DE102007061957A1

DE102007061957A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007061957A1
Application number: DE102007061957A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Diedrich (FH); Martin Dipl.-Ing. Heumos (Fh); Gert Dr.-Ing. Hinsenkamp; Patrick Dipl.-Ing. Mangold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-06-12
Also published as: WO2009083071A1

Abstract

Anstatt wie bisher Anodeneinheit (16) und Kathodeneinheit (24) an derselben Endplatte eines Brennstoffzellenstapels (10) zu montieren, wird erfindungsgemäß bewusst die Anodeneinheit (16) an einer ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels (10) und die Kathodeneinheit (24) an einer zweiten Endplatte des Brennstoffzellenstapels (10) angebracht. Die Gesamtanordnung ist stoffstromgünstiger, wodurch Platz, insbesondere durch Verkürzung von bestimmten Rohrleitungen oder den Verzicht auf diese, eingespart wird. Anodeneinheit (16), Brennstoffzellensystem (10) und Kathodeneinheit (24) können in einem gemeinsamen Gehäuse (14') vormontiert werden, wodurch Aufwand bei der Montage im Kraftfahrzeug eingespart wird und gleichzeitig nochmals Platz eingespart wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Bei den bisher verbreiteten Brennstoffzellensystemen sind Anodeneinheit und Kathodeneinheit jeweils auf derselben Seite eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen, so dass ein und dieselbe Endplatte des Brennstoffzellenstapels, die einen Stapel von Brennstoffzellen abschließt, Anschlüsse für Rohrverbinder und Rohrleitungen aufweist.
Das Bestreben geht dahin, ein Brennstoffzellensystem möglichst platzsparend in einem Kraftfahrzeug unterzubringen. Das Brennstoffzellensystem soll auch einfach und dadurch kostengünstig montierbar sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, vorhandene Brennstoffzellensysteme weiter in diese Richtung zu verbessern. Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass es nicht notwendig ist, dass Anodeneinheit und Kathodeneinheit auf derselben Seite des Brennstoffzellenstapels untergebracht sind. Vielmehr erweist es sich als günstig, wenn die Anodeneinheit an der ersten von zwei Endplatten des Brennstoffzellenstapels und die Kathodeneinheit an einer zweiten von zwei Endplatten des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist. Durch diese Anordnung lassen sich nämlich Rohrleitungen verkürzen oder gar ganz einsparen. Die Anordnung ist auch stoffstromgünstiger: Es gibt geringeren Druckverlust in den Gasen, und das Brennstoffzellensystem kann insgesamt eine schnellere Reaktionsfähigkeit auf Lastsprünge aufweisen.
Auch die Montage ist einfacher durchführbar. Brennstoffzellenstapel, Anodeneinheit und Kathodeneinheit können insbesondere bereits vormontiert werden. Es erweist sich hier als günstig, wenn sie von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind (sog. „Stackbox"), denn dann kühlen die drei Einheiten Brennstoffzellensystem, Anodeneinheit und Kathodeneinheit nach Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems gleichmäßig ab, wodurch verhindert wird, dass es im Bereich der Anodeneinheit oder der Kathodeneinheit im Vergleich zum Brennstoffzellenstapel Temperaturfallen gibt, an denen Wasser bei kalten Umgebungstemperaturen gefriert, das beim Wiederstart die Betriebsfähigkeit des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt.
Die stoffstromgünstige Anordnung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug dadurch genutzt werden, dass ein Tank, der der Anodeneinheit Wasserstoff zuführt auf der Seite der Anodeneinheit angeordnet wird und ein Luftfilter, der die der Kathodeneinheit zugeführte Luft filtert, auf der Seite der Kathodeneinheit angeordnet wird. Tank und Luftfilter behindern sich daher nicht gegenseitig und können in dem Kraftfahrzeug platzsparend angeordnet werden. Durch die stoffstromgünstige Anordnung können auch hier Rohrleitungen verkürzt oder gar eingespart werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
