DE102004029840A1

DE102004029840A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102004029840A1
Application number: DE102004029840A
Authority: DE
Inventors: Frank Brenner; Ulrich Gottwick; Rainer Saliger; Jan-Michael Graehn; Norbert Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2005-12-29
Also published as: US20050282057A1; JP2006004948A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer zwischen der Anoden- und Kathodenseite einer Brennstoffzelle angeordneten Membran. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Druckausgleichselement (10, 20) vorgesehen ist, das den auf die Membran (5) wirkenden Differenzdruck begrenzt.

Description

Der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellen werden mit zu ihren Betriebseinrichtungen zählender, deren Anoden- und Kathodenseite trennender Membran betrieben. Sie bergen die Gefahr dass bei Beschädigung der Membran Knallgasreaktionen mit den bekannten, nachteiligen Effekten auftreten.

Ein möglicher Grund für Beschädigungen der Membrane sind Druckschwankungen im System. Eine Druckkompensierung für elektrochemische Zellen geht aus der US 5,693,202 hervor. Die darin offenbarte technische Lehre zeigt aber einen hydrostatischen Druckausgleich, der für einen Einsatz im Brennstoffzellenbereich nicht als geeignet erscheint.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Erhöhung der Betriebssicherheit einer Brennstoffzellenvorrichtung. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Brennstoffzellenvorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Zur Behebung des Problems wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, umfassend eine Brennstoffzelle mit einer eine Anoden- und Kathodenseite trennenden Membran sowie einen Ein- und einen Auslass für ein Anodengas und einen Ein- und einen Auslass für ein Kathodengas, welche sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Druckausgleichselement vorgesehen ist, das einen auf die Membran wirkenden Differenzdruck begrenzt.

Ein solches Druckausgleichselement verhindert bei plötzlichem Druckabfall auf der Anoden- oder Kathodenseite der Brennstoffzelle, dass die dazwischen angeordnete Membran durch den schlagartig ansteigenden Differenzdruck einseitig belastet und gegebenenfalls beschädigt oder sogar zerstört wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Druckausgleichselement einlassseitig und/oder auslassseitig der Brennstoffzelle angeordnet ist. Dadurch kann über kurze Verbindungswege eine kleine Baueinheit als Druckausgleichselement angeordnet werden, die kaum zusätzlichen Raum bei der Unterbringung der Brennstoffzelle benötigt.

In einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Druckausgleichselement zwischen einem der Einlässe und einem der Auslässe angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei speziellen Betriebsverhältnissen oder gegebenenfalls auch bei speziellen räumlichen Anordnungen von Vorteil sein.

In einer besonderen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Druckausgleichselement als Zylinder mit einem darin druckabhängig geführten Kolben zur Steuerung des wirksamen Querschnitts einer Ablassöffnung ausgebildet ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie nur passive Elemente enthält, die bei entsprechender Auslegung ein sehr rasches Ansprechverhalten des Druckausgleichselement gewährleisten.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass im Kolben zwei voneinander getrennte druckwirksame Kolbenflächen ausgebildet sind. Damit ist das Druckausgleichselement unabhängig vom Absolutdruck und kann sofort auf jede Druckänderung, die eine Seite oder in unterschiedlichem Maße beide Seiten betrifft, reagieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Größe der wirksamen Kolbenflächen zur Regelung des wirksamen Querschnitts einer Ablassöffnung gleichgroß ausgebildet sind. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn beide Zuleitungsseiten den gleichen Querschnitt aufweisen.

In einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform kann es auch vorteilhaft sein, dass die Größe der wirksamen Kolbenflächen zur Regelung des wirksamen Querschnitts einer Ablassöffnung unterschiedlich groß ausgebildet sind. Diese Ausführungsform ist dann von Vorteil, wenn unterschiedliche Querschnitte in den Zuleitungen oder beispielsweise betriebsbedingte Anforderungen unterschiedliche Sensibilitäten im Ansprechverhalten erfordern.

In einer besonderen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement federbelastet ist. Dadurch kann ein einfacher Aufbau des Druckelementes realisiert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement als Druckwaage ausgebildet ist. Diese Ausführungsform kann sowohl für Kolben mit gleich großen, wirksamen Kolbenflächen als auch mit unterschiedlich großen, wirksamen Kolbenflächen vorgesehen sein. Sie wirkt entsprechend der anliegenden Druckverhältnisse so, dass der Kolben von zwei sich gegenüberliegenden Seiten mit den resultierenden Kräften beaufschlagt wird. Abhängig vom vorherrschenden Differenzdruck wird der Kolben auf die eine oder andere Seite verschoben, bis gegebenenfalls die Ablassöffnung solange teilweise oder sogar vollständig geöffnet wird, bis der Differenzdruck auf seinen zulässigen Maximalwert abgesunken ist.

In einer speziellen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement so ausgebildet ist, dass der für die Ablassfunktion wirksame Querschnitt mindestens so groß ist, wie der gegebenenfalls größere der beiden wirksamen Querschnitt der beide Zufuhrseiten. Dadurch ist gewährleistet, dass kein Druckanstieg in der Brennstoffzelle durch andernfalls gegebenenfalls entstehenden Staudruck entstehen kann.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement bezüglich seiner Reaktionszeit steuerbar oder regelbar ist. Dadurch können beispielsweise Schwingungen im System vermieden werden.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement bezüglich seiner Druckempfindlichkeit steuerbar oder regelbar ist. Auch durch diese Maßnahme ist es möglich, positiv auf das Schwingungsverhalten des Systems einzuwirken.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement bezüglich seiner Dämpfungseigenschaften steuerbar oder regelbar ist. Auch diese Eigenschaft wirkt sich positiv auf das Schwingungsverhalten des Systems aus.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement einen Sensor und einen Aktuator aufweist. Durch die Ausführungsform als aktives Druckausgleichselement besteht die Möglichkeit, auch nachträglich auf seine Parameterisierung einzuwirken, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn enge bauliche Gegebenheiten vorherrschen, oder wenn beispielsweise in Versuchsphasen des Brennstoffzellenbetriebs Parameter häufig verändert werden müssen.

Grundsätzlich wird noch angeführt, dass die Maßnahme selbstverständlich auch für Brennstoffzellenstapel gilt und nicht nur für einzelne Brennstoffzellen. Die vom Überdruck betroffene Seite kann zur Schadensvermeidung für die Brennstoffzelle kurzzeitig bis zum Wirksamwerden weiterer Maßnahmen geöffnet werden, so dass der Überdruck ins Freie oder in ein geeignetes Volumen entströmen kann.

Ausführungsbeispiele:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer die Anoden- und Kathodenseite trennenden Membran, Ein- und Auslässe für Anoden- und Kathodengas und diese verbindende Druckausgleichselemente zur Begrenzung des Differenzdrucks;
2 ein Druckausgleichselement in Ruhestellung bei ausgeglichenem Druckverhältnis P1 = P2;
3 ein Druckausgleichselement in Arbeitsstellung bei ungleichem Druck P1 > P2, wobei ΔP so groß wird, dass der Ablass freigegeben wird;
4 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit je einem Druckausgleichselement zwischen einem Einlass und einem Auslass.
1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit Brennstoffzelle 2 und parallel zur Brennstoffzelle 2 angeordnete Druckausgleichselemente 10, 20.
Grundsätzlich werden bei reinen H₂-System die Brennstoffzellen-Systeme im Dead-end-Betrieb gefahren, es wird in der Regel nichts wieder rausgelassen. Nur bei Purgen (Spülen) wird manchmal etwas abgelassen wegen Inertgas.
Im vorliegenden Beispiels wird die Brennstoffzelle 2 mit Anodengas über den Einlass 6 versorgt, welches über den Auslass 8 die Brennstoffzelle 2 wieder verlässt. Das Kathodengas wird über den Einlass 7 der Brennstoffzelle 2 zugeführt und verlässt diese durch den Auslass 9. Zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 ist eine Membran 5 angeordnet, die den Differenzdruck zwischen dem Anodengas und dem Kathodengas ausgesetzt ist.
Herkömmliche Brennstoffzellen werden derzeit mit einem Druckniveau bis zu 3 bar betrieben. Die in den Brennstoffzellen angeordneten Membranen sind beispielsweise für einen Differenzdruck bis 500 mbar ausgelegt.
Um den bei einem plötzlichen Druckabfall des Anoden- oder Kathodengases auftretenden und auf die Membrane 5 wirkenden Differenzdruck ΔP zu beschränken, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, ein Druckausgleichselement 10, 20 zwischen der Anodenseite 6, 8 und der Kathodenseite 7, 9 der Brennstoffzelle 2 anzuordnen.
Die Druckverhältnisse sind in 1 so dargestellt, dass der atmosphärische Druck 19 (P_AT) den Referenzdruck für den Druck P1 des Anodengases bzw. für den Druck P2 des Kathodengases darstellt. Der Differenzdruck ΔP herrscht zwischen dem Druck P1 und dem Druck P2.
Beispielhaft ist in der 1 im Einlassbereich der Brennstoffzelle 2 ein passives Druckausgleichelement 10 dargestellt. Anodenseitig ist es mit dem Anschluss 11 druckleitend und volumenleitend verbunden und kathodenseitig mit dem Anschluss 12. Bei auftretendem Differenzdruck ΔP > 0 wird der Kolben 15 im Zylinder 14 aus seiner Ruhelage verschoben und öffnet bei ausreichend großem Differenzdruck den Ablass 13. Die Dichtungen 16 sorgen für die gegenseitige Abdichtung der beiden anoden- und kathodengasseitigen Kolbenräume, in denen sich die wirksamen Kolbenflächen 15A, 15B befinden. Selbst bei fehlerhaft auftretender Leckage an einer Dichtung bleiben beide Gase immer getrennt durch die getrennte Anordnung der Dichtungen.
Zusätzlich zur wirksamen Kolbenfläche 15A ist eine Feder 17 im anodengasseitigen Bereich des Druckausgleichselementes 10 zur Kolbenbeeinflussung angeordnet, der eine Feder 18 im kathodengasseitigen Bereich gegenüberliegend angeordnet ist.
Ein Beispiel für ein passives Druckausgleichselement könnte folgendermaßen sein:
Der Kolbendurchmesser kann beispielsweise 10 cm² Fläche aufweisen, die Druckdifferenz sei sprungförmig 500 mbar. Die beschleunigende Kraft ist damit ca. 50N. Bei 200 Gramm Kolbenmasse wird damit eine Beschleunigung von ca. 250 m/s² erzielt. Typische Wege von 5 cm werden damit in einer Zeit in der Größenordnung von 20 ms (je nach Federauslegung) zurückgelegt. Bei doppelter Kolbenfläche halbiert sich diese Zeit. Die Bewegung des Kolbens stellt somit auch eine Zusatzelastizität dar, die Druckregelschwankungen ausgleicht.
Ein Beispiel für ein aktives Druckausgleichselement 20 ist zwischen den beiden Auslässen 8, 9 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Druckverhältnisse sind abhängig vom Strömungswiderstand in der Brennstoffzelle 2 annähernd gleich den Druckverhältnissen an der Einlassseite. Demgemäß kann die Anordnung des Druckausgleichelementes der Brennstoffzelle vor oder nachgeschaltet sein.
Die 1 zeigt grundsätzlich nur schematisch die Ausführungsform eines aktiven bzw. eines passiven Druckausgleichselementes. Das aktive Druckausgleichselement 20 weist einen Sensor 24 und einen Aktor 25 auf. Der Ablass 23 wird dann geöffnet, wenn der Aktor 25 über die symbolisch dargestellte Sensor/Aktuator-Verbindung 26 ein entsprechendes Signal erhält. Selbstverständlich kann der Aktuator 25 aber auch von einem anderen Element aufgrund eines Signals des Sensors 24 angesprochen werden.
Die 2 zeigt schematisch ein Druckausgleichselement 10 in Ruhestellung P1 = P2. Die beiden Federn 17, 18 sind aufgrund der gleichen Druckverhältnisse zwischen Anodenseite 11 und Kathodenseite 12 gleichmäßig belastet, so dass der Kolben 15 in etwa in der Mitte des Zylinders 14 positioniert ist und den Ablass 13 verschließt.
In der 3 ist eine demgegenüber aktive Stellung des Druckausgleichselementes 10 P1 > P2 gezeigt. In diesem Fall herrscht an der Anodenseite 11 ein Überdruck gegenüber der Kathodenseite 12. Der Kolben 15 ist im gezeigten Beispiel aufgrund eines auf die Kolbenfläche 15A wirkenden Kraftüberschusses gegen die Federkraft 18 und die geringere Druckkraft an der Kolbenfläche 15B so weit verschoben, dass der Ablass 13 anodengasseitig geöffnet ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 1, bei der beispielhaft Druckausgleichselemente 10 gekreuzt zwischen den Einlässen und Auslässen der Anodenseite bzw. Kathodenseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet sind. Selbstverständlich reicht zur Sicherung der Membran 5 die Anordnung eines einzigen Druckausgleichselementes 10 aus. In besonderen Ausführungsformen kann es aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens ein zweites Druckausgleichselement angeordnet ist.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination der Anordnungen von Druckausgleichelementen zwischen den 1 und 4 möglich. Auch die Kombination passiver und aktiver Elemente ist denkbar.
Die dargestellten Ausführungsvarianten dienen nur zur Veranschaulichung der Erfindung. Grundsätzlich sind weitere Ausführungsformen wie die oben angegebenen Kombinationen unterschiedlicher Verbindungen zwischen Ein- und Auslassseiten der Anoden- und Kathodengasleitungen möglich.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine Brennstoffzelle (2) mit einer eine Anoden- und eine Kathodenseite trennenden Membran (5) sowie einen Ein- (6) und einen Auslass (8) für ein Anodengas und einen Ein- (7) und einen Auslass (9) für ein Kathodengas, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Druckausgleichselement (10, 20) vorgesehen ist, das einen auf die Membran (5) wirkenden Differenzdruck begrenzt.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckausgleichselement (10, 20) einlassseitig und/oder auslassseitig angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckausgleichselement (10, 20) zwischen einem der Einlässe (6, 7) und einem der Auslässe (8, 9) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckausgleichselement (10) als Zylinder (14) mit einem darin druckabhängig geführten Kolben (15) zur Steuerung des wirksamen Querschnitts einer Ablassöffnung (13) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (15) zwei voneinander getrennte, druckwirksame Kolbenflächen (15A, 158) ausgebildet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der wirksamen Kolbenflächen (15A, 15B) zur Regelung des wirksamen Querschnitts einer Ablassöffnung (13) gleich groß ausgebildet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der wirksamen Kolbenflächen (15A, 15B) zur Regelung des wirksamen Querschnitts einer Ablassöffnung (13) unterschiedlich groß ausgebildet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (10) federbelastet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (10) als Druckwaage ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (10) so ausgebildet ist, dass der für die Ablassfunktion wirksame Querschnitt mindestens so groß ist wie der ggf. größere der beiden wirksamen Querschnitte der beiden Zufuhrseiten.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Druckausgleichselement (10) bezüglich seiner Reaktionszeit steuerbar oder regelbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (10) bezüglich seiner Druckempfindlichkeit steuerbar oder regelbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (10) bezüglich seiner Dämpfungseigenschaft steuerbar oder regelbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (20) einen Sensor (24) und einen Aktuator (25) aufweist.