auf katalytischer Basis mit Sauerstoff zu Wasser umsetzen, aus dem Bereich der nuklearen Kraftwerkstechnik, insbesondere bei der Behandlung von Störfallatmosphären in Siedewasserreaktoren oder Druckwasserreaktoren aus der DE 198 52 951 A1 bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem zu schaffen bei welchem hinsichtlich der Sicherheitsbedingungen kritische zündfähige Wasserstoff/Sauerstoffgemische im Bereich des Brennstoffzellensystems, insbesondere im Bereich eines die Komponenten des Brennstoffzellensystems umgebenden Gehäuses, vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gehäuse hinreichend dicht zum mechanischen Schutz bzw. zur Isolierung ausgebildet ist, und daß in dem Gehäuse entsprechende Rekombinatoren zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser angeordnet sind.

Durch die Verwendung von derartigen Rekombinatoren in den Gehäusen von Brennstoffzellen kann verhindert werden, daß sich Wasserstoff in den Gehäusen soweit anreichert, daß ein zündfähiges Gemisch entsteht. Bei Verwendung von geeigneten Rekombinatoren, gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung katalytischer Rekombinatoren auf Basis von Platin und/oder Palladium, kann erreicht werden, daß bereits bei sehr niedrigen Wasserstoffkonzentrationen in den dicht ausgebildeten Gehäusen eine kontrollierte Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem in dem Gehäuse eingeschlossenen Luftsauerstoff im Bereich des Rekombinators erfolgt. Das Gehäuse kann gasdicht mit einer für Gasdichtigkeit spezifizierten Leckrate von weniger als 1.10^-7 mbar.l/s ausgeführt sein, jedoch auch mit geringerer Dichtigkeit zumindest berührungsdicht ausgeführt sein, um den Inhalt vor mechanischer Beschädigung zu schützen, für elektrische und/oder thermische Isolierung zu sorgen und den Inhalt etwa vor Spritzwasser zu schützen. Eine Anreicherung von Wasserstoff kann somit weitgehend vermieden werden, so daß zündfähige Gemische aus Wasserstoff und Sauerstoff erst gar nicht entstehen.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich des Rekombinators ein Temperatursensor angeordnet, wobei das Brennstoffzellensystem beim Überschreiten einer vorgegebenen Schwellentemperatur im Bereich des Rekombinators abschaltbar ist.

Dadurch entsteht eine sehr günstige Möglichkeit einer Sicherheitsüberwachung, welche im Zweifelsfall mit einem Abschalten des Brennstoffzellensystems bzw. des den Wasserstoff erzeugenden Gaserzeugungssystems einhergehen kann. Im Gegensatz zu üblichen Wasserstoffsensoren, welche vergleichsweise aufwendig, teuer und störanfällig sind, kann durch einen einfachen und kostengünstigen Temperatursensor im Bereich des Rekombinators ermittelt werden, wieviel Wasserstoff im Bereich des Rekombinators umgesetzt wird, und damit auch wieviel Wasserstoff in dem Gehäuse vorhanden ist.

So wird sich beispielsweise bei einem Konzentrationsanstieg an Wasserstoff um ca. 1 Volumenprozent in dem Gehäuse, die Temperatur im Bereich des Rekombinators um ein bestimmtes Temperaturniveau erhöhen. Aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen Wasserstoffkonzentration und Temperatur im Bereich des Rekombinators kann so eine Schwellentemperatur festgelegt werden, welche einem entsprechenden Wasserstoffgehalt des in dem Gehäuse befindlichen Gases entspricht. Bei diesem vorgegebenen Schwellenwert wird beispielsweise eine für die Sicherheit des Systems kritische Wasserstoffmenge in dem Gehäuse vorhanden sein, so daß das System aus Sicherheitsgründen unmittelbar abgeschaltet wird.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß auf die Wasserstoffsensoren, welche, wie oben bereits erwähnt, teuer und störanfällig sind und eine sehr hohe Querempfindlichkeit auf Kohlendioxid und Wasserdampf zeigen, verzichtet werden kann.

Durch die dichte Ausführung der Box kann außerdem auf eine aktive Belüftung des Systems verzichtet werden, welche einerseits das Gaserzeugungssystem im Betrieb abkühlt, was häufig nicht gewünscht ist und andererseits Umgebungsverunreinigungen wie Salze und Feuchtigkeit in das Innere der Gehäuse befördert. Als Folge davon können Probleme mit Korrosion, elektrische Kontaktprobleme oder dergleichen auftreten, welche durch das erfindungsgemäße System vermieden werden.

Eine gegebenenfalls dennoch erfolgende aktive Belüftung der an sich dichten Boxen kann auf ein Minimum reduziert werden, da lediglich dafür gesorgt werden muß, daß immer ausreichend Sauerstoff zur Rekombination des anfallenden Wasserstoffs ansteht. Die dafür erforderliche, sehr kleine Luftmenge kann beispielsweise aus einem Luftversorgungssystem für die Brennstoffzelle stammen, in welchem die Luft ohnehin gereinigt, getrocknet und verdichtet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen möglichen Aufbau eines Gehäuses mit einem Rekombinator; und
Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung des Gehäuses mit einem Rekombinator.
In Fig. 1 ist eine erste und sehr einfache Ausgestaltung dargestellt, bei der die Erfindung beispielhaft anhand eines Gehäuses 1 eines Gaserzeugungssystems 2, eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystems, erläutert werden soll. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann dabei in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zu dessen Antrieb vorgesehen sein.
Das Gehäuse 1 umschließt das Gaserzeugungssystem 2, so daß in dem Gaserzeugungssystem 2 aus Leckagen austretende Stoffe, insbesondere Wasserstoff, aufgefangen werden und nicht in die Umgebung gelangen. Solche Leckagen von Wasserstoff sind aufgrund der kleinen Molekülgrößen des Wasserstoffs zu einem gewissen Maß im normalen Betrieb praktisch nicht zu vermeiden. Der durch die Leckagen entstehende Wasserstoff sammelt sich in dem Gehäuse 1 und bildet dort mit dem in dem Gehäuse befindlichen Luftsauerstoff ein Wasserstoff/Sauerstoffgemisch.
Das Gehäuse 1 soll so dicht ausgebildet sein, daß ein mechanischer Schutz des Systems und eine Isolierung vorhanden ist, wobei selbstverständlich eine geringe Zufuhr von Luft oder dergleichen vorgesehen sein kann, um den gegebenenfalls über einen Rekombinator 3 verbrauchten Sauerstoffanteil auszugleichen.
In dem eben bereits erwähnten Rekombinator 3, welcher als katalytischer Rekombinator 3, beispielsweise auf Basis von Platin und/oder Palladium oder dergleichen ausgebildet sein kann, erfolgt dann eine katalytische Rekombination des anfallenden Wasserstoffs mit dem Luftsauerstoff zu Wasser, welches dann in an sich bekannter Weise über Ventile oder dergleichen abgeleitet werden kann ohne dabei die Dichtheit des Gehäuses 1 zu stören.
Durch den Rekombinator 3 wird also vermieden, daß die Wasserstoffkonzentration in dem Inneren des Gehäuses 1 ansteigen kann, wodurch zündfähige Gemische entstehen könnten. Damit ist ein sicherer Betrieb des Gaserzeugungssystems 2 bzw. des gesamten Brennstoffzellenssystems möglich.
Selbstverständlich ist ein vergleichbarer Aufbau ebenfalls für ein Gehäuse 2 vorgesehen, welches die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems selbst umgibt. Da jedoch die gleichen Funktionsprinzipien zum Einsatz kommen, ist dies hier nicht explizit dargestellt.
Der Rekombinator 3 ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des Gehäuses 1 angebracht.
Beispielsweise kann der Rekombinator 3 als katalytische Beschichtung des Gehäusedeckels ausgebildet sein oder es ist auch denkbar den Katalysator auf ein entsprechendes Trägermaterial, beispielsweise ein Drahtgestrick oder dergleichen, aufzubringen und dieses dann im Bereich des Gehäuses 2 anzuordnen, beispielsweise in den Gehäusedeckel einzukleben.
Falls eine Beschichtung mit dem Katalysator eingesetzt wird, so kann diese in besonders günstiger Art beispielsweise über entsprechende Tauch- oder Sprühverfahren auf die Endplatte oder den Deckel des Gehäuses aufgebracht werden, so daß hier mit vergleichsweise geringem Fertigungsaufwand ein großer Effekt zu erzielen ist.
Der aus dem Gaserzeugungssystem 2 austretende Wasserstoff gelangt dabei über Diffusions- oder Konvektionsvorgänge zu dem Rekombinator 3 und kann dort abreagieren.
Besonders günstig ist es, wenn der Rekombinator 3 im Bereich einer Wärmesenke angeordnet ist, so daß im Bereich des Rekombinators 3 anfallende Wärmeenergie, welche beim katalytischen Umsatz von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht ohne Schädigung des Katalysators zwischengespeichert und abgeleitet werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung wäre es auch denkbar, daß der Rekombinator 3 an eine der Komponenten des Gaserzeugungssystems 2 gekoppelt wird, so daß er mit dieser in wärmeleitender Verbindung steht. Entgegen der oben beschriebenen Koppelung mit dem Deckel oder einer anderen Wärmesenke, mit welcher dieser in wärmeleitender Verbindung steht, wäre es hier dann möglich die Komponente so auszuwählen, daß diese bereits im Kaltstartfall des Gaserzeugungssystems 2 sehr schnell auf Betriebstemperatur kommt. Als Beispiel kann hier an eine katalytische Oxidationsstufe oder eine partielle Oxidationsstufe gedacht werden. Dies würde bewirken, daß auch der Katalysator des Rekombinators sehr schnell auf der optimalen Betriebstemperatur arbeiten kann, so daß von einem sehr frühen Zeitpunkt des Betriebs des Gaserzeugungssystems bereits die sichere Rekombination von eventuell austretenden Wasserstoff gewährleistet wäre.
Fig. 2 zeigt nun eine grundsätzlich vergleichbare Ausführungsform des entsprechenden Aufbaus aus Gehäuse 1 und Gaserzeugungssystem 2, welches auch hier wieder als beispielhafte Anwendung zu sehen ist, wie es oben bereits erläutert wurde.
Auch hier sind gewisse Wasserstoffleckagen und/oder Wasserstoffpermeation möglich, so daß sich Wasserstoff im Bereich des Gehäuses 1 anreichert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Zufuhr des Wasserstoffs im Bereich des Rekombinators 3 nicht ausschließlich auf Konvektion und Diffusion vertraut, sondern es erfolgt eine Umwälzung des in dem Gehäuse 1 befindlichen Gases mittels eines Gebläses 4. Das Gebläse 4 ist als explosionsgeschütztes Gebläse 4 bzw. explosionsgeschützter Lüfter 4 ausgebildet, so daß selbst beim Vorhandensein eines eventuell zündfähigen Wasserstoff/Sauerstoffgemischs keine Sicherheitsbeeinträchtigung erfolgt. Das Gebläse 4 fördert den Gasstrom mit Wasserstoff und Sauerstoff im Bereich des Rekombinators 3. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Rekombinator 3 beispielsweise in Form eines monolithischen Katalysators, eines katalytisch beschichteten metallischen Gewebes, eines katalytischen Plattenreaktors oder dergleichen ausgebildet sein. Selbstverständlich sind jedoch auch die oben genannten Ausführungsformen des Rekombinators 3 mit der Beschichtung oder dergleichen denkbar, wobei das Gebläse 4 dann so ausgebildet sein sollte, daß der mit dem Rekombinator 3 versehene Bereich des Gaserzeugungssystems 2 bzw. des Gehäuses 1 von dem geforderten Gasgemisch angeströmt wird.
In Fig. 2 ist erkennbar, daß im Bereich des Rekombinators 3 ein Temperatursensor 5 angeordnet ist. Aufgrund dieses Temperatursensors 5 lassen sich Temperaturschwankungen im Bereich des Rekombinators 3 ermitteln, welche aufgrund der umgesetzten Wasserstoffkonzentration anfallen werden.
Falls die Überschreitung einer vorgegebenen Maximaltemperatur erfolgt, deutet dies auf einen Wasserstoffstörfall in dem Gehäuse 1 hin. Beispielsweise kann durch einen Defekt, Leitungsbruch oder dergleichen, eine sehr große Menge an Wasserstoff ausgetreten sein, welche dann im Bereich des Rekombinators 3 umgesetzt wird. Der damit verbundene Temperaturanstieg deutet auf den besagten Wasserstoffstörfall in dem System hin. Oberhalb einer bestimmten maximal zulässigen Temperatur, welche einer entsprechenden Wasserstoffkonzentration in dem Gehäuse 2 entspricht, sollte daher das Brennstoffzellensystem aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden.
Über diesen sehr einfachen Temperatursensor 5, welcher in an sich bekannter Weise kostengünstig, robust und zuverlässig ist, kann somit eine Sicherheitsüberwachung des Brennstoffzellensystems erreicht werden, welche weitaus zuverlässiger und billiger als eine vergleichbare Überwachung über empfindliche Wasserstoffsensoren ist.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, insbesondere mit einem Gaserzeugungssystem zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas aus kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen, wobei die Komponenten des Brennstoffzellensystems in wenigstens einem Gehäuse (1) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (1) berührungsdicht ausgebildet ist, und wobei in dem Gehäuse (1) Rekombinatoren (3) zur Rekombination von Wasser- und Sauerstoff zu Wasser angeordnet sind.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinatoren (3) als Beschichtung auf zumindest einem Teil von Innenwänden des Gehäuses (1) ausgebildet sind.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinatoren (3) als wenigstens eine eigenständige Komponente in dem Gehäuse (1) ausgebildet sind.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich der Rekombinatoren (3) ein Temperatursensor (5) angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem beim Überschreiten eines vorgesehenen Temperaturniveaus im Bereich des Rekombinators (3) abschaltbar ist.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem wenigstens einen Gehäuse (1) befindliche Gas mit wenigstens einem explosionsgeschützten Gebläse (4) in den Bereich mit den Rekombinatoren (3) förderbar ist.

6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Rekombinatoren (3) im Bereich einer Wärmesenke in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, wobei eine wärmeleitende Verbindung zwischen den Rekombinatoren (3) und dem Bereich der Wärmesenke ausgebildet ist.

7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Rekombinatoren (3) im Bereich einer Komponente in dem Gehäuse angeordnet sind, welche sich im Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems schnell erwärmt, wobei eine wärmeleitende Verbindung zwischen den Rekombinatoren (3) und dieser Komponente ausgebildet ist.

8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinatoren als katalytische Rekombinatoren ausgebildet sind.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material der Rekombinatoren (3) Platin und/oder Palladium aufweist.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Rekombinatoren (3) als katalytische Beschichtung auf einem metallischen Gewebe ausgebildet sind.

11. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zusammen mit dem Gaserzeugungssystem in einem Kraftfahrzeug.