1 schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bisher sieht ein Brennstoffzellensystem wie folgt aus: Herzstück des Brennstoffzellensystems ist ein Brennstoffzellenstapel 10. In dem Stapel 10 sind Durchgangsöffnungen 12, 12', so genannte „Stackports", vorgesehen, über die Gas zugeführt bzw. abgeführt wird. Der Brennstoffzellenstapel ist durch Endplatten abgeschlossen. Der ganze Brennstoffzellenstapel 10 befindet sich in einem Gehäuse 14, das den Brennstoffzellenstapel 10 thermisch isoliert. An einer Seite des Brennstoffzellenstapels 10 wird nun eine Anodeneinheit 16 angeschlossen, nämlich eine erste Rohrleitung 18 (Eingang) und eine zweite Rohrleitung 20 (Ausgang). Der Anodeneinheit 16, welche als Anodenkreislauf („Anodenloop") ausgebildet sein kann, wird über eine Leitung 22 Frischwasserstoff zugeführt. An derselben Seite des Brennstoffzellenstapels 10, an der die Anodeneinheit 16 mit den Leitungen 18 und 20 angeschlossen ist, ist auch eine Kathodeneinheit 24 (als Befeuchter ausgebildet), angeschlossen, mit Eingangsleitung 26 und Ausgangsleitung 28. Der Kathodeneinheit 24 wird über eine Leitung 30 Frischluft zugeführt, und über eine Leitung 32 wird Abluft abgeführt. An der Endplatte des Brennstoffzellenstapels 10 ist zudem eine Eingangsleitung 34 sowie eine Ausgangsleitung 36 für das Kühlmittel angeschlossen.
Die Erfindung ist nun anhand von 2 erläutert. Bei der Ausführungsform gemäß 2 befindet sich der Brennstoffstapel 10 nach wie vor in einer Umhüllung 14. An einer Endplatte ist nun die Anodeneinheit 16 mit den Leitungen 18 und 20 angeschlossen, und an der zweiten Endplatte, bewusst also nicht an derselben Endplatte wie die Anodeneinheit 16, ist die Kathodeneinheit 24 mit den Leitungen 26 und 28 angeschlossen. An einer Endplatte, vorliegend derselben Endplatte wie die Kathodeneinheit 24, sind die Eingangsleitung 34 und die Ausgangsleitung 36 für Kühlmittel angeschlossen. Durch die Anordnung in 2 ist das Brennstoffzellensystem im Vergleich zum Stand der Technik mit 1 stoffstromgünstiger gestaltet: Die Rohrleitungen können kürzer ausgebildet sein, und es kann die Anodeneinheit 16 näher zu einem Wasserstofftank hin angeordnet sein, während die Kathodeneinheit 24 näher zu einem Luftfilter hin angeordnet sein kann. Die Anordnung aus 2 ist somit raumsparend.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in 3 veranschaulicht. Hierbei sind Brennstoffzellenstapel 10, Anodeneinheit 16 und Kathodeneinheit 24 zu einem Modul zusammengefasst, und zwar ist nicht mehr der Brennstoffzellenstapel 10 alleine von einem Gehäuse 14 umgeben wie in 2, sondern ein gemeinsames Gehäuse 14' umgibt sämtliche drei Einheiten Brennstoffzellenstapel 10, Anodeneinheit 16 und Kathodeneinheit 24. Die Anodeneinheit 16 kann direkt an die Endplatte des Brennstoffzellenstapels 10 montiert (angeflanscht) sein, so dass auf die Rohrleitungen 18 und 20 verzichtet werden kann, und die Kathodeneinheit 24 kann direkt an die andere Endplatte des Brennstoffzellenstapels montiert (angeflanscht) sein, so dass auf die Rohrleitungen 26 und 28 verzichtet werden kann. Die Anordnung aus 3 kann zudem vormontiert werden (insbesondere alles, was in dem Gehäuse 14' befindlich ist). Dadurch werden bei der Montage des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug Zeit und Kosten gespart. Die Anordnung aus 3 ist nochmals raumsparender als die Anordnung aus 2.

10: Brennstoffzellenstapel
12, 12': Durchgangsöffnungen
14, 14': Gehäuse
16: Anodeneinheit
18, 20: Rohrleitungen
24: Kathodeneinheit
26, 34: Eingangsleitung
28, 36: Ausgangsleitung
30: Frischluftleitung
32: Abluftleitung

Claims

Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (10), der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, die an zwei Stapelenden jeweils von einer Endplatte abgeschlossen werden, und mit einer Anodeneinheit (16) und einer Kathodeneinheit (24), die jeweils an einer Endplatte mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodeneinheit (16) an der ersten Endplatte und die Kathodeneinheit (24) an der zweiten Endplatte mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (10), Anodeneinheit (16) und Kathodeneinheit (24) von einem gemeinsamen Gehäuse (14') umgeben sind.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem der Anodeneinheit (16) Wasserstoff aus einem Tank zugeführt wird und/oder der Kathodeneinheit (24) von einem Luftfilter gefilterte Luft zugeführt wird, und wobei alle Tanks auf der Anodeneinheitsseite des Brennstoffzellensystems und/oder der Luftfilter auf der Kathodeneinheitsseite des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